新型自支撑聚合物薄膜在STEM/TEM纳米颗粒分析中的应用：一种高分辨率、低成本且环境友好的解决方案

　　本研究针对传统TEM/STEM支撑膜存在的电子束耐受性低、分辨率欠佳、毒性问题及高成本等局限，开发了一种基于亲水性交联聚[N-(2-羟基propyl)甲基丙烯酰胺](p(HPMA))的自支撑生物相容性薄膜。研究表明，该薄膜能显著改善纳米颗粒分散性，减少聚集，在200 kV加速电压下保持结构稳定性，分辨率较Formvar和氧化石墨烯分别提升29%和32%，厚度范围3.5-22.9 nm，且制备六个月内保持完整性，为胶体与界面科学、纳米医学及环境纳米技术提供了经济可持续的高分辨率成像平台。

　　

在电子显微镜技术领域，高分辨率成像纳米材料的需求日益增长，但传统透射电镜（TEM）和扫描透射电镜（STEM）使用的支撑膜存在诸多局限。常规碳膜或有机聚合物支撑膜不仅电子束耐受性较差，分辨率不够理想，还涉及毒性物质的使用和高昂的生产成本。例如，Formvar膜可能释放甲醛这类人类致癌物，而制备过程中使用的氯仿也被列为潜在致癌物。此外，石墨烯等超薄支撑膜虽然导电性好且厚度极薄，但价格昂贵且制造过程中容易引入污染物。这些问题严重限制了纳米材料研究的效率和安全性，特别是在生物医学和环境科学等对材料生物相容性要求较高的领域。

为了突破这些技术瓶颈，来自捷克科学院科学仪器研究所的研究团队在《Applied Soil Ecology》上发表了一项创新研究，开发了一种基于亲水性交联聚[N-(2-羟基propyl)甲基丙烯酰胺]（p(HPMA)）的自支撑生物相容性薄膜。这种新型聚合物薄膜不仅解决了传统支撑膜的缺陷，还显著提升了成像质量和操作安全性。

研究团队通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合和自由基聚合方法合成了线性及交联p(HPMA)聚合物，采用滴铸法在Lacey碳膜和Quantifoil网格上制备自支撑薄膜。他们利用尺寸排阻色谱（SEC）表征分子量，通过STEM-in-SEM、TEM、电子断层扫描和原子力显微镜-扫描电镜联用（AFM-in-SEM）等技术系统评估了薄膜的厚度、稳定性和分辨率性能，并使用刀口法进行空间分辨率量化分析。

3.1. 不同浓度下各聚合物的薄膜形成

通过测试线性聚合物（LP1、LP2）和交联聚合物（CP）在不同浓度下的成膜性能，发现CP在2.5 g L^?1浓度下能形成连续、电子透明的自支撑薄膜，而线性聚合物则易出现开裂或过厚问题。交联结构在链柔性和机械完整性之间实现了最佳平衡。

3.2. CP聚合物薄膜厚度

结合电子断层扫描、SEM横截面和AFM-in-SEM测量，CP薄膜厚度在3.5至22.9 nm之间，且薄膜在Lacey碳网孔中心区域较薄（利于高分辨率成像），边缘较厚（增强机械稳定性）。这种厚度分布特征与溶剂蒸发动力学一致。

3.3. CP聚合物与不同纳米颗粒的薄膜形成兼容性

CP薄膜成功兼容了5-100 nm尺寸范围的金、银、二氧化硅和聚苯乙烯纳米颗粒（包括球体、立方体、棒状和不规则形状），在各种溶剂条件下均保持结构稳定。但纳米棒在薄膜最薄区域可能导致局部穿孔，表面张力驱动下的收缩是主要原因。

3.4. 表面活性剂和柠檬酸钠对CP薄膜形成的影响

研究表明，Tween 20和柠檬酸钠等表面活性剂会显著破坏薄膜完整性，降低界面张力并减少基底附着力。无表面活性剂条件下薄膜形成更稳定，提示在实际应用中应避免使用这类添加剂。

3.5. pH值对CP薄膜形成的影响

CP薄膜在pH 3.0-9.0范围内均能形成连续薄膜，但酸性条件（pH 3.0和4.9）下，柠檬酸盐或BPEI（支化聚乙烯亚胺）包覆的纳米颗粒会导致薄膜降解，这与弱电解质稳定剂在酸性环境中的解离和颗粒聚集有关。

3.6. 不同电子显微镜技术中CP薄膜的稳定性与可见性比较

CP薄膜在SEM、TEM、STEM-in-SEM和STEM-in-TEM等多种模式下均表现良好，在200 kV加速电压下保持稳定，电子剂量高达4 e? ??2时也未出现损伤。高分辨TEM（HR-TEM）甚至能清晰显示纳米颗粒的原子晶格结构和衍射图案，表明该薄膜适用于晶体学分析。

3.7. CP聚合物薄膜与商用支撑膜的性能对比

与石墨烯、氧化石墨烯（GO）、超薄碳膜和Formvar等商用产品相比，CP薄膜在分辨率（提升29%于Formvar，32%于GO）、纳米颗粒分散均匀性和成本效益方面均具优势。其制备成本极低，每网格仅需2.5 μg聚合物，且可大规模生产。

3.8. 聚合物薄膜CP的时间稳定性（耐久性）

经过六个月室温储存，CP薄膜仍保持结构完整性和纳米颗粒分散效果，证明其具备长期使用的可靠性。

该研究成功开发了一种基于p(HPMA)的交联自支撑薄膜，解决了传统电子显微镜支撑膜在分辨率、毒性、成本和稳定性方面的多重局限。这种薄膜不仅能兼容多种类型纳米颗粒，还在各种成像模式下表现出优异性能，分辨率显著提升，且制备简单、成本低廉、环境友好。其长期稳定性和生物相容性进一步扩展了在纳米医学、胶体与界面科学及环境技术中的应用潜力，为高分辨率纳米材料研究提供了新的技术平台。