材料的表面性能检测

一、表面组分分析

1．衰减全反射红外光谱（ATR）　在生物材料表面研究中，衰减全反射法（ATR）是使用较早且应用较为广泛的方法。其基本原理是当光线由折射指数较高的晶体折射入折射指数较低的样品时，若入射角大于临界角，光线在样品表面穿透一定深度后才反射回来，如果样品对光线有选择性吸收，则全反射光能量被衰减，因此称为衰减全反射。通过选用具有不同折射指数的晶体材料和不同的入射角，可使光线对样品的穿透深度在几百纳米到几微米之间变化。

ATR方法的优点是不破坏材料的表面，而且制样方法简单易行，易于得到高质量的表面红外谱图，因此，是一种对生物材料特别是生物高分子材料很实用的表面分析技术，如研究生物高分子材料表面的分子结构、分子排列方式、官能团取向、表面成分分析、表面涂层的组分和结构分析、表面吸附蛋白定量分析和材料表面的肝素化分析等。

2．X线光电子能谱分析　电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表面分析技术。根据激发源的不同和测量参数的差别，常用的能谱分析有：X线光电子能谱分析（（X－ray　photoelectron　spectroscopy简称XPS）、俄歇电子能谱分析（AES）和紫外光电子能谱分析（UPS）。在生物材料研究中，目前以XPS的应用最为广泛。

XPS在生物材料研究中的应用主要是通过电子结合能和化学位移，即根据特征光电子峰的位置、峰形以及它们的变化来对样品表面的化学组成、原子状态或分子结构进行鉴定和分析，如材料的表面成分分析（适于除H、He以外的所有元素）、表面不同元素之间的定量分析、表面结构定性分析与表面化学研究、表面离子价态和不同离子价态比例分析以及深度分析（须使用附件离子枪）等。目前，XPS已成为从生物材料、高分子材料到金属材料的广阔范围内进行表面分析不可缺少的工具之一。

二、表面形貌分析

材料的表面形貌分析主要是应用电子、离子显微镜进行观察分析。如扫描电子显微镜（SEM）、离子诱导扫描电子显微镜（IISEM）、场离子显微镜（FIM）、原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）等。目前，在生物材料的表面形貌分析中，以SEM的应用最为广泛。

1．SEM的基本原理和方法　扫描电子显微镜可简称扫描电镜，主要由电子光学系统（电子枪、聚光镜、扫描系统、样品室等）、检测系统、显示系统、真空系统和电源系统组成。扫描电镜的成像原理与一般光学显微镜有很大的不同。由电子光学系统获得的在样品表面聚焦的细电子束（最小直径1～10nm）与样品相互作用产生二次电子、背散射电子等各种特征物理信号。观察样品形貌时，检测器主要是收集二次电子和部分背散射电子，信号随着样品表面的形貌不同而发生变化，从而产生信号衬度，经放大器放大后，调制显像管的亮度，从而获得样品的放大像。

用于扫描电镜分析的试样应具有导电性，以便把照射到试样表面的电子束的电子传导出来，否则电子在试样表面集中，形成电荷积累而不能成像。因此，导电性差或不导电的材料（如大多数高分子材料）在进行电镜观察之前，需要在试样表面喷镀一层导电层，以减少试样表面的电荷积累。

2．SEM在生物材料研究中的应用SEM具有焦深大的特点，因此对观察凹凸不平的试样形貌最有效，并且得到的图像富有立体感，因此，通常采用SEM研究多孔支架材料的初始表面形貌、断口形貌和横截面形貌以及材料形貌随降解时间的变化。SEM也可用于分析材料表面是否受到污染和损伤以及研究单组分和多组分体系的形态结构、粉末材料的粒径大小和分布、材料的显微组织以及材料表面成分分析和晶体结构分析等。采用剖开、离子刻蚀、化学刻蚀和溶剂刻蚀等方法，SEM还可用于研究材料的内部结构；通过可提供动态观察和特殊需要的各种样品台，SEM还可以用于研究试样拉伸形变过程的形态变化以及加热冷却等形态变化。

三、表面接触角的测定

将液体滴于固体表面上，液体或铺展而覆盖固体表面，或形成一液滴停于其上，随体系性质而异，所形成液滴的形状可以用接触角来描述。接触角的定义是：在固、液、气三相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角，以θ表示。习惯上将θ＝90°定为润湿与否的标准，θ＞90°为不润湿，θ＜90°为润湿，接触角为0或不存在则为铺展。若用水滴来测定，则水滴接触角可用来表征材料的亲水性的强弱，接触角越小，表明材料的亲水性好，水滴易于在材料表面铺展；反之，则表明材料的亲水性不够理想。因此，接触角测定是一种反映生物材料的亲／疏水性及其他表面性质的强有力的手段，是评价组织工程支架材料的亲／疏水性的一种有效方法。

测定接触角的方法有多种，根据直接测定的物理量可分为四大类，分别为角度测量法、长度测量法、力测量法和透过测量法。其中，角度测量法是应用最广、也是最直接的一类方法。其原理是观测与固体平面相接触的液滴的外形，再用量角器直接量出三相交界处流动界面与固体界面的夹角，即为液滴接触角。生物高分子材料的接触角测定的一般方法是：首先选用合适的溶剂使材料完全溶解，采用溶液成膜法在载玻片上成膜，待溶剂挥发后，选取平整的膜面，用去离子水测定，三相交界处流动界面与固体界面的夹角，即为接触角。