振動電子顯微鏡實現聚合物氫氘同位素成像，最新Nature Nanotechnology！

一、【科學背景】

氫（H）與氘（D）作為穩定同位素，在有機材料研究中常被用作同位素標記，以解析復雜體系的微觀結構與動態行為。傳統分析手段如中子散射、質譜和核磁共振雖能通過同位素差異提供統計性結構信息，但其空間分辨率局限在毫米至微米尺度，僅能獲取區域平均數據，難以揭示局部納米級特征。尤其在聚合物科學中，氘標記被廣泛用于中子散射研究鏈構象、相容性及熔體動力學，但受限于中子束斑尺寸，無法實現真實空間的局域成像。透射電子顯微鏡（TEM）雖可對輕元素成像，但傳統電子散射技術無法區分同位素。近年發展的單色化電子能量損失譜（EELS）技術通過探測化學鍵振動能量差異（如C–H與C–D伸縮振動），為同位素分辨提供了新途徑。然而，傳統亮場EELS受信號離域效應限制，難以實現納米級局域化成像。開發兼具高空間分辨率與同位素敏感性的振動譜學方法，成為突破有機材料分子尺度表征的關鍵。

二、【創新成果】

近日，日本科學家Ryosuke Senga、Katsumi Hagita、和Hiroshi Jinnai團隊在Nature Nanotechnology上發表了題為“Nanoscale C–H/C–D mapping of organic materials using electron spectroscopy”的論文，本研究利用單色化透射電鏡的暗場電子能量損失譜（DF-EELS）技術，首次在單納米分辨率下實現了氫/氘同位素的局域化成像，成功解析了嵌段共聚物中氘化組分的表面偏析與分子鏈分布特征。

圖1 利用電子光譜繪制有機材料的納米級 C-H/C-D 圖譜 ? 2024 Springer Nature

圖2 同位素標記嵌段共聚物的振動光譜學 ? 2024 Springer Nature

圖3 用 CGMD 模擬的 dPS-b-P2VP BCP 微相分離結構 ? 2024 Springer Nature

圖4 dPS-b-hPS BCP淬火熔體中的氫和氘分布圖 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

本研究通過新型電子顯微技術（DF-EELS），首次在納米尺度下直接“看見”了聚合物中氫與氘原子的分布，并精確捕捉到兩者的化學鍵振動信號。研究發現，嵌段共聚物中氘標記的部分會優先聚集在材料表面，而熔融態聚合物中氫/氘標記的分子鏈分布特征與計算機模擬結果高度吻合。這種“原子級顯微鏡”突破了傳統中子散射技術只能提供平均數據的局限，讓科學家能像拼圖一樣在真實空間中直接解析分子排列細節。這項技術為設計更智能的高分子材料、追蹤藥物代謝路徑甚至解析蛋白質結構提供了新工具。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01893-5