清华大学黄霞、德州理工大学沈悦啸团队ES&T综述：聚合物膜的三维重构与表征
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近日，清华大学黄霞教授团队和德州理工大学沈悦啸教授团队合作在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“3-Dimensional Reconstruction-Characterization of Polymeric Membranes: A Review”的综述文章。本文介绍了8种三维重构技术的原理、优缺点、针对膜材料的制样步骤、数据处理、重构-表征步骤等，并针对膜材料的三个不同部分介绍了对应三维重构-表征技术的使用前沿案例，总结了这些技术的应用前景和发展方向。本文可作为膜材料三维重构-表征技术的参考，并能够为这些技术的实施和开发提供理论指导。
引言
聚合物膜是多个领域的重要分离材料。聚合物膜材料通常由无定形或半结晶的聚合物通过界面聚合或相转化法制成，其性能极大地依赖于其内部结构和三维形态。为了表征和评估膜材料的结构与性能，研究人员使用多种表征技术来识别膜的结构和化学信息，但这些传统方法通常只能提供定性的、二维的结构/化学信息或感兴趣性质的整体分布。随着近年来膜材料科学的进步，具备复杂纳米结构和期望进行亚纳米尺度调控的膜材料越来越多，有必要对膜材料进行三维重构-表征。本综述对常见的八种应用于膜材料的三维重构-表征技术进行了总结，介绍了每种技术的原理、优劣、样品制备与数据处理流程，并介绍了一系列代表性的膜材料三维重构-表征案例，对于膜材料的三维重构-表征技术发展优化具有重要的理论指导意义。
图文导读
膜材料三维重构-表征技术原理
图1：八种三维重构技术的分辨率范围和适用的膜相关样品种类总结。
图1中列出了本文探讨的八种三维重构-表征技术的分辨率范围，以及膜材料相应结构的主要结构特征范围。涉及的技术包括聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、串行块面扫描电镜(SBF-SEM)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)、原子探针断层扫描(APT)、光学相干断层扫描(OCT)、共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)、X-射线断层扫描(X-rayCT)，以及电子断层扫描(ET)。其中膜材料的主要结构包含膜污染层（主要结构特征尺度在1μm-500 μm量级）、多孔膜（主要结构特征尺度在10 nm-1μm量级）、膜表皮层（主要结构特征尺度在1 nm-20nm量级）、亚纳米孔隙（主要结构特征尺度在0.1 nm-1 nm量级）。
图2：三种三维重构的策略。（a）迭代铣削，（b）横截面扫描，（c）旋转样品策略。
常见的三维重构技术通常通过迭代铣削（Fig.2a）、横截面扫描（Fig.2b）、旋转样品（Fig.2c）这三种策略获取待测样品不同深度或角度的三维结构。其中，迭代铣削策略收集三维数据的技术包括FIB-SEM、SBF-SEM、ToF-SIMS、APT，其原理主要是采用某种方式（离子束、金刚石刀、电场或激光）直接除去样品表层的物质，并直接拍摄或收集样品横断面的结构信息。如果仪器中包含可以测定样品化学性质的探测器，这类技术也有望获取样品中的化学信息。采用横截面扫描策略的技术包括OCT、CLSM，其主要原理是通过焦点或成像深度变化，从样品特定深度处收集样品的信息。采用旋转扫描策略的技术包括X-ray CT、ET技术，其主要技术原理是通过样品或相机的旋转，收取不同角度的样品透射图像，最后通过算法拼合成最后的三维模型。八种技术的优劣特性主要由各自的成像策略和成像物质（电磁波、电子、离子）决定。
膜材料三维重构的样品制备方法
表1. 每种技术所需的样品制备方法。
* 表中样品制备步骤大致遵循从左往右的顺序；表中打“√”代表该制样方法为必需，打“×”代表不需要该制样方法，打“○”的代表该制样步骤为可选可不选。
膜材料的八种三维重构-表征技术在进行数据收取前，其样品通常需要经过一定的前处理。主要的处理步骤包括包埋、切削、膜材料表皮层剥取、染色、添加定位标记、涂覆导电层等（表1）。其中，包埋步骤主要涉及破坏性的三维重构技术，主要是将样品固定在包埋介质中，方便后续样品的处理和切割工作。切削工作的主要作用是将样品的待测位点尽快暴露出来，并将样品的形状调整得更方便数据收取，主要是采用金刚石刀或电子束进行切削工作。表皮层剥取的主要作用是方便进行TFC表皮层的ET重构工作，因为ET只能观测厚度低于200 nm的样品。染色步骤主要是用染色剂溶液浸泡，或用染色剂蒸汽熏染样品，以增强材料的衬度，从而提高三维重构数据的质量。添加定位标记的主要方法包括用纳米颗粒添加到样品中，或者使用电子束或离子束直接在块状样品表面进行标记，以方便后续样品图片的对齐工作。涂覆导电层主要是用金属或碳在样品表面涂覆一层，以增强样品的导电性，可在样品侧面一次性涂覆，也可在待测表面上反复涂覆。
膜三维重构的数据处理与分析方法
图4：一种典型的三维重构-表征数据处理和分析流程。（a）原始数据的前处理步骤，包括校准、修正、对齐、生成三维数据；（b）图像分割和三维重构步骤，其中图像分割分为手动分割、阈值分割、算法分割几种；（c）三维模型表征分析步骤，包括获取合成-结构-性能相关关系。
三维数据收取后，通常需要进行数据处理和分析，可分为三个主要步骤。首先需要对收取的原始数据进行初步的处理，这一步通常包括校准（即调整数据的长宽比例以符合实际情况，可由专业软件完成）、修正（如ToF-SIMS表征需要结合AFM形貌信息修正数据）、对齐（微调图片的位置以确保三维信息的正确性）、生成三维数据（如X-ray CT和ET需要利用算法将旋转样品的数据转化为三维模型）。在生成样品的三维灰度图像后，通常需要进行样品的数据分割和三维模型重构的工作。这一步主要的手段包括手动分割（适用于小型简单模型的分割）、阈值分割（利用信号强度确定样品边界，适用于衬度较高的数据集分割）、算法分割（分为规则算法和神经网络算法，利用更加复杂的分割标准实现数据分割）几种方法。随后，在获得样品的三维数据后，还需要对样品的结构信息进行定量的解析，才能够最终实现对样品三维结构的分析，并进行结构参数与合成条件、分离性能等的关联性分析。实现这种解析的方法主要包括简单地提取样品的三维形貌特征，并与其合成条件或性能参数进行关联；或者利用膜的形态数据构造复杂的模型，利用诸如流体力学或有限元分析的方式进行模拟计算。
膜三维重构的典型案例
膜相关的材料主要包括多孔膜、膜表皮层、膜污染层这几种，其中多孔膜的三维重构典型案例主要使用X-ray CT、FIB-SEM、SBF-SEM这几种技术，能够在较高的分辨率之下观测这些膜材料的孔隙孔隙三维结构，但也有少数技术使用了ET以获得更高的分辨率；膜表皮层的三维重构典型案例主要使用ET技术，主要是因为其分辨率最高，能够观测到膜表皮层纳米尺度的细微结构，但也有少量研究采用FIB-SEM观测膜表皮层结构；膜污染层的特征尺度通常为微米级别，且污染层通常质地较软，利用SBF-SEM这类需要切割样品表面的技术将会破坏样品的几何结构，且污染层的结构表征中，结构随时间变化的趋势和化学组成是较为重要的信息，因此主要应用到的技术有OCT、ToF-SIMS、CLSM等技术。
小结
本文系统总结了膜结构三维重建技术的现状与挑战。当前主流技术分为三类：迭代铣削成像、截面扫描和样品旋转成像，涵盖电子、离子及X射线等探测手段。其中，ET的分辨率为现阶段应用的技术中最高的，达到1 nm，可用于表皮层分析；FIB-SEM和SBF-SEM分辨率为几nm到几十nm，可用于多孔膜和膜表层的表征；X-ray CT的分辨率范围最广（30 nm-100μm），可以观测多孔膜结构或膜污染层；OCT和CLSM的分辨率为1-20 μm，且能够原位检测样品，可以用于膜污染，特别是生物污染的检测；ToF-SIMS可提供污染层的三维化学分布结构。
未来的技术发展方面，ET的主要发展瓶颈在于分辨率仍然不能达到亚纳米级别，无法观测无孔膜内部的聚合物网格结构；其次，溶胀膜的冷冻ET观测也是一个发展的可能方向；此外，解析膜结构与膜合成条件、性能之间的联系也是ET膜表征技术的一个可能的发展方向。当前，APT虽然没有实现膜材料表征方面的应用，但其原子级别的分辨率极具发展潜力，或可为膜材料亚纳米结构的表征提供新的视角。此外，FIB-SEM等破坏性切削表征技术可以利用氦离子束铣削、神经网络预测等方式增加分辨率；利用人工智能由单张图像预测三维图像也是一个具有潜力的发展方向。ToF-SIMS、OCT、CLSM等技术主要用于观测污染层结构，其污染物种类需要人工智能相关的软件来更快地自动识别；且类似OCT这样有潜力实现自动原位检测的技术，需要更多实时监控、自动数据处理的技术加持，以获得更好的效果。
本项目得到了国家重点研发计划的资助。
