专利名称：一种用于制备微筛膜的成膜液及其使用方法
技术领域：
本发明涉及用于制备微筛膜的成膜液及其使用方法。
背景技术：
在使用电子显微镜观察材料特征的时候，和光学显微镜一样，首先需要有某种载物来支持。光学显微镜使用玻璃作载物。而透射电子显微镜中的电子束不能透过玻璃，因此不能使用载玻片，而要用一种极细微的网状材料作载物，通常把它叫做载网。常用的载网是200目的铜网。
在把样品安放在载网上之前，往往还要在载网上加一层无结构的、均匀的薄膜，否则细小的样品会从小孔中漏出去。这层薄膜就叫做支持膜。常用的支持膜可以用塑料膜，如火棉胶膜、聚醋酸甲基乙烯酯(Formvar)膜或聚乙烯醇缩甲醛膜等，采用“转移漂浮法”工艺制备。
支持膜有一定的厚度，常用的塑料支持膜一般在20nm以上才有较强的稳定性，支持膜如果太薄，会影响它的机械支持力。而生物样品的超薄切片的厚度大约在50nm左右，对纳米材料而言，其样品单体的几何尺寸小于100nm，这与支持膜的厚度已属于同一数量级。很明显，尽管支持膜是一层无结构的、均匀的薄膜，但是由于存在一定厚度，其质厚衬度总是存在的，考虑到生物样品的质厚衬度与塑料支持膜的质厚衬度相近，而在纳米材料的观察中其要观察的细节一般小于10nm，在常规的高分辨观察中要观察的细节一般小于1nm，所以在生物样品、纳米材料及常规的高分辨工作的电镜观察时，支持膜所存在的质厚衬度已严重影响了电镜图像的质量，明显降低了样品的反差，使得借助于电子衍射的运动学和动力学理来定性解释图象中的衬度特征、说明图像中某些细节产生的原因以及从中取得精确的定量信息变得难以实现。为了正确解释和分析衍衬图像，必须采用一种特殊的带有许多小孔的支持膜，既不降低反差，又可起支持作用，这就是微筛支持膜。
传统的制备微筛支持膜的方法是“结露成膜法”。即先将载玻片用疏水剂处理，使其具有疏水性，再利用呵气、冰箱冷凝等方法使水汽结露在载玻片上，形成一露珠层，再滴上成膜混合液，混合液的溶剂首先挥发，载玻片上形成嵌有大量冒顶水珠的膜，水珠蒸发完毕，就形成微筛支持膜，再用“转移漂浮法”将微筛支持膜从载玻片上分离。
微筛膜的孔洞，是由水汽到达玻片表面后结露形成液滴，镶嵌在后期施加的胶膜中，液滴挥发后所形成的。在一般情况下，液体到达被空气流体包覆的固体表面后会取代空气，形成润湿过程。这涉及到固、液、气三相的界面能，最终液滴将会因界面能的平衡情况决定润湿或者不润湿。完全润湿的情况即为铺展，接触角θ＝0°；完全不润湿时则θ＝180°。显然，在制备微筛膜的情况下，θ角应接近90°。这可用图1的几个示例来解释(图中从上至下依次为结露状态1、2、3)。示例1是理想的结露平衡点，液滴以半球密堆方式布列于玻片上，设所需膜厚为20nm，则只要获得液滴直径达到4um，其半球高度就为2um，为膜厚的10倍，确保施加成膜液后能形成穿通的微孔，且微孔直径基本等于液滴直径。示例2属于θ角明显小于90°的情况，由于接触角过小导致膜的厚度几乎已经等同于液滴的高度，等水完全蒸发后真正留下来的通孔直径大大小于液滴直径，孔隙率很低，极端情况下甚至没有产生穿通的微孔。而对于示例3属于θ角明显大于90°的情况，这时液滴非常不稳定，极易发生液滴间的合并，这将导致最终孔径的失控，极端情况下就会有大片区域因为液滴的合并铺展而无法形成微孔。
因此，传统方法有以下几个瓶颈无法解决1、疏水剂效果所形成液滴的形状可以用接触角来描述。根据润湿方程，平衡接触角与三个界面自由能之间有如下关系γs-γls＝γlcos θ。这是个三相交界处三个界面张力平衡的结果，适用于具有固液、固气连续表面的平衡体系。疏水剂直接决定了γls与γs，因而与孔径及θ密切相关。疏水剂的效果不仅与疏水剂本身有关，还与所用玻片的表面性质有关，要实现其可控性难度极大。
2、空气中的尘埃密度众所周知，空气中若没有尘埃则水蒸气即使达到饱和也不易凝结成水，只有当存在一些曲率不太大的凝结核心时水蒸气才会凝结成液体。在实际操作中，很难有条件人为可控地在用疏水剂处理过的玻片表面布置成核剂，所以一般是靠空气中的尘埃降落在上面来完成的，显然，这是一个非可控因素。尘埃太少，玻面上液滴密度太低，所得的膜实用价值不高(因为孔隙率低)；尘埃太多，玻面上液滴密度太大，有可能当场发生液滴合并而发生铺展，也有可能在滴成膜液时发生液滴合并而发生铺展。光是这一点就难以控制，更不要说其它非平衡因素。
3、结露时的过冷度及湿度结露时的过冷度及湿度对于微筛膜制备的影响也很大，合适的温、湿度是制备理想微筛膜的必须条件。但事实上对于大多数实验室，这些都难以精确控制。
4、结露平衡点形成后相对稳定的时间间隔结露形成后，露液仍处于结露和挥发的动态变化过程中，一直到成膜液施加及固化完毕，露液所决定的膜孔才算定型，这里需要数十秒到数分钟的时间。一般理想的结露平衡点是液滴以半球密堆方式布列于玻片上，在低湿度的环境下，细小露液的挥发是相当迅捷的，数十秒的时间完全有可能将密堆分布的液滴挥发成呈稀疏分布；同理，在高湿度的条件下，在原有露液上继续结露的进程也是相当迅捷的，数十秒的时间完全有可能将密堆分布的液滴变成过度结露而发生铺展。显然，确保露液在结露平衡点形成到定型完成这一时间段的相对稳定，是制得优质微筛膜的必要条件之一。但这与尘埃密度、环境的温度、湿度及操作时的过冷度都有关，一般情况下很难实现其可控性。
5、结露对冲击力的承受能力施加成膜液时将对结露产生冲击力，这与流量及流淌角度相关。液滴以半球密堆方式布列于玻片上时，其本身处于发生合并甚至铺展的临界状态，成膜液的施加以及一定液体在倾斜角下的流淌会使液滴发生合并而发生铺展。
显然，上述“结露成膜法”的最大问题是影响因素多，几乎到了难以人为调控的地步，因此其结果是成功率极其低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制备微筛膜的成膜液及其用法，以提高制膜成功率及简化工艺。
本发明用于制备微筛膜的成膜液是质量浓度0.25％～0.5％的火棉胶乙酸乙酯溶液A和蒸馏水B的混合液，A和B的体积比为1∶0.03～0.06。
用上述成膜液制备微筛膜的方法，其步骤如下1)以乙酸乙酯为溶剂配制质量浓度为0.25％～0.5％的火棉胶溶液，按比例加入蒸馏水得成膜液；2)将成膜液倒入试管中，总体积不要超过试管容量的1/4，剧烈振荡形成浅乳白色的乳浊液；3)用滴管吸取乳浊液滴于载玻片上，使乳浊液在载玻片上均匀铺展，溶剂挥发后，将玻片缓慢放入盛有蒸馏水的容器中，玻片上的微筛膜与玻片分离，得到微筛膜。
本发明微观机理解析乙酸乙酯与水配对具有非常理想的制微筛膜性能，主要体现在以下几个方面a)、乙酸乙酯与水两者互不相溶；b)、两者密度相近(乙酸乙酯为0.9g/cm3，水为1g/cm3)；c)、乙酸乙酯沸点为77℃，挥发速度远高于水。
在利用成膜液形成微筛膜的过程中，水相以细小水珠的形式弥散分布在以乙酸乙酯为溶剂的液体A中是非常关键的一步，只有乙酸乙酯与水两者互不相溶，才能做到这一点。因此条件a是非常必要的。
多项分散系统中的分散相粒子所受作用力的情况大致可以分为两个方面一方面是重力场的作用，它力图将粒子拉向容器底部，使之发生沉降；另一方面则是因布朗运动产生的扩散作用。沉降与扩散是两个相反的作用。当粒子很小，受重力影响很小可以忽略时，主要表现为扩散，如真溶液；当粒子较大时则主要表现为沉降。因此在分散相浓度一定的情况下，颗粒愈细，颗粒数目越多，一方面颗粒体表面积就越大、阻力增大，沉降作用减小；另一方面布朗运动增多，由数密度差引起的扩散作用将使粒子更趋于均匀分布。但当分散相颗粒直径达到一定细度之后，因为碰撞产生的液滴合并几率也同时增大，从而阻止进一步细化。因此一定浓度的混合液中最终形成的液滴直径有一个平衡峰值。
在振荡停止后，分散体系趋于静止，密度为1g/cm3的弥散水珠在密度为0.9g/cm3的乙酸乙酯中受到重力作用而沉降。设弥散水珠粒度为d，密度为ρ，在Stokes阻力范围内，其自由沉降末速v0为v0＝(ρs-ρ0)d2g/18μ，其中ρs、ρ0分别为分散相粒子和介质的密度，μ为介质粘度，g重力加速度。即沉降速度与两者的密度差相关。现在两者的密度差仅为10％，所以起沉降速度较慢，至少在停止摇晃后15秒钟之内，用肉眼观察，分散体系未出现明显的分层现象。这一稳定分布的时间间隔的存在对制膜及微筛膜的质量控制是十分重要的，因为对制膜程序而言，在成膜液形成之后必须要有5秒钟左右的时间完成其后续成膜操作。正是有了这足够的稳定分布的时间间隔，使得本方法的微筛膜的质量控制成为可能。这得归功于b。
对于条件c，乙酸乙酯沸点为77℃，并且在室温下挥发速度很快。本发明的成膜液，微筛膜中溶剂的挥发时间约为10～20秒，这是十分理想的时间，既有足够的时间进行相应操作，如膜液流淌完毕，又较快地干燥成膜。
如前所述，混合液的总量不要超过试管容量的1/4，这主要是保证在摇晃试管时有足够的空间距离用以摩擦振荡，剧烈摇晃，由于试管内壁摩擦振荡产生的剪切力已将原先透明的混合液变成在灯光下呈浅乳白色的高度分散体系，即水相已以细小的水珠形式弥散分布在以乙酸乙酯为溶剂的液体A中。此时的水珠粒径约为几微米。成膜后的微筛孔尺寸为2～3微米，对装载透射电镜样品甚为理想。这样制备其微筛孔尺寸的重复性可以得到保证，其原因是对于微米级颗粒，介质分子热运动对它的作用逐渐显著，引起了它们在介质中无序扩散运动，即所谓的布朗运动。此时，单位时间的重力沉降距离与扩散位移相等，即摩擦振荡时，水相与乙酸乙酯相由于密度和粘度的不同和受到的试管内壁的摩擦剪切力的不同被撕裂，又由于不相溶，于是水相以细小的水珠形式弥散分布在以乙酸乙酯为溶剂的液体A中。剧烈摇晃到一定程度后，弥散分布的水珠已达到微米尺寸。此时，在乙酸乙酯介质中主要将受介质分子热运动的作用而作无序的扩散运动，重力的作用对他们显得较为次要，即颗粒不再表现出明显的重力沉降运动，重力沉降作用在短时间内可以忽略不计。但当分散相颗粒直径达到一定细度之后，因为碰撞产生的液滴合并几率也同时增大，从而阻止进一步细化。因此一定浓度的混合液中最终形成的液滴直径有一个平衡峰值。在现在情况下，这一平衡峰值就是微米数量级。
上已说明弥散水珠的尺寸在2～5微米的可控性，而理想的膜厚为0.1～0.2微米，膜厚可由混合液的配比及施加量、玻片倾角等来控制，从实验角度而言，可控性也没问题，而另一个要素——微筛膜的孔隙率，可用混合液和水相的比率来调控。一般而言，要求孔隙率越大越好。用本方法制得的微筛膜的孔隙率也十分理想。这样，微筛膜制备的所有基本要素都达到可控的地步。
本发明的有益效果在于发明的成膜液配方简单，用于制备微筛膜成功率高。相对传统工艺对于单层露液铺满整个玻片在时间上是个点而言，本发明提供的方法因为膜厚远小于水珠直径，只要简单地控制成膜液滴到玻片上时玻片的倾斜角度，多余的成膜液及水珠会流淌到玻片外，即可只在玻片上留下单层的水珠膜。所制得的微筛支持膜完全满足透射电子显微镜对其的要求。
图1是采用巳有技术制备微筛膜的三种结露状态示意图；图2是实施例1制得的微筛膜透射电子显微镜(TEM)形貌图；图3是实施例2制得的微筛膜TEM形貌图；
图4是实施例3制得的微筛膜TEM形貌图。
具体实施例方式
实施例1以乙酸乙酯为溶剂配制质量浓度为0.25％的火棉胶溶液。清洗玻片、试管及滴管至表面无异物，烘干并冷却。量取2mL火棉胶溶液注入小号试管内，并用针筒注入0.06mL蒸馏水。加盖，剧烈振荡试管，大约半分钟后，原先分层的清液已变为浅乳白色混合液。用滴管吸取适量混合液滴于稍微倾斜的玻片上，再继续缓慢倾斜玻片使液体均匀铺展流下直至边缘，吸掉玻片底部多余的混合液。数秒钟后乙酸乙酯挥发完毕，玻片上便留下一层约200nm左右厚度的微筛膜。
将玻片有胶膜的那面朝上。为了使玻片与膜易于脱离，将玻片边缘浸入氢氟酸溶液中约五秒钟，取出后倾斜玻片并缓慢放入盛有蒸馏水的培养皿中，靠水的张力将膜与玻片分离。玻片沉底后微筛膜即漂浮在水面上。放上透射电镜载物铜网，即可得微筛支持膜。TEM下观察，孔径为2μm～4μm之间(图2)，均为通孔，孔隙率非常理想。
实施例2以乙酸乙酯为溶剂配制质量浓度为0.40％的火棉胶溶液。清洗玻片、试管及滴管至表面无异物，烘干并冷却。量取1.6mL溶液注入小号试管内，并用针筒注入0.05mL蒸馏水。用与例1相同的方法制取微筛膜。TEM下观察可见孔径在2μm左右(图3)，均匀且均为通孔，孔隙率很理想。
实施例3以乙酸乙酯为溶剂配制质量浓度为0.40％的火棉胶溶液。清洗玻片、试管及滴管至表而无异物，烘干并冷却。量取1.6mL溶液注入小号试管内，并用针筒注入0.06mL蒸馏水。用与例1相同的方法制取微筛膜。TEM下观察可得，孔径在2μm～3μm左右(图4)，非常均匀，均为通孔，孔隙率很大。
权利要求
1.一种用于制备微筛膜的成膜液，其特征在于它是质量浓度0.25％～0.5％的火棉胶乙酸乙酯溶液A和蒸馏水B的混合液，A和B的体积比为1∶0.03～0.06。
2.用权利要求1所述的成膜液制备微筛膜的方法，其步骤如下1)以乙酸乙酯为溶剂配制质量浓度为0.25％～0.5％的火棉胶溶液，按比例加入蒸馏水得成膜液；2)将成膜液倒入试管中，总体积不要超过试管容量的1/4，剧烈振荡形成浅乳白色的乳浊液；3)用滴管吸取乳浊液滴于载玻片上，使乳浊液在载玻片上均匀铺展，溶剂挥发后，将玻片缓慢放入盛有蒸馏水的容器中，玻片上的微筛膜与玻片分离，得到微筛膜。
全文摘要
本发明公开的用于制备微筛膜的成膜液是质量浓度0.25％～0.5％的火棉胶乙酸乙酯溶液A和蒸馏水B的混合液，A和B的体积比为1∶0.03～0.06。用该成膜液制备微筛膜基本消除了环境的影响，整个制膜过程非常简捷，成功率接近100％，且所制得的微筛支持膜完全满足透射电子显微镜对其的要求。
文档编号B01D67/00GK1921063SQ20061005303
公开日2007年2月28日 申请日期2006年8月21日 优先权日2006年8月21日
发明者袁佤, 袁明永 申请人:浙江大学