激光扫描共聚焦显微镜技术在材料学研究中的应用

　　激光扫描共聚焦显微镜技术(laserscanningconfo-cal microscopy, LSCM)是80年代中期发展起来的一种无损深层形态结构分析的重要方法，它的最大优点在于能对材料进行深层(可达100 μm)形貌观察。为了获得反差，需对样品的某一组分进行荧光标记，样品制备简单;借助计算机的帮助，对样品表面至各深度层面的信息进行叠加重组，可以得到三维图像，快速、无损。由于这些优点，LSCM在材料学、地质学、医学和生物学等研究领域中都有广泛的应用^[1]，本文主要综述了LSCM 在材料学方面的研究进展。

　　1 LSCM 的成像原理

　　LSCM 在普通光学显微镜的基础上对成像原理作了改进，加装了激光扫描装置，同时利用计算机图像处理技术，把光学成像分辨率提高了30～40%，LSCM是光学显微镜发展史上的重大突破。LSCM 的主要原理是使激光扫描束通过光栅针孔形成点光源，在荧光标记标本的焦平面上逐点扫描，采集点的光信号通过探测针孔到达光电倍增管(PMT)，经过信号处理，在计算机监视屏上形成图像。由于激光光源的光栅针孔和探测针孔对物镜焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于光栅针孔和探测针孔，进行点扫描时，扫描点以外的点不会成像，经逐点扫描后才形成整个标本的光学切片(Optic section)图像(见图1)。针孔只接受聚焦衍射光斑处荧光信息，使LSCM 能够对样品内部深层次进行观察、鉴定，并进一步完成光学切片，通过对连续层次上的共聚焦图像的计算机处理，可以实现真正的三维图像重建。

　　2 LSCM 在高分子材料方面的应用

　　透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)是观察乳液成膜形态最常用的方法，近年来，已有从分子水平上研究乳液成膜过程的报道，主要是小角中子散射^[2](small-angle neutron scattering，SANS)、直接无辐射能量转移分析[3](directnonradiativeenergytransfer，DET)和原子力显微镜[4](atomic force microscopy，AFM)等，但这些分析方法仅限于乳胶膜表面区域结构的观察或者给出膜结构的总结果，而且SEM、TEM 等在样品制备方面比较复杂，有时还会引起对样品的破坏。AFM的最大扫描面积局限于100 μm×100 μm，观察材料的表面高度低于6 μm。

　　由于光学系统的特殊性，LSCM 可用于研究乳胶膜表层和本体内部的形态结构，获取不同深度层面的信息，这无论在理论上还是在实际应用中都有十分重要的意义。近年来，这一技术已开始用于高分子多组分体系的研究^[5-8]。聚合物多组份体系的研究已成为高分子材料科学的重要领域，而其材料性能又与体系中各组份的相容性及相态结构密切相关。两种或两种以上聚合物相混，除极少数可以完全相容外，大多数聚合物相互间并不相容，往往形成多相体系，如从三维图像观察，不同高分子组份也可形成连续的及不连续的相态结构，而在这些相态中，又可发现各种织态结构，如球状结构、纤维状结构、或层状结构等。这些结构的形成与分布决定于高分子、体系的组成及共混过程(如剪切力、剪切速度、温度)，由于高分子的界面与表面特性，多组份聚合物的织态结构从固体表面到本体内部常常是不相同的，这些结构形态对材料的性能有重要影响[9]。朱世雄等以无乳化剂乳液聚合法合成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PSt)微球，以分散聚合法合成荧光标记的 P M M A 微球( F P M M A )，采用 L S C M 研究了 F P MM A /P M MA 和FPMMA/PSt两种乳胶膜体系(重量比均为1:99)的表面及深层形态结构，从不同深度层面的LSCM 图像看出，从表面到本体内部，PMMA 在PSt 母相中明显聚集，而且PMMA在膜的纵向分布为在表面及接近基底的层面较少，主要分布于中间层面^[10]。