天游线路检测中心 使用透射电子显微镜进行粒度分布测量 - 从样品制备到 TEM 图像采集和图像分析 -

简介

纳米粒子在各个领域得到实际应用，并得到积极研究。随着产品变得更加复杂和功能化，需要稳定供应具有所需结构的颗粒。透射电子显微镜 (TEM) 很常用，因为它可以确定纳米级的颗粒尺寸分布，并且还可以进行颗粒结构分析。在本文中，我们推导了三种具有不同平均粒径的市售氧化铁纳米粒子的粒径分布，并报告了所涉及的一系列过程。

TEM 样品制备

不同粒度分布的商品铁₃O₄制备纳米颗粒溶液（样品1、样品2、样品3）（图1）。
对于每个样品，在室温下将溶液滴到带有碳支撑膜的微网格上，蒸发溶剂并干燥以制备观察用样品（图2）。

图 1 Fe₃O₄纳米颗粒溶液

图 2 TEM 样品制备

TEM 图像采集

TEM 图像是使用加速电压为 200 kV 的透射电子显微镜 JEM-2100Plus 和 JEOL CMOS 相机 Shun Flash 获得的。
观察样品1、2和3的TEM明场图像如图3(a)-(c)所示。从这些图像中，可以确认每个样品具有不同平均直径的球形颗粒。在高倍率（x500k）获得的图像中，可以观察到颗粒晶格，表明每个颗粒都具有结晶度。

JEM-2100Plus

• 加速电压：200kV
• 极片：HR
• 电子枪：热离子（LaB₆)
• 相机：舜闪光灯相机

图 3 Fe₃O₄纳米颗粒的 TEM 明场图像

(a) 样品 1 (b) 样品 2 (c) 样品 3

电子衍射图的获取/晶体结构的确认

为了鉴定晶体结构，获得了观察样品1、2和3的电子衍射图案。各自的衍射图案如图4(a)-(c)所示。
由衍射图案测得的与晶面间距(d值)对应的衍射斑的衍射角为尖晶石型Fe₃O₄，所以纳米颗粒是尖晶石型Fe₃O₄已确认配置。

图 4 Fe₃O₄纳米粒子的电子衍射图

(a) 样品 1 (b) 样品 2 (c) 样品 3

颗粒分析软件（SIF MultiImageTool）

颗粒分析软件 System In Frontier 的 MultiImageTool 允许您通过简单直观的操作确定颗粒形状参数，例如颗粒图像的面积、长轴和短轴。使用该 MultiImageTool 的颗粒分析过程如图 5 的右图所示。
通过反复试验设置此程序（分析配方）后，用户可以确认并保存这一系列步骤以及处理结果。因此，可以使用相同的程序对其他样品进行类似的处理，这样不仅缩短了设置条件的时间，而且可以创建一致的定量数据。图 5 左侧显示了使用 MultiImageTool 进行粒子分析的示例。

粒子分析中设置的步骤

1. 亮度扩展
   调整图像亮度。
2. 二值化
   通过对图像进行二值化来创建黑白图像。
3. 标签
   用非0的像素值标记部分。
4. 标签移除
   删除条件（面积、长轴、短轴等）与样本条件不匹配的目标标签。
5. 粒子分析
   对颗粒标签中的颗粒形状进行数值测量和统计处理。

图 5 MultiImageTool 窗口

粒度分布测量结果

图。图6(a)显示用于图像分析的TEM图像，(b)显示使用MultiImageTool的二值化结果，(c)显示粒子分析后的标记结果。
每个经过分析和标记的颗粒都具有根据其图像特征分析的测量信息。
有关感兴趣粒子的测量信息的示例如图6(c)右侧所示。

图 6 Fe₃O₄纳米颗粒的颗粒分析流程

(a) TEM 图像 (b) 二值化 TEM 图像 (c) 带标记颗粒的图像

根据测量信息，可以通过使用近似圆当量直径作为粒径来确定粒径分布。图 7(a)-(c) 显示了每个样品使用大约 600 个颗粒的测量结果的直方图。测定的粒度分布、平均粒度和标准偏差附于图7。
发现样品1具有最小的粒径并且还具有窄的粒径分布宽度。

图 7 Fe₃O₄纳米粒子的粒径分布

(a) 样品 1 (b) 样品 2 (c) 样品 3

结论

如此处所示，通过使用图像分析软件对获得的纳米粒子的TEM图像进行分析，可以自动、轻松且准确地确定纳米级的粒度分布。
本应用笔记介绍了使用 TEM 分析粒度分布的程序。在使用TEM进行分析时，不仅可以分析和观察颗粒尺寸和形状，还可以利用电子衍射图来识别晶体结构，还可以利用EDS方法获得样品的元素信息。