用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统及方法

摘要

本发明公开了用于获取单颗粒荧光‑微观形貌的置样系统及方法。该系统包括：第一密封圈、载片、第二密封圈、盖片、固定环、透射电镜用薄膜窗口、垫片；单颗粒样品负载在薄膜窗口的下表面；用于单颗粒荧光测量时，整套置样系统置于共聚光荧光显微镜的物镜上方，可获得荧光光谱和荧光图像；进行微观形貌分析时，将系统中薄膜窗口取下，反置放入透射电镜样品杆并利用透射电镜进行表征，可获得对应区域的微观形貌图；本发明可实现对同一个纳米颗粒进行单颗粒荧光和微观形貌的分析，具有单颗粒荧光信号清晰、微观形貌分辨率高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及单颗粒荧光光谱测量和微观形貌分析研究领域，特别是涉及用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统及使用方法。

背景技术

单颗粒荧光光谱技术，基于激光扫描共聚焦显微镜，能够在单个纳米颗粒的尺度上揭示其能量弛豫机制并实时监测其表面发生的光化学反应过程，成为研究电荷转移机制和催化反应机理的有效手段。而传统单颗粒荧光光谱技术无法同时提供高分辨的微观形貌信息，限制了该技术对精细纳米结构中电荷转移机制和光化学反应过程的研究。其难点在于：

(1)高分辨微观形貌信息的获得需要透射电子显微镜(TEM)的辅助，而传统单颗粒荧光测试时其样品多分散在石英玻璃载片上，进行单颗粒荧光测量后，对其微观形貌的分析只能借助扫描电子显微镜(SEM)，导致其微观形貌分析的分辨率较低；若要利用透射电子显微镜对其进行形貌分析，需要对置样系统进行优化设计；

(2)单个纳米颗粒的荧光非常弱，需要较强的激光作为光源进行激发，而石英玻璃载片具有荧光背景噪音低等优点，有利于单颗粒荧光信号的获取，若要利用能进行透射电镜分析的新的置样系统，必须克服强激光下荧光背景噪音等问题；

(3)传统的石英玻璃载片具有足够的机械强度，而传统透射电镜用铜网/碳膜无法进行高速旋涂制样，进而无法获得单颗粒分散的样品。

因此，需要对用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统进行新的研究设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统，实现了对单个纳米颗粒的荧光特性和高分辨微观形貌进行测量和分析，大幅提升了单颗粒光谱技术的微观形貌分辨率，为深入研究光生载流子转移机制和单颗粒表面催化反应过程，提供了新的研究手段。

用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统的具体方案如下：

用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统，包括载片和与载片间隔设定距离设置的盖片，载片表面通过垫片支撑薄膜窗口，盖片一侧在薄膜窗口环向方向设置固定环以对薄膜窗口进行限位，薄膜窗口与载片之间留有空间且样品设于薄膜窗口表面。

上述的置样系统，可有效对单颗粒分散样品进行安置，具体设置于薄膜窗口的下表面，样品仅与氧化硅薄膜窗口相接触，与下方的石英载片不直接接触，置样部件设置方便，能保证样品设置的稳定性和可靠性。

进一步地，所述固定环与所述盖片连接或接触，固定环内径大于氧化硅薄膜窗口外径0.01～0.8mm，起到固定作用，不锈钢垫片内径略小于透射电镜用氧化硅薄膜窗口尺寸。

而且固定环与垫片均为金属材料，优选不锈钢材料，具有良好的化学和物理稳定性，盖片和载片，可选用对光线透明的氧化硅、氧化铝、碳化硅或玻璃制成，保证其具有良好的光线透过性。

进一步地，所述薄膜窗口为氧化硅薄膜窗口，薄膜窗口表面的薄膜材料为氧化硅或氧化铝或氮化硅，该窗口对投射电子束透明，保证窗口具有良好的光线透过性。

进一步地，所述盖片通过第一密封圈卡合，所述载片通过第二密封圈支撑，第二密封圈与第一密封圈连接，两个密封圈材质为金属材质或塑料材料，且两个密封圈通过螺纹结构或者磁力结构相互连接。

进一步地，所述薄膜窗口为网格状，为单孔或多孔。

进一步地，所述垫片为环形垫片。

为了克服现有技术的不足，本发明提供了用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统的安装方法，具体步骤如下：

1)对薄膜窗口进行臭氧清洁处理和氧化铝原子层沉积预处理；

2)对固定环、垫片、盖片和载片进行清洁；

3)将载片设置于第二密封圈内，并在载片中心设置垫片；

4)将带有样品的薄膜窗口安装于垫片，并用固定环套住薄膜窗口进行固定；

5)将盖片安装于固定环的上方，并用第一密封圈套于盖片圆周进行压紧密封。

其中，结合氧化铝原子层沉积和臭氧清洁处理方式，克服了荧光背景噪音等难题，大幅提升了单颗粒荧光光谱技术的分辨率，为深入研究光生载流子转移机制和单颗粒表面催化反应过程，提供了新的研究手段。

所述步骤1)中薄膜窗口氧化铝原子层沉积的厚度为2～20纳米，薄膜窗口的薄膜厚度为10-100纳米，氧化铝原子层的沉积温度为120℃-200℃；

所述步骤4)中带有样品的薄膜窗口设置过程如下：将设定样品的悬浮液进行高速离心清洗设定次数，稀释设定倍数超声分散在去离子水中，将薄膜窗口固定在旋涂机中心，取设定体积的悬浮液滴涂覆在薄膜窗口表面，在设定转速下进行旋涂并常温干燥，以获得单一分散的样品。

本发明还提供了用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统的使用方法，

用于单颗粒荧光测量时，整套置样系统设置于共聚光荧光显微镜的物镜上方，载片通过具有设定折射率的油滴与物镜直接接触，激光激发后可得到单一分散纳米颗粒的荧光图像，同时可获得相应的荧光光谱；

进行微观形貌分析时，将薄膜窗口取出，反置放入透射电镜样品杆并利用透射电子显微镜进行表征，可得到荧光图像对应区域的透射电镜图，最终可获得单一纳米颗粒的荧光特性(荧光光谱和荧光图像)及其对应的透射电镜微观形貌。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过透射电镜用薄膜窗口的设置，不仅可以用于共聚焦荧光显微镜进行荧光图像和荧光光谱分析，还可用于高分辨透射电子显微镜进行微观形貌分析；传统单颗粒荧光分析时样品多分散在石英玻璃载片上，进行荧光特性测量后，对其微观形貌的分析只能借助扫描电子显微镜，导致其微观形貌分析的分辨率较低，因此，高分辨透射电镜大幅提升了单颗粒荧光分析过程中样品的微观形貌分辨率。

2)本发明通过单颗粒样品通过不锈钢垫片与石英载片分离开，有效避免了石英载片对单颗粒样品的不利影响，比如污染或者外力导致的单个纳米颗粒的机械位移。

3)本发明氧化硅薄膜窗口进行了臭氧清洁处理和氧化铝原子层沉积预处理，有效降低了强激光激发下荧光背景噪音，大大提高了单颗粒荧光的信号分辨率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明置样系统结构示意图；

图2(a)是本发明盖片/载片的俯视图；

图2(b)是本发明固定环俯视图；

图2(c)是本发明垫片俯视图；

图3(a)是本发明单孔薄膜窗口的侧视图；

图3(b)是本发明单孔薄膜窗口的俯视图；

图3(c)是本发明多孔薄膜窗口的侧视图；

图3(d)是本发明多孔薄膜窗口的俯视图；

图4(a)是本发明实施例所获得的单个金纳米颗粒的荧光图像(该图中花圈部分是有微弱颜色的，以表示荧光，转化为了黑白色)；

图4(b)是本发明实施例所获得的单个金纳米颗粒的荧光图像对应的透射电镜图；

图4(c)是本发明实施例图4(a)-图4(b)中3^#金纳米颗粒的荧光光谱图像。

其中，1、第一密封圈，2、载片，3、第二密封圈，4、盖片，5、固定环，6、薄膜窗口，7、垫片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统，包括载片2和与载片间隔设定距离设置的盖片4，载片2表面通过垫片7支撑薄膜窗口6，薄膜窗口设于垫片上表面，薄膜窗口6与盖片之间设置固定环5以对薄膜窗口6进行限位，薄膜窗口6与载片2之间留有空间且样品设于薄膜窗口下表面，垫片7为环形垫片，如图2(c)所示。

上述的置样部件，可有效对单颗粒分散样品进行安置，具体设置于薄膜窗口6的下表面，样品仅与氧化硅薄膜窗口6相接触，与下方的石英载片2不直接接触，置样部件设置方便，能保证样品设置的稳定性和可靠性。

固定环5与盖片4连接或接触，固定环5内径大于氧化硅薄膜窗口突出块外围尺寸，小于薄膜窗口底部尺寸，固定环对薄膜窗口卡位起到固定作用，不锈钢垫片内径略小于透射电镜用氧化硅薄膜窗口尺寸，固定环与垫片间隔设定的距离。

而且固定环5与垫片7均为金属材料，优选不锈钢材料，具有良好的化学和物理稳定性，盖片和载片，可选用对光线透明的氧化硅、氧化铝、碳化硅或玻璃制成，保证其具有良好的光线透过性。

薄膜窗口6为氧化硅薄膜窗口，该薄膜窗口6由对透射电子束透明的氧化硅、氧化铝或氮化硅组成。

盖片4通过第一密封圈1卡合，所述载片2通过第二密封圈3支撑，第二密封圈3与第一密封圈1连接，两个密封圈材质为金属材质或塑料材料，且两个密封圈通过螺纹结构或者磁力结构相互连接。薄膜窗口6为网格状，为单孔或多孔，如图3(a)-图3(b)所示。

本发明提供的用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统的安装方法，具体步骤如下：

1)对薄膜窗口6进行臭氧清洁处理和氧化铝原子层沉积预处理；

2)对固定环5、垫片7、盖片4和载片2进行清洁；

3)将载片2设置于第二密封圈3内，并在载片2中心设置垫片7；

4)将带有样品的薄膜窗口6安装于垫片7，并用固定环5套住薄膜窗口6进行固定；

5)将盖片4安装于固定环5的上方，并用第一密封圈1套于盖片4圆周进行压紧密封。

其中，结合氧化铝原子层沉积和臭氧清洁处理方式，克服了荧光背景噪音等难题，大大提高了单颗粒荧光的信号分辨率。为深入研究光生载流子转移机制和单颗粒表面催化反应过程，提供了新的研究手段。

所述步骤1)中薄膜窗口氧化铝原子层沉积的厚度为2～10纳米，薄膜窗口的薄膜厚度为10-100纳米，氧化铝原子层的沉积温度为120℃-200℃；

以金纳米棒的单颗粒荧光分析为例：样品制备时将金纳米棒的悬浮液进行高速离心清洗两遍，最终稀释十倍超声分散在去离子水中，将氧化硅薄膜窗口固定在旋涂机中心，取10微升稀释后的金纳米棒悬浮液滴在透射电镜用氧化硅薄膜窗口表面，在2000rpm的转速下进行旋涂并常温干燥，以获得单一分散的样品。

本发明还提供了用于获取单颗粒荧光-微观形貌的置样系统的使用方法，

用于单颗粒荧光测量时，整套置样系统设置于共聚光荧光显微镜的物镜上方，载片通过具有特定折射率的油滴与物镜直接接触，激光激发后可得到金纳米颗粒的荧光图像，如图4(a)所示；同时可获得金纳米颗粒的相应的荧光光谱，图4(c)为图4(a-b)中3^#金纳米颗粒的荧光光谱。

进行微观形貌分析时，将薄膜窗口取出，反置放入透射电镜样品杆并利用透射电子显微镜进行表征，可得到图4(a)对应区域的金纳米颗粒的透射电镜图像如图4(b)所示；其中放大的透射电镜形貌图作为插图置于图4(a)相应的荧光斑点旁。

因此，最终可获得单一特定纳米颗粒的荧光特性(荧光光谱和荧光图像)及其对应的透射电镜微观形貌。

实施例结果表明，本发明可同时获得单个金纳米棒的荧光图像和光谱、以及透射电镜图像，荧光背景噪音较低，大幅提升了单颗粒光谱技术的荧光信号和微观形貌分辨率，为深入研究单颗粒荧光特性和表面特性，提供了有效研究手段。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。