纳米孔金结构的成像与分析

由Thermo Fisher科学电子显微镜解决方案2020年4月24日

纳米孔金的研究在过去的二十年中势头日益强劲，这种材料在众多的生物科学、传感和催化应用以及能源存储应用中显示出了前景。亚博老虎机网登录¹^，²

精确的纳米孔金表征对这些技术的持续发展至关重要。

Fraunhofer IFAM的研究展示了双束聚焦离子束和扫描电子显微镜(FIB-SEM)成像技术如何与物理建模、高级图像处理和孔隙网络建模(PNM)相结合，为纳米多孔金样品提供全面的定量分析。

纳米孔金含有几十纳米量级的孔，其精确尺寸可以在制造过程中轻松调整。

随后的生物相容性、物理稳定性和纳米结构的表面使其在药物释放、生物传感和选择性催化应用方面具有特别的吸引力。^{3 - 5}其他值得注意的特性包括高电导率和等离子体特性。⁶^，7

利用自组装单分子层(SAM)技术可以很容易地修饰纳米孔金的表面，也可以直接吸附某些分子。将孔调整到与抗体、蛋白质、酶和寡核苷酸相同的大小顺序，可以使这些生物分子在结构中结合，从而创建生物传感器。

同样，根据特定化学反应物的顺序调整孔径，可以生产出可重复使用且非常特殊的催化剂。同样的多孔结构和高比表面积也使得纳米孔金在燃料电池和超级电容器中的潜在应用得到了研究。⁸^，9

纳米孔金的成像与分析

制备的纳米孔金样品的孔结构形态变化很大，其在上述应用中的性能和行为主要取决于其孔隙的形成。

它们的特性取决于孔隙的大小、形状和分布，以及连接它们的通道。成像技术的进步能够量化孔隙度及其流动特性，如渗透率和弯曲度，这对于开发纳米多孔金基技术至关重要。

Franhofer IFAM的K Thiel博士已经证明，通过利用FIB-SEM成像和随后的图像分析，可以完成纳米多孔金样品的完整定量分析。

雇佣一个Thermo Scientific™Helios DualBeamFIB-SEM成像系统确保了它能够收集高分辨率的图像，同时，烧蚀或“磨碎”表面，以揭示内部孔隙结构。¹⁰^，¹¹

该技术可用于帮助优化纳米多孔材料的各种应用。采用Helios双光束对纳米孔金样品进行成像。最后一张图像的体素大小约为10x13x10 nm，整体成像体积约为10x11x10.41µm。

对获得的图像进行处理Thermo Scientific™Avizo™软件(图1)在第一种情况下，Avizo软件能够去除抖动和错位伪影，这在FIB-SEM成像技术中经常发生。

该算法可以根据平方和差值图像的相似性自动调整平移和旋转偏差。

数字1．Thermo Scientific Helios DualBeam获得的纳米孔金在Avizo软件自动对准前后的FIBSEM图像。样品由德国哥廷根大学材料物理研究所的K.R. Mangipudi提供。亚博网站下载

Helios DualBeam提供了高质量的图像，具有有限的噪声，没有开放孔隙的回孔效应，消除了额外处理的需求。

但是，除了简单地对齐FIB-SEM图像的2D堆栈外，Avizo Software还从定义样品孔隙度的3D数据集计算出一些关键统计数据。¹²

包括孔隙形态、连通性、破碎指数、体积分数、平均厚度和平均孔隙间距。

也可以使用得到的样品的三维模型进行物理建模，包括计算渗透率张量和样品的绝对渗透率。

孔隙网络模型

最重要的是，Avizo软件还允许孔隙网络建模(PNM)，在该模型中，复杂孔隙网络可以精确预测孔隙结构内部的流动特性。

该分析是在3D扫描电镜数据集上进行的，并允许计算的数量，如样品中的孔和喉的总数，以及它们的体积，当量半径和配位数。

然后利用这些数据来模拟样品的流动特性，计算出流量、渗透率和弯曲度的精确值。

考虑到多孔结构在催化和传感应用中的重要性，这些指标可以用来评估材料的性能，从而告知纳米多孔材料的制造过程。

数字2．用球和管模型表示孔隙空间。

Avizo孔隙度分析软件

Avizo软件是一个自成体系的分析平台，包含了许多多孔材料分析的专业特性。亚博网站下载

Avizo软件兼容多种成像方法，包括microCT、SEM、FIB-SEM和TEM，有助于对微孔、大宏观孔洞、海绵型孔洞和包裹体的定量。

通过详细的统计分析和最先进的物理建模，可以方便地获得直观的样品三维表征，这为研究人员提供了一种简单的方法，可以获得多孔材料(如纳米孔金)的全面和彻底的表征。亚博网站下载

孔隙网络建模为确定纳米多孔金和其他多孔材料的生物传感、催化和其他应用提供了一种实用和有效的方法。亚博网站下载

Avizo Software还专门从事生物科学、纳米技术和材料研究等多种应用。亚博网站下载亚博老虎机网登录这些应用包括复合材料中纤维的表征和内部应变映射。亚博网站下载

在任何需要对材料的微观和宏观结构进行定量分析的地方，Avizo软件都能提供一体机的解决方案。亚博网站下载

参考资料及进一步阅读

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纳米多孔金泡沫材料在药物递送中的应用。亚博网站下载放置Healthc。板牙。1, 172 - 176(2012)。
燕,M。et al。炔烃高选择性半氢化纳米孔金催化剂:胺添加剂的显著作用。j。化学。Soc。134, 17536 - 17542(2012)。
陈,l . Y。et al。对RuO的理论电容的研究₂高导电纳米孔金增强。放置能量板牙。3., 851 - 856(2013)。
马鲁夫，斯文，史密斯，g.b. & Cortie, m.b。高纳米孔金膜的体积和表面等离子体．
王志强，王志强，王志强，等。硼氢化物燃料电池用纳米孔金阳极催化剂。在国际氢能杂志36， 10319-10326 (Pergamon, 2011)。
基于聚苯胺-纳米孔金的高性能超级电容器。j .合金化合物。779, 74 - 80(2019)。
聚焦离子束(FIB)仪器与扫描电子显微镜(SEM)几乎相同，但使用的是离子束而不是电子| Thermo Fisher Scientific。可以在:https://www.fei.com/introduction-to-electron-microscopy/fib/．(访问日期:2020年2月18日)
双束|双束FIB |可以在:https://www.thermofisher.com/uk/en/home/industrial/electron-microscopy/electron-microscopy-instruments-workflow-solutions/dualbeam-microscopes.html．(访问日期:2020年2月18日)
英国Thermo Fisher科学公司。可以在:https://www.thermofisher.com/uk/en/home/industrial/electron-microscopy/electron-microscopy-instruments-workflow-solutions/3d-visualization-analysis-software/avizo-porosity-analysis.html．(访问日期:2020年2月18日)

这些信息来源于赛默飞世尔科学公司提供的材料。亚博网站下载

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引用

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Thermo Fisher科学电子显微镜解决方案。(2020年4月24日)。纳米孔金结构的成像与分析。AZoM。于2021年8月29日从//www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=19093检索。
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哈佛大学
Thermo Fisher Scientific -电子显微镜解决方案。纳米孔金结构的成像与分析．viewed september 21, //www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=19093。