使用掃描式電子顯微鏡(SEM)識別奈米纖維

Jitka Färberová 著
高明君(Mignon Kao) 譯

 

位於捷克的利貝雷茨技術大學不織布和奈米纖維材料系,在靜電紡絲技術方面擁有超過 6 年的經驗,在其他不織布技術方面,也同樣累積了超過40 年以上的經驗。

在豐富經驗累積的條件下,該單位目前已經能夠紡織出具備熔體(註一)及各種結構材質的物質聚合物材料(或稱高分子材料),更是於學界中優先使用電子顯微鏡和光學顯微鏡技術分析其形態的先驅,而使用的電子顯微鏡之一,就是國際知名品牌 Thermo Fisher Scientific的Phenom桌上型掃描式電子顯微鏡(scanning electrons microscope,SEM)。

同時,該系也致力於進行不織布結構的測試和研究分析,包括「靜電紡織技術與材料應用(由奈米纖維組成的靜電紡絲產品,通常直徑約為100 奈米的纖維,通常透過界面聚合或靜電紡絲生產)」、「纖維組件和液相(過濾、吸附)(註二)之間的相互作用」、「紡織品的生理與熱特性」、「紡織品的壓縮性能」、「高蓬鬆度垂直不織布技術」、「熔噴技術」、「織物改性和靜電紡絲-奈米纖維的生產技術」等。

 

註一:熔體,以定量的泵自噴絲孔中擠出,並在此紡織過程裡,於噴絲孔道中發生剪切形變、噴出脹大、拉伸形變、細流的冷卻和固化,從而形成具有一定超分子結構的初生纖維,即為熔體。

註二:液相,指物質維持在液體的狀態,統稱為液相

奈米纖維的應用層面

 

過濾應用

過濾是奈米纖維材料最重要的應用之一,使用掃描式電子顯微鏡及專業的擴充分析軟體(例如:BSD、SED、孔徑統計分析、顆粒統計分析、纖維統計分析等),可對特殊材料的過濾性能進行詳細的測試和分析。

 

聲學應用

具備較高抗噪性,是奈米纖維材料的其中一個重要特性,特別是在低頻的聲波範圍尤其顯著,相較之下其他材料就顯得效果較差,有鑑於此特性,以奈米纖維材料作為聲音屏障的用途,在未來的科學應用中將具有不錯的前景。

 

醫學和生物應用

近幾十年來,人們一直非常關注奈米纖維材料如何運用在醫療應用中,因為這些材料具有組織工程的理想特性;而同軸靜電紡絲(註三)便是其中一種很有發展潛力的一項技術。同軸靜電紡絲可運用在生產便於藥物輸送應用的核殼纖維,其可做為藥物載體來提高藥物的穩定性及控制藥物釋放的行為。

註三:同軸靜電紡絲技術是聚合物溶液或熔體在高壓靜電作用下克服表面張力,在噴絲口形成泰勒(Taylor)錐,並高速噴射出聚合物射流,經力學拉伸和溶劑揮發,而固化形成納米纖維結構的一種構建技術。靜電紡絲纖維材料具有比表面積大、纖維連續性好、纖維膜孔徑小、孔隙率高等優點,能夠明顯增強與細胞/組織的相互作用,影響細胞的胞吞、粘附、遷移、分化等生物學行為。

 

以下為桌上型掃描式電子顯微鏡(桌上型SEM)對聚合物奈米纖維、奈米纖維層、奈米纖維紗線和奈米微粒的結構實際觀測畫面:

             

圖一:聚乙內酯(polycaprolactone, PCL)奈米纖維                                               圖二:聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)奈米纖維層

             

                 圖三:聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol, PVA)奈米纖維層                                   圖四:聚乳酸-甘醇酸 (Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA) 奈米纖維

           

圖五:奈米纖維層剖面圖                                                                                                     圖六:奈米纖維層剖面圖

 

 

結論

不織布和奈米纖維材料系的 Jitka Färberová 認為,桌上型掃描式電子顯微鏡Phenom Desktop SEM 改善了工作流程和研究計劃,尤其是在大幅加快研究進度方面。過去,不得不等待一段煩人的時間才能從電子顯微鏡中獲取圖像,而與光學顯微鏡技術相比,我們現在可以在非常短的時間內獲得具有品質的顯微照片(電子成像)」。

 

桌上型掃描式電子顯微鏡Phenom Desktop SEM 的放大倍率範圍特別適合研究奈米纖維層和單纖維的結構;此外,許多操作人員表示Phenom Desktop SEM非常易於操作,學生無需進行耗時的特殊培訓即可使用,這是該部門選擇該儀器的主要原因。

 

Thermo Fisher Scientific旗下的Phenom Desktop SEM搭配專門軟體「FiberMetric自動測量軟體」,可以快速測量奈米纖維和孔徑尺寸,可加快樣品分析量並節省時間;不僅如此,測量值與使用特殊圖像分析軟體手動測量獲得的值一樣準確,也避免因不同操作者而產生的誤差,能生成測量直徑的統計數據和頻率圖。

同時使用Phenom Desktop SEM和FiberMetric 軟體,亦將讓使用者能夠在同一分析研究中獲得更完整的樣品資訊。

 

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