GB/T 42208-2022 纳米技术 多相体系中纳米颗粒粒径测量 透射电镜图像法（正式版）

纳米技术多相体系中纳米颗粒粒径测量透射电镜图像法国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T42208—2022 Ⅲ 1 1 1 2 2 24.3图像处理 25样品 25.1样品要求 2 2 36.1总体要求 36.2装样 36.3仪器准备 3 4 4 47.2图像分析 47.3结果表示 5 5 5附录A(资料性)固态金属多相体系实例 7附录B(资料性)纳米复合材料实例 ⅢGB/T42208—2022本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口。本文件起草单位：国家纳米科学中心、国标(北京)检验认证有限公司、北京市科学技术研究院分析测试研究所(北京市理化分析测试中心)、深圳市德方纳米科技股份有限公司、中国计量大学、北京粉体GB/T42208—2022价。而透射电子显微镜是采用透过薄膜样品的电子束成像来显示样品内部形态与结构的一种表征设备。它不仅可以观察样品微观形态，还可以对所观察区域的内部结构进行表征。因此透射电镜配合图像分析技术可进行纳米颗粒在多相体系中的粒径测量。对多相体系中纳米颗粒的粒径测量，在优化材料结构，改善材料的性能方面有着极大的促进作1纳米技术多相体系中纳米颗粒粒径测量透射电镜图像法本文件也适用于在样品制备满足透射电子显微镜观察要求时的胶体和生物组织中纳米颗粒粒径GB/T21649.1粒度分析图像分析法第1部分：静态图像分析法GB/T30544.4纳米科技术语第4部分：纳米结构材料2GB/T42208—20223.5扫描透射电子显微图像scanningtransmissionelectronmicroscopicimaging;STEM通过探测器同步接收会聚电子束在样品上逐点扫描产生的透射电子或散射电子进行成像。[来源：GB/T34831—2017,3.3,有修改]3.6高角环形暗场像highangleannulardarkfieldimaging;HAADF在扫描透射成像模式下，利用高角环形暗场探头接收高角度散射电子进行成像。[来源：GB/T34831—2017,3.4,有修改]4原理利用透射电镜图像对纳米颗粒在多相体系中的粒径进行测量，主要基于透射电子显微镜中电子束穿透样品成像的原理，并对图像进行处理，通常需要借助粒径分析软件进行粒径测量，以避免人为因素的干扰。4.2透射电子显微镜的成像原理透射电子显微镜是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。由于散射角的大小与样品的密度、厚度等相关，因此可以形成明暗不射电子显微图像(含高角环形暗场像),需要根据样品情况采用相对应的成像技术。4.3图像处理透射电镜图像输出像素一般优于1024×1024,灰度取值在0～255之间。为了进行纳米颗粒在多相体系中的粒径测量，利用图像处理技术对透射电镜图像中的纳米颗粒进行识别，得到关于颗粒个数以及颗粒中心位置等信息。图像处理过程包含有编辑、预处理、图像增强(图像平滑、图像锐化)、二值化、图形操作(细化、修剪、轮廓提取)等方面。应根据实际得到的透射电子显微图像质量选取图像处理中的具体过程。5样品5.1.1透射电子显微镜制样时所制备的样品结构应保持其在多相体系中的结构。5.1.2透射电子显微镜样品可观察薄区的厚度应保证其透光度(一般为100nm以下),以便在透射电镜图像中纳米颗粒与其他相有足够的对比度和清晰度进行图像处理。5.1.3透射电子显微镜样品应清洁无氧化，5.2样品制备方法纳米颗粒在多相体系中的分散，由于多相体系材料不同，样品制备方法不同，下列给出常见材料的制备方法。3GB/T42208—2022将纳米颗粒作为分散相的纳米复合材料。这类材料的透射电镜样品制备，需要先将样品包埋在环氧树脂中，利用超薄切片机，将样品切成可用于透射电子显微镜观察的薄膜，一般厚度在50nm~多相固态金属材料一般是合金材料，纳米颗粒以不同于合金相的形式存在于材料本身。这类材料a)切片：采用慢速锯或线切割等设备从固态样品上取出大约1mmb)研磨：分别依次用目数由低到高的水砂纸将金属薄片研磨至厚度为50μm左右；属薄片制备成最终用于透射电镜观察的样品。多相生物材料一般是将纳米颗粒引入生物材料中，例如含有纳米颗粒的细胞。这类材料的透射电c)脱水：用浓度依次增加的乙醇进行脱水，每次15min,乙醇浓度可参考50%—70%—80%—95%—100%(100%浓度脱水两遍)的递增顺序；用醋酸双氧铀作为染色剂。6试验步骤晰度和对比度的透射图像并且图像中纳米颗粒能准确识别，每个颗粒宜含有10以上像素个数。对于同一个样品，应根据GB/T21649.1确定最少测量颗粒数量并选择在不同视场里拍摄多张图像。具体的过程见附录A中以镍基高温合金多相体系中纳米颗粒为例给出的详细过程。装样前需要确认样品无磁性，具有磁性的样品可以进行退磁处理。接着将载有样品的载网安置在样品杆。6.3仪器准备4GB/T42208—20226.4图像的获取摄。不同的样品拍摄时选用的模式不同。明场像一般适用于纳米复合材料和多相生物材料。将样品调节至最佳观察高度，在感兴趣晶带轴暗场像一般适用于多相固态金属材料。将样品调节至最佳观察高度，在感兴趣晶带轴方向的衍射高角环形暗场像一般也适用于多相固态金属材料。按照步骤6.4.2在明场模式下找到感兴趣的观利用样品边缘非晶区域检查和微调聚光镜位置及像散。找到已记录的样品位置，将样品调节到最佳观7粒径测量由于多相体系中的纳米颗粒的透射电子显微镜图像通常存在背景亮度不均匀、分散相边界与图像粒数量对测量不确定的影响较大，因此需要确认最少测量颗粒数。具体的过程按GB/T21649.1执行。目标是将数字显微照片从灰度图像转化为由离散颗粒和背景组成的二值化图像。首先通过对图像进行阈值处理，将每个纳米颗粒的像素数列表，再对每个像素值进行分类。图像阈值设置受用户偏差的影以最终统计的颗粒分布图，如图1所示。5貌貌春鲁。a)原始暗场像图b)图像处理后颗粒分布图图1多相固态金属材料中纳米颗粒图像处理前后对比图7.3结果表示对图像处理后的颗粒分布图中颗粒进行等效圆处理，获取纳米颗粒粒径。一般图像分析软件可以直接给出每个颗粒的粒径值。根据公式(1)和公式(2)可计算出纳米颗粒的平均粒径和标准偏差。式中：x——纳米颗粒平均粒径值，单位为纳米(nm);x;——第i个纳米颗粒的粒径值，单位为纳米(nm);n—测量的纳米颗粒数量；s(x;)——纳米颗粒粒径符合正态分布下的标准偏差，单位为纳米(nm)。多相体系中纳米颗粒粒径的大小是多相体系评价的一个方面，纳米颗粒的分布范围是多相体系评价的另一方面，实验室可以对所测量的纳米颗粒粒径进行多项式曲线拟合，获得其对应的粒径分布曲线(见附录A),或者根据粒径值做柱状图(见附录B),以确认纳米颗粒的粒径分布范围。8测量不确定度利用透射电子显微镜图像，对多相体系中纳米颗粒的粒径测量的测量不确定度主要来源包括但是不限于样品均匀性、样品制备、图像处理和测量所需的颗粒数不足。9测试报告测试报告应包括如下信息：a)样品名称、状态，和其他与样品标识相关的信息；6GB/T42208—2022b)仪器设备；7(资料性)固态金属多相体系实例A.1试验样品镍基高温合金多相体系中的纳米颗粒。对镍基高温合金多相体系中纳米颗粒进行粒径测量。本试验使用场发射透射电子显微镜，所用仪器主要参数见表A.1。表A.1仪器名称及主要参数仪器名称最高加速电压电子枪线分辨率信息分辨率透射电子显微镜场发射电子枪A.4样品制备本试验所用镍基高温合金材料为固态样品，首先采用线切割设备从固态样品上取出大约1mm厚的金属薄片，分别依次用目数由低到高的水砂纸将金属薄片研磨至厚度为50μm左右。然后用冲样机的圆片。配置体积分数为5%的高氯酸甲醇电解双喷液并放置于专用电解抛光装置中，采用温度约-50℃~-40℃,电流约40mA～50mA的减薄条件，对金属薄片进行电解抛光直至样品出孔并有合适的薄区。制备好的样品应保持清洁、干燥，避免污染。A.5试验步骤A.5.1检查仪器状态确认透射电子显微镜的操作系统开启，设备真空、高压、灯丝电流处于正常工作状态。也可按GB/T18907—2013中的要求对透射电子显微镜进行准备。A.5.2装载样品将制备好的金属薄膜样品稳固地安置在双倾样品杆中，并将样品杆插入透射电子显微镜，连接好倾转控制线。待镜筒真空度达到使用条件，进一步将装载待测样品的样品杆送入镜筒中。A.5.3获取图像打开阀门开始操作。选择样品薄区，将放大倍数调整到合适的放大倍数，一般在几万到几十万之间，拍摄照片。根据实际情况选择在样品边缘非晶区域检查并细调物镜像散。获取镍基高温合金材料a)获取选区电子衍射谱。在薄膜样品中选择厚度适当，并且干净无污染的薄区，找到目标位置，调节试样高度至合轴平面，被分析试样区在倾转过程中不发生明显位移。在衍射模式8下，通过倾转样品使得电子束入射方向与合金[001]晶带轴方向平行，获得最佳衍射条件，对衍b)获取明场像。将样品调节至最佳观察高度，在感兴趣晶带轴方向的衍射模式下，用物镜光阑选择透射束，退出衍射模式，微调物镜像散和聚焦，选择合适的倍数以获得清晰的合金内纳米颗粒的明场像。本试验感兴趣晶带轴方向为合金[001]晶带轴方向，在此条件下拍摄图像，可拍摄多张图像获得足够多的纳米颗粒用于后续分析。c)获取暗场像。本试验在上述明场像的获取条件下，将入射电子束方向倾斜一定角度，将合金中y'相纳米颗粒的任意衍射晶面处于强衍射的位向下，不改变物镜光阑的位置，退出衍射模式，微调物镜聚焦以获取清晰的镍基高温合金内γ'相纳米颗粒中心暗场像。同明场像，可拍摄多张图像获得足够多的纳米颗粒用于后续分析。A.5.4试验结果依据上述试验步骤，对镍基高温合金内γ'相纳米颗粒进行了观察测量，选择γ'相的某衍射点(如图A.1所示)进行中心暗场成像操作。图A.2a)为在图A.1所示取向下对镍基高温合金样品γ'相纳米颗粒进行明场成像的结果，图A.2b)为对应的暗场像。可采用图像处理软件的颗粒分析功能(analyzeparticle),对图A.2b)中的γ'相纳米颗粒进行分析，去除图像边缘不完整的纳米颗粒，识别出纳米颗粒，获得γ'相纳米颗粒分布散点图A.3a),对这些颗粒进行统计分析，并对该粒径分布进行多项式曲线拟合，获得其对应的粒径分布曲线图A.3b)。根据公式(1)和公式(2)得到γ'相纳米颗粒的平均粒径为36nm,标准偏差为7nm。9GB/T42208—2022a)镍基高温合金样品γ'相纳米颗粒明场像b)镍基高温合金样品γ'相纳米颗粒暗场像a)图A.2中纳米颗粒分布散点图b)粒径多项式拟合图GB/T42208—2022纳米复合材料实例B.1试验样品二氧化硅纳米颗粒与聚合物形成的纳米复合材料。B.2试验目的对聚合物中纳米二氧化硅的粒径进行分析。B.3试验仪器本试验使用六硼化镧(LaB₆)透射电子显微镜，所用仪器主要参数见表B.1。表B.1仪器主要参数仪器名称最高加速电压电子枪晶格分辨率点分辨率透射电子显微镜六硼化镧(LaB₆)B.4样品制备将复合材料包埋在环氧树脂中通过超薄切片进行样品制备。切片厚度大于粒子直径，同时具有透光度(一般为100nm以下),以便在透射电镜图像中纳米颗粒与基材有明显的对比度和清晰度进行图像处理。并将样品的超薄切片捞在铜网上。B.5试验步骤B.5.1检查仪器状态确认透射电子显微镜的操作系统开启，设备真空、高压、灯丝电流处于正常工作状态。也可按GB/T18907—2013中的要求对透射电子显微镜进行准备。B.5.2装载样品将制备好的附有超薄切片的铜网安置在样品杆中，并将样品杆插入透射电子显微镜，选用单倾杆B.5.3操作待镜筒真空度达到使用条件，将装载待测样品的样品杆送入镜筒中，并