《武汉工程大学学报》  2015年07期 34-39   出版日期：2015-07-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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平滑处理和扫描范围对多孔膜原子力显微镜分析的影响


０　引　言原子力显微镜（ＡＦＭ）是材料表面分析的强有力的工具. 它的检测范围很广，可以分析生物细胞［１－２］、膜材料［３－４］和纳米颗粒［５］. 由于ＡＦＭ分辨率极高，能达到原子级别，人们还可以利用ＡＦＭ来观测多肽［６］、生物小分子［７］和氢键的形成［８］. 此外，由于ＡＦＭ的工作原理不同于常见的电子显微镜，它不仅可以分析材料的表面形貌和粗糙度［９］，还可以检测材料的力学性能［１０］，因此ＡＦＭ在材料的分析和检测中起到越来越重要的作用. 近年来，人们已利用ＡＦＭ来分析不同材料的表面形貌和粗糙度，例如，碳纤维［１１］、人工晶体生物材料［１２］、牙齿复合材料［１３］、粪链球菌生物膜［１４］和人体血红球膜［１５］. 然而，ＡＦＭ在测量的准确度上存在一些限制［１６］，并有研究发现扫描分辨率、扫描速率、反馈控制参数、探针材料及其半径对粗糙度测量具有一定的影响［１７－２０］. 同时，人们也发现采用不同的扫描范围得到的材料机械性能和粗糙度的数值会有所不同［２１－２２］，需要通过数据处理来矫正这种扫描范围的依赖性［２３］，但这些结果都是在特定的系统中得到的，不具有普适性. 因此，要准确测量材料的表面粗糙度需要针对特定的形貌，并了解和掌握不同参数对其测量结果的影响. 本研究以自制的壳聚糖多孔膜为模型，通过改变ＡＦＭ扫描范围并对图像进行平滑处理，探讨以上因素对表面形貌、孔深和表面粗糙度参数测量的影响. 研究随机选取了三个孔作为研究对象，通过ＡＦＭ图像和截面分析（ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）来研究平滑处理和扫描范围对表面形貌和孔深测量精度的影响，然后通过ＡＦＭ的粗糙度分析 （ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ）功能统计不同扫描范围下多孔膜粗糙度参数，并分析它们的相对偏差. 有关ＡＦＭ表面粗糙度参数见表１. 表1　AFM表面粗糙度的相关参数Table 1　The definitions of AFM surface roughness parameters１　实验部分１．１　壳聚糖多孔膜的制备壳聚糖多孔膜的制备工艺：将１．５ ｇ壳聚糖与１．５ ｇ ＰＥＧ溶解在１００ ｍＬ质量分数２％的醋酸溶液中，在此溶液中加入０．３ ｍＬ的戊二醛并不断搅拌，静置脱泡后将铸模液倒入玻璃皿中，然后放入烘箱在４０　℃烘干１２ ｈ. 将干燥后的膜放入质量分数２％的ＮａＯＨ溶液中浸泡３０ ｍｉｎ中和多余的醋酸，之后再用去离子水冲洗除去ＯＨ－，再将膜放在９０ ℃热水浴中抽取１０ ｈ. 热水处理不仅可以溶解膜中的ＰＥＧ，得到多孔结构，还可以改善膜的机械性能. 将抽取后的膜固定在玻璃皿上，用滤纸吸干后自然晾干即可得到壳聚糖多孔膜. １．２　原子力显微镜表征采用美国Ｖｅｅｃｏ公司生产的Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ型原子力显微镜对多孔膜进行测量. 扫描采用ＲＴＥＳＰ型硅探针（Ｖｅｅｃｏ），采用轻敲模式在空气中进行测量，扫描频率为１ Ｈｚ，分辨率为２５６×２５６，扫描范围分别为１０ μｍ×１０ μｍ、５ μｍ×５ μｍ、２ μｍ×２ μｍ和１ μｍ×１ μｍ. 图像数据的采集及分析用该仪器配置的软件（ｖ５．３１ｒ１）进行处理. 图像的平滑处理为３级平滑处理. 样品表面的粗糙度参数是通过软件的粗糙度分析功能对整个ＡＦＭ图像直接计算得到的. ２　结果与讨论２．１　平滑处理对多孔膜孔深测量的影响当光滑的表面偶尔出现较高的特征峰时，我们通常会采用平滑处理的方式以去除图像中出现的扫描线，得到清晰的ＡＦＭ图像. 但目前为止还没有研究报道ＡＦＭ图像平滑处理对膜表面分析的影响. 图１是多孔膜的原始ＡＦＭ图. 从图中可知，样品表面存在着很多大小不一的多孔结构. 当扫描范围≥５ ?滋ｍ×５ ?滋ｍ时，所得到的ＡＦＭ图像高低不平，特别是当扫描范围达到１０ ?滋ｍ×１０ ?滋ｍ时出现了较大的起伏，如图ａ中间部分出现了明显的凹陷；而当扫描范围≤２ ?滋ｍ×２ ?滋ｍ时，可知膜的表面比较平整，没有明显的凸起，多孔部分与平整部分对比度明显，图像清晰（图ｃ，ｄ）. 从倒置的三维立体图可进一步知多孔结构在膜下面的分布情况，也可知不同扫描范围下多孔结构与膜之间过渡较平滑，没有出现明显的图像扭曲，即使在较大的扫描范围下，图像的起伏是整体的波动，局部上仍然是平整的. 图２是经过平滑处理后多孔膜的ＡＦＭ图. 通过与图１比较发现，经平滑处理后，当扫描范围≥５　?滋ｍ×５　?滋ｍ时，原来整体出现起伏的图像变得较平整，如图ａ，ｂ. 但当扫描范围≤２　?滋ｍ×２　?滋ｍ时，原来平整的表面出现了起伏，特别是当扫描范围只有１　μｍ×１　?滋ｍ时，多孔结构之间的区域出现了明显的凸起，如图ｄ所示. 从三维图和倒置的三维图可知，平滑处理后多孔结构与膜之间的对比度降低，界限变得模糊（图ｄ２，ｄ３），且膜的局部出现了更多起伏，说明平滑处理对ＡＦＭ图像产生了一定的扭曲.为了进一步研究平滑处理对孔深测量的影响，采用截面分析（ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）在同一条线上选取了３个孔，分别记为孔Ⅰ、孔Ⅱ和孔Ⅲ（如图１ （ｄ１）和图２ （ｄ１）），并分别得到平滑处理前后不同扫描范围下三个孔的截面分析图（图１，２第四栏）. 从截面分析图中可以得到多孔膜在垂直方向上的波动曲线，从而测得不同孔的深度，其结果列于表２. 图１　扫描范围分别为１０　?滋ｍ×１０　?滋ｍ（ａ１－ａ４），５　?滋ｍ×５　?滋ｍ（ｂ１－ｂ４），２　?滋ｍ×２　?滋ｍ（ｃ１－ｃ４）和１　μｍ×１　?滋ｍ（ｄ１－ｄ４）的多孔膜原始ＡＦＭ图Ｆｉｇ．１　Ｐｒｉｓｔｉｎｅ ＡＦＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ｆｉｌｍ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｎ ｓｉｚｅ： １０　?滋ｍ×１０　?滋ｍ （ａ１－ａ４），５　?滋ｍ×５　?滋ｍ （ｂ１－ｂ４）， ２　?滋ｍ×２　?滋ｍ（ｃ１－ｃ４） ａｎｄ １μｍ×１　?滋ｍ （ｄ１－ｄ４）图２　平滑处理后扫描范围分别为１０　?滋ｍ×１０　?滋ｍ（ａ１－ａ４），５　?滋ｍ×５　?滋ｍ（ｂ１－ｂ４），２　ｍ×２　ｍ（ｃ１－ｃ４）和１μｍ×１?滋ｍ（ｄ１－ｄ４）的多孔膜ＡＦＭ图Ｆｉｇ．２　Ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ ＡＦＭ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ｆｉｌｍ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｎ ｓｉｚｅ： １０　?滋ｍ×１０　?滋ｍ （ａ１－ａ４）， ５　?滋ｍ×５　?滋ｍ（ｂ１－ｂ４），２　?滋ｍ×２　?滋ｍ（ｃ１－ｃ４） ａｎｄ １μｍ×１　?滋ｍ （ｄ１－ｄ４）表2　孔Ⅰ、孔Ⅱ和孔Ⅲ的深度及偏差分析Table 2　The depths and deviation analyses of pore I, poreⅡ and pore Ⅲ通过对表２数据进行偏差分析可得到平滑处理前后对孔深测量精确度的影响. 从表２数据分析可知，孔Ⅰ、孔Ⅱ和孔Ⅲ经过平滑处理后的孔深平均偏差和标准偏差均要大于平滑处理前的，如孔Ⅲ平滑处理后孔深的标准偏差为处理前的３．８５倍，说明平滑处理导致了孔深测量精确度的降低. 这是因为对ＡＦＭ图像进行平滑处理会将像素与周边像素做加权平均，使得数据产生一定的偏差. 因此，为了减小测量误差，得到真实的多孔膜表面的粗糙度参数，本实验后期所讨论的粗糙度参数均是在原始的ＡＦＭ图像中得到的. ２．２　扫描范围对多孔膜粗糙度参数测量的影响在相同扫描频率下改变扫描范围会改变探针的移动速率，从而导致ＡＦＭ图像的差异. 我们对原始的ＡＦＭ图像（图１）在不同扫描范围下得到的孔深的相对误差进行分析，得到表３. 从表３可知，孔Ⅰ、孔Ⅱ和孔Ⅲ的深度的相对误差随着扫描范围的减小有明显的降低趋势，但相对误差并不完全随着扫描范围的减小而降低. 当扫描范围降至２　μｍ×２　μｍ以下时，相对误差产生了不确定的变化趋势，有的变大（如孔Ⅱ和孔Ⅲ），有的变小（如孔Ⅰ），但总体上相对误差较小，在３％左右波动. 因此，扫描范围在２　μｍ×２　μｍ及以下时所测的孔深相对误差较小. 以上分析只是针对个别孔洞进行的，不能代表多孔膜整体的粗糙度，因此我们对不同扫描范围下的ＡＦＭ图像进行粗糙度分析（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ），得到统计学意义上的表面粗糙度参数，见表４. 表３　不同扫描范围下孔深的相对误差（原始ＡＦＭ图）Ｔａｂｌｅ ３　Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ ｐｏｒｅ ｄｅｐｔｈｓ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉａｎｔ ｓｃａｎ ｓｉｚｅｓ （ｆｏｒ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ＡＦＭ ｉｍａｇｅｓ）表４　不同扫描范围下表面粗糙度参数（原始ＡＦＭ图）Ｔａｂｌｅ ４　Ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉａｎｔ ｓｃａｎ ｓｉｚｅｓ （ｆｏｒ ｐｒｉｓｔｉｎｅ ＡＦＭ ｉｍａｇｅｓ）由表４可知，扫描范围对不同表面粗糙度参数的影响不同. 其中，最大高度和最大孔深影响最大，其相对标准偏差达到了２５％以上，而平均粗糙度和均方根粗糙度影响居中，相对标准偏差在１５％左右，影响最小的是平均最大孔深，相对标准偏差小于３．５％. 这说明在测量多孔膜表面粗糙度时，要考虑各种粗糙度参数对扫描范围的依赖性，从实验结果可知，平均最大孔深的结果是不依赖扫描范围的，而平均粗糙度和最大高度等参数的测量最好是在同一扫描范围内进行. 此外，从表４还可发现，当扫描范围较小时（≤２ ?滋ｍ×２ ?滋ｍ），各表面粗糙度参数在数值上较接近，因此，适当减小扫描范围有利于粗糙度参数测量精确度的提高. ３　结　语a.在较大的扫描范围下，ＡＦＭ图像会发生整体的波动，但局部上仍然是平整的；b.平滑处理后多孔结构与膜之间的对比度降低，界限变得模糊，且膜的局部出现了更多起伏，说明平滑处理对ＡＦＭ图像产生了一定的扭曲；c.孔深的相对误差随着扫描范围的减小有明显的降低趋势，且当扫描范围在２ μｍ×２ μｍ及以下时所测的孔深相对误差较小； d.经过平滑处理后的孔深平均偏差和标准偏差均要大于平滑处理前的，说明平滑处理导致了孔深测量精确度的降低；e.不同表面粗糙度参数对扫描范围的依赖性不同：最大高度和最大孔深依赖性最大，平均粗糙度和均方根粗糙度依赖性居中，而平均最大孔深几乎不存在依赖性. 可通过适当减小扫描范围提高粗糙度参数测量的精确度. 致　谢感谢国家自然科学基金委员会，湖北省教育厅和武汉工程大学团委的资助.