專利名稱：一種用于制備微篩膜的成膜液及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備微篩膜的成膜液及其使用方法。
背景技術(shù)：
在使用電子顯微鏡觀察材料特征的時(shí)候，和光學(xué)顯微鏡一樣，首先需要有某種載物來(lái)支持。光學(xué)顯微鏡使用玻璃作載物。而透射電子顯微鏡中的電子束不能透過(guò)玻璃，因此不能使用載玻片，而要用一種極細(xì)微的網(wǎng)狀材料作載物，通常把它叫做載網(wǎng)。常用的載網(wǎng)是200目的銅網(wǎng)。
在把樣品安放在載網(wǎng)上之前，往往還要在載網(wǎng)上加一層無(wú)結(jié)構(gòu)的、均勻的薄膜，否則細(xì)小的樣品會(huì)從小孔中漏出去。這層薄膜就叫做支持膜。常用的支持膜可以用塑料膜，如火棉膠膜、聚醋酸甲基乙烯酯(Formvar)膜或聚乙烯醇縮甲醛膜等，采用“轉(zhuǎn)移漂浮法”工藝制備。
支持膜有一定的厚度，常用的塑料支持膜一般在20nm以上才有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，支持膜如果太薄，會(huì)影響它的機(jī)械支持力。而生物樣品的超薄切片的厚度大約在50nm左右，對(duì)納米材料而言，其樣品單體的幾何尺寸小于100nm，這與支持膜的厚度已屬于同一數(shù)量級(jí)。很明顯，盡管支持膜是一層無(wú)結(jié)構(gòu)的、均勻的薄膜，但是由于存在一定厚度，其質(zhì)厚襯度總是存在的，考慮到生物樣品的質(zhì)厚襯度與塑料支持膜的質(zhì)厚襯度相近，而在納米材料的觀察中其要觀察的細(xì)節(jié)一般小于10nm，在常規(guī)的高分辨觀察中要觀察的細(xì)節(jié)一般小于1nm，所以在生物樣品、納米材料及常規(guī)的高分辨工作的電鏡觀察時(shí)，支持膜所存在的質(zhì)厚襯度已嚴(yán)重影響了電鏡圖像的質(zhì)量，明顯降低了樣品的反差，使得借助于電子衍射的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理來(lái)定性解釋圖象中的襯度特征、說(shuō)明圖像中某些細(xì)節(jié)產(chǎn)生的原因以及從中取得精確的定量信息變得難以實(shí)現(xiàn)。為了正確解釋和分析衍襯圖像，必須采用一種特殊的帶有許多小孔的支持膜，既不降低反差，又可起支持作用，這就是微篩支持膜。
傳統(tǒng)的制備微篩支持膜的方法是“結(jié)露成膜法”。即先將載玻片用疏水劑處理，使其具有疏水性，再利用呵氣、冰箱冷凝等方法使水汽結(jié)露在載玻片上，形成一露珠層，再滴上成膜混合液，混合液的溶劑首先揮發(fā)，載玻片上形成嵌有大量冒頂水珠的膜，水珠蒸發(fā)完畢，就形成微篩支持膜，再用“轉(zhuǎn)移漂浮法”將微篩支持膜從載玻片上分離。
微篩膜的孔洞，是由水汽到達(dá)玻片表面后結(jié)露形成液滴，鑲嵌在后期施加的膠膜中，液滴揮發(fā)后所形成的。在一般情況下，液體到達(dá)被空氣流體包覆的固體表面后會(huì)取代空氣，形成潤(rùn)濕過(guò)程。這涉及到固、液、氣三相的界面能，最終液滴將會(huì)因界面能的平衡情況決定潤(rùn)濕或者不潤(rùn)濕。完全潤(rùn)濕的情況即為鋪展，接觸角θ＝0°；完全不潤(rùn)濕時(shí)則θ＝180°。顯然，在制備微篩膜的情況下，θ角應(yīng)接近90°。這可用圖1的幾個(gè)示例來(lái)解釋(圖中從上至下依次為結(jié)露狀態(tài)1、2、3)。示例1是理想的結(jié)露平衡點(diǎn)，液滴以半球密堆方式布列于玻片上，設(shè)所需膜厚為20nm，則只要獲得液滴直徑達(dá)到4um，其半球高度就為2um，為膜厚的10倍，確保施加成膜液后能形成穿通的微孔，且微孔直徑基本等于液滴直徑。示例2屬于θ角明顯小于90°的情況，由于接觸角過(guò)小導(dǎo)致膜的厚度幾乎已經(jīng)等同于液滴的高度，等水完全蒸發(fā)后真正留下來(lái)的通孔直徑大大小于液滴直徑，孔隙率很低，極端情況下甚至沒(méi)有產(chǎn)生穿通的微孔。而對(duì)于示例3屬于θ角明顯大于90°的情況，這時(shí)液滴非常不穩(wěn)定，極易發(fā)生液滴間的合并，這將導(dǎo)致最終孔徑的失控，極端情況下就會(huì)有大片區(qū)域因?yàn)橐旱蔚暮喜佌苟鵁o(wú)法形成微孔。
因此，傳統(tǒng)方法有以下幾個(gè)瓶頸無(wú)法解決1、疏水劑效果所形成液滴的形狀可以用接觸角來(lái)描述。根據(jù)潤(rùn)濕方程，平衡接觸角與三個(gè)界面自由能之間有如下關(guān)系γs-γls＝γlcos θ。這是個(gè)三相交界處三個(gè)界面張力平衡的結(jié)果，適用于具有固液、固氣連續(xù)表面的平衡體系。疏水劑直接決定了γls與γs，因而與孔徑及θ密切相關(guān)。疏水劑的效果不僅與疏水劑本身有關(guān)，還與所用玻片的表面性質(zhì)有關(guān)，要實(shí)現(xiàn)其可控性難度極大。
2、空氣中的塵埃密度眾所周知，空氣中若沒(méi)有塵埃則水蒸氣即使達(dá)到飽和也不易凝結(jié)成水，只有當(dāng)存在一些曲率不太大的凝結(jié)核心時(shí)水蒸氣才會(huì)凝結(jié)成液體。在實(shí)際操作中，很難有條件人為可控地在用疏水劑處理過(guò)的玻片表面布置成核劑，所以一般是靠空氣中的塵埃降落在上面來(lái)完成的，顯然，這是一個(gè)非可控因素。塵埃太少，玻面上液滴密度太低，所得的膜實(shí)用價(jià)值不高(因?yàn)榭紫堵实?；塵埃太多，玻面上液滴密度太大，有可能當(dāng)場(chǎng)發(fā)生液滴合并而發(fā)生鋪展，也有可能在滴成膜液時(shí)發(fā)生液滴合并而發(fā)生鋪展。光是這一點(diǎn)就難以控制，更不要說(shuō)其它非平衡因素。
3、結(jié)露時(shí)的過(guò)冷度及濕度結(jié)露時(shí)的過(guò)冷度及濕度對(duì)于微篩膜制備的影響也很大，合適的溫、濕度是制備理想微篩膜的必須條件。但事實(shí)上對(duì)于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室，這些都難以精確控制。
4、結(jié)露平衡點(diǎn)形成后相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間間隔結(jié)露形成后，露液仍處于結(jié)露和揮發(fā)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，一直到成膜液施加及固化完畢，露液所決定的膜孔才算定型，這里需要數(shù)十秒到數(shù)分鐘的時(shí)間。一般理想的結(jié)露平衡點(diǎn)是液滴以半球密堆方式布列于玻片上，在低濕度的環(huán)境下，細(xì)小露液的揮發(fā)是相當(dāng)迅捷的，數(shù)十秒的時(shí)間完全有可能將密堆分布的液滴揮發(fā)成呈稀疏分布；同理，在高濕度的條件下，在原有露液上繼續(xù)結(jié)露的進(jìn)程也是相當(dāng)迅捷的，數(shù)十秒的時(shí)間完全有可能將密堆分布的液滴變成過(guò)度結(jié)露而發(fā)生鋪展。顯然，確保露液在結(jié)露平衡點(diǎn)形成到定型完成這一時(shí)間段的相對(duì)穩(wěn)定，是制得優(yōu)質(zhì)微篩膜的必要條件之一。但這與塵埃密度、環(huán)境的溫度、濕度及操作時(shí)的過(guò)冷度都有關(guān)，一般情況下很難實(shí)現(xiàn)其可控性。
5、結(jié)露對(duì)沖擊力的承受能力施加成膜液時(shí)將對(duì)結(jié)露產(chǎn)生沖擊力，這與流量及流淌角度相關(guān)。液滴以半球密堆方式布列于玻片上時(shí)，其本身處于發(fā)生合并甚至鋪展的臨界狀態(tài)，成膜液的施加以及一定液體在傾斜角下的流淌會(huì)使液滴發(fā)生合并而發(fā)生鋪展。
顯然，上述“結(jié)露成膜法”的最大問(wèn)題是影響因素多，幾乎到了難以人為調(diào)控的地步，因此其結(jié)果是成功率極其低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于制備微篩膜的成膜液及其用法，以提高制膜成功率及簡(jiǎn)化工藝。
本發(fā)明用于制備微篩膜的成膜液是質(zhì)量濃度0.25％～0.5％的火棉膠乙酸乙酯溶液A和蒸餾水B的混合液，A和B的體積比為1∶0.03～0.06。
用上述成膜液制備微篩膜的方法，其步驟如下1)以乙酸乙酯為溶劑配制質(zhì)量濃度為0.25％～0.5％的火棉膠溶液，按比例加入蒸餾水得成膜液；2)將成膜液倒入試管中，總體積不要超過(guò)試管容量的1/4，劇烈振蕩形成淺乳白色的乳濁液；3)用滴管吸取乳濁液滴于載玻片上，使乳濁液在載玻片上均勻鋪展，溶劑揮發(fā)后，將玻片緩慢放入盛有蒸餾水的容器中，玻片上的微篩膜與玻片分離，得到微篩膜。
本發(fā)明微觀機(jī)理解析乙酸乙酯與水配對(duì)具有非常理想的制微篩膜性能，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面a)、乙酸乙酯與水兩者互不相溶；b)、兩者密度相近(乙酸乙酯為0.9g/cm3，水為1g/cm3)；c)、乙酸乙酯沸點(diǎn)為77℃，揮發(fā)速度遠(yuǎn)高于水。
在利用成膜液形成微篩膜的過(guò)程中，水相以細(xì)小水珠的形式彌散分布在以乙酸乙酯為溶劑的液體A中是非常關(guān)鍵的一步，只有乙酸乙酯與水兩者互不相溶，才能做到這一點(diǎn)。因此條件a是非常必要的。
多項(xiàng)分散系統(tǒng)中的分散相粒子所受作用力的情況大致可以分為兩個(gè)方面一方面是重力場(chǎng)的作用，它力圖將粒子拉向容器底部，使之發(fā)生沉降；另一方面則是因布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散作用。沉降與擴(kuò)散是兩個(gè)相反的作用。當(dāng)粒子很小，受重力影響很小可以忽略時(shí)，主要表現(xiàn)為擴(kuò)散，如真溶液；當(dāng)粒子較大時(shí)則主要表現(xiàn)為沉降。因此在分散相濃度一定的情況下，顆粒愈細(xì)，顆粒數(shù)目越多，一方面顆粒體表面積就越大、阻力增大，沉降作用減??；另一方面布朗運(yùn)動(dòng)增多，由數(shù)密度差引起的擴(kuò)散作用將使粒子更趨于均勻分布。但當(dāng)分散相顆粒直徑達(dá)到一定細(xì)度之后，因?yàn)榕鲎伯a(chǎn)生的液滴合并幾率也同時(shí)增大，從而阻止進(jìn)一步細(xì)化。因此一定濃度的混合液中最終形成的液滴直徑有一個(gè)平衡峰值。
在振蕩停止后，分散體系趨于靜止，密度為1g/cm3的彌散水珠在密度為0.9g/cm3的乙酸乙酯中受到重力作用而沉降。設(shè)彌散水珠粒度為d，密度為ρ，在Stokes阻力范圍內(nèi)，其自由沉降末速v0為v0＝(ρs-ρ0)d2g/18μ，其中ρs、ρ0分別為分散相粒子和介質(zhì)的密度，μ為介質(zhì)粘度，g重力加速度。即沉降速度與兩者的密度差相關(guān)。現(xiàn)在兩者的密度差僅為10％，所以起沉降速度較慢，至少在停止搖晃后15秒鐘之內(nèi)，用肉眼觀察，分散體系未出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。這一穩(wěn)定分布的時(shí)間間隔的存在對(duì)制膜及微篩膜的質(zhì)量控制是十分重要的，因?yàn)閷?duì)制膜程序而言，在成膜液形成之后必須要有5秒鐘左右的時(shí)間完成其后續(xù)成膜操作。正是有了這足夠的穩(wěn)定分布的時(shí)間間隔，使得本方法的微篩膜的質(zhì)量控制成為可能。這得歸功于b。
對(duì)于條件c，乙酸乙酯沸點(diǎn)為77℃，并且在室溫下?lián)]發(fā)速度很快。本發(fā)明的成膜液，微篩膜中溶劑的揮發(fā)時(shí)間約為10～20秒，這是十分理想的時(shí)間，既有足夠的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)操作，如膜液流淌完畢，又較快地干燥成膜。
如前所述，混合液的總量不要超過(guò)試管容量的1/4，這主要是保證在搖晃試管時(shí)有足夠的空間距離用以摩擦振蕩，劇烈搖晃，由于試管內(nèi)壁摩擦振蕩產(chǎn)生的剪切力已將原先透明的混合液變成在燈光下呈淺乳白色的高度分散體系，即水相已以細(xì)小的水珠形式彌散分布在以乙酸乙酯為溶劑的液體A中。此時(shí)的水珠粒徑約為幾微米。成膜后的微篩孔尺寸為2～3微米，對(duì)裝載透射電鏡樣品甚為理想。這樣制備其微篩孔尺寸的重復(fù)性可以得到保證，其原因是對(duì)于微米級(jí)顆粒，介質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)它的作用逐漸顯著，引起了它們?cè)诮橘|(zhì)中無(wú)序擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，即所謂的布朗運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，單位時(shí)間的重力沉降距離與擴(kuò)散位移相等，即摩擦振蕩時(shí)，水相與乙酸乙酯相由于密度和粘度的不同和受到的試管內(nèi)壁的摩擦剪切力的不同被撕裂，又由于不相溶，于是水相以細(xì)小的水珠形式彌散分布在以乙酸乙酯為溶劑的液體A中。劇烈搖晃到一定程度后，彌散分布的水珠已達(dá)到微米尺寸。此時(shí)，在乙酸乙酯介質(zhì)中主要將受介質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的作用而作無(wú)序的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，重力的作用對(duì)他們顯得較為次要，即顆粒不再表現(xiàn)出明顯的重力沉降運(yùn)動(dòng)，重力沉降作用在短時(shí)間內(nèi)可以忽略不計(jì)。但當(dāng)分散相顆粒直徑達(dá)到一定細(xì)度之后，因?yàn)榕鲎伯a(chǎn)生的液滴合并幾率也同時(shí)增大，從而阻止進(jìn)一步細(xì)化。因此一定濃度的混合液中最終形成的液滴直徑有一個(gè)平衡峰值。在現(xiàn)在情況下，這一平衡峰值就是微米數(shù)量級(jí)。
上已說(shuō)明彌散水珠的尺寸在2～5微米的可控性，而理想的膜厚為0.1～0.2微米，膜厚可由混合液的配比及施加量、玻片傾角等來(lái)控制，從實(shí)驗(yàn)角度而言，可控性也沒(méi)問(wèn)題，而另一個(gè)要素——微篩膜的孔隙率，可用混合液和水相的比率來(lái)調(diào)控。一般而言，要求孔隙率越大越好。用本方法制得的微篩膜的孔隙率也十分理想。這樣，微篩膜制備的所有基本要素都達(dá)到可控的地步。
本發(fā)明的有益效果在于發(fā)明的成膜液配方簡(jiǎn)單，用于制備微篩膜成功率高。相對(duì)傳統(tǒng)工藝對(duì)于單層露液鋪滿整個(gè)玻片在時(shí)間上是個(gè)點(diǎn)而言，本發(fā)明提供的方法因?yàn)槟ず襁h(yuǎn)小于水珠直徑，只要簡(jiǎn)單地控制成膜液滴到玻片上時(shí)玻片的傾斜角度，多余的成膜液及水珠會(huì)流淌到玻片外，即可只在玻片上留下單層的水珠膜。所制得的微篩支持膜完全滿足透射電子顯微鏡對(duì)其的要求。


圖1是采用巳有技術(shù)制備微篩膜的三種結(jié)露狀態(tài)示意圖；圖2是實(shí)施例1制得的微篩膜透射電子顯微鏡(TEM)形貌圖；圖3是實(shí)施例2制得的微篩膜TEM形貌圖；
圖4是實(shí)施例3制得的微篩膜TEM形貌圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1以乙酸乙酯為溶劑配制質(zhì)量濃度為0.25％的火棉膠溶液。清洗玻片、試管及滴管至表面無(wú)異物，烘干并冷卻。量取2mL火棉膠溶液注入小號(hào)試管內(nèi)，并用針筒注入0.06mL蒸餾水。加蓋，劇烈振蕩試管，大約半分鐘后，原先分層的清液已變?yōu)闇\乳白色混合液。用滴管吸取適量混合液滴于稍微傾斜的玻片上，再繼續(xù)緩慢傾斜玻片使液體均勻鋪展流下直至邊緣，吸掉玻片底部多余的混合液。數(shù)秒鐘后乙酸乙酯揮發(fā)完畢，玻片上便留下一層約200nm左右厚度的微篩膜。
將玻片有膠膜的那面朝上。為了使玻片與膜易于脫離，將玻片邊緣浸入氫氟酸溶液中約五秒鐘，取出后傾斜玻片并緩慢放入盛有蒸餾水的培養(yǎng)皿中，靠水的張力將膜與玻片分離。玻片沉底后微篩膜即漂浮在水面上。放上透射電鏡載物銅網(wǎng)，即可得微篩支持膜。TEM下觀察，孔徑為2μm～4μm之間(圖2)，均為通孔，孔隙率非常理想。
實(shí)施例2以乙酸乙酯為溶劑配制質(zhì)量濃度為0.40％的火棉膠溶液。清洗玻片、試管及滴管至表面無(wú)異物，烘干并冷卻。量取1.6mL溶液注入小號(hào)試管內(nèi)，并用針筒注入0.05mL蒸餾水。用與例1相同的方法制取微篩膜。TEM下觀察可見(jiàn)孔徑在2μm左右(圖3)，均勻且均為通孔，孔隙率很理想。
實(shí)施例3以乙酸乙酯為溶劑配制質(zhì)量濃度為0.40％的火棉膠溶液。清洗玻片、試管及滴管至表而無(wú)異物，烘干并冷卻。量取1.6mL溶液注入小號(hào)試管內(nèi)，并用針筒注入0.06mL蒸餾水。用與例1相同的方法制取微篩膜。TEM下觀察可得，孔徑在2μm～3μm左右(圖4)，非常均勻，均為通孔，孔隙率很大。
權(quán)利要求
1.一種用于制備微篩膜的成膜液，其特征在于它是質(zhì)量濃度0.25％～0.5％的火棉膠乙酸乙酯溶液A和蒸餾水B的混合液，A和B的體積比為1∶0.03～0.06。
2.用權(quán)利要求1所述的成膜液制備微篩膜的方法，其步驟如下1)以乙酸乙酯為溶劑配制質(zhì)量濃度為0.25％～0.5％的火棉膠溶液，按比例加入蒸餾水得成膜液；2)將成膜液倒入試管中，總體積不要超過(guò)試管容量的1/4，劇烈振蕩形成淺乳白色的乳濁液；3)用滴管吸取乳濁液滴于載玻片上，使乳濁液在載玻片上均勻鋪展，溶劑揮發(fā)后，將玻片緩慢放入盛有蒸餾水的容器中，玻片上的微篩膜與玻片分離，得到微篩膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的用于制備微篩膜的成膜液是質(zhì)量濃度0.25％～0.5％的火棉膠乙酸乙酯溶液A和蒸餾水B的混合液，A和B的體積比為1∶0.03～0.06。用該成膜液制備微篩膜基本消除了環(huán)境的影響，整個(gè)制膜過(guò)程非常簡(jiǎn)捷，成功率接近100％，且所制得的微篩支持膜完全滿足透射電子顯微鏡對(duì)其的要求。
文檔編號(hào)B01D67/00GK1921063SQ20061005303
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月21日
發(fā)明者袁佤, 袁明永 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)