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来自美国Azure Biosystems公司的Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统，融合了高品质Pilter温度模块和基于光纤传输的光学检测系统，为您的科学研究提供高jing准、高灵敏的可靠结果。北京深蓝云生物科技有限公司已经为您准备好了仪器，期待您的SY哦~

既然仪器已经备好了，那么该怎样选择检测方法呢？

众所周知，qPCR依托于荧光检测技术，通过使用DNA结合染料、荧光PCR引物或探针等实时监测目的基因的扩增，从而对目的基因进行定量分析。为了避免在实验时出差错，下面就跟着小编一起来看一下常用的经典方法吧~

1、 DNA结合染料—SYBR Green I 法

•  原理：SYBR Green I 是一种DNA结合染料，其与双链DNA结合后，荧光大大增强，DNA与染料结合所释放的荧光量与dsDNA的数量成正比。因此，检测到的荧光信号可反映出PCR体系存在的双链DNA数量。

•  特征：可逆荧光，Z大吸收波长497nm，Z大发射波长520nm。

•  适用情况：非特异性的荧光染料，不能识别特定的双链，只要是双链（包括非特异性扩增产物、引物二聚体等）就会结合发光，在临床上使用可能会有假阳性发生。但该方法容易建立实验体系，可进行熔点分析，通用性好，价格相对较低，在科研中使用比较普遍。

2 、TaqMan 探针法

•  原理：检测时除了需要一对特异性引物外，还需要一条与靶序列互补配对的寡核苷酸链—TaqMan探针，其5’末端包含荧光报告基团R，3’末端为淬灭基团Q。当探针与靶序列互补配对时，荧光基团发射的荧光因与3’端的淬灭基团接近而淬灭。在进行延伸反应时，聚合酶的5’核酸外切酶活性将探针切断，使得荧光基团与淬灭剂分离，发射荧光。荧光信号和产物的量相匹配。

•  特征：检测到的是积累荧光，随着循环数的增加，释放出来的荧光基团不断积累。

•  适用情况：特异性较强，可进行多重qPCR分析，但成本较染料法要高一些，实验构建相对复杂。常用的荧光基团推荐：FAM、VIC、HEX、CY5等。

3 、分子信标(molecular beacon)

•  原理：分子信标方法在检测时除了需要一对引物以外，还需要一条呈发夹结构的寡核苷酸探针（25-40nt），分子信标的 5'端附有荧光报告基团，3'端附有淬灭基团，环被设计成与靶序列互补的15–30核苷酸，其两端各有5-7个核苷酸互补形成茎结构，将报告基团与淬灭基团连接到一起。发夹结构中，由于报告基团接近淬灭基团，监测不到荧光信号，当环的部分与核酸序列互补配对，分子信标打开成链状，使得荧光基团与淬灭剂分开，发射荧光。

•  特征：茎环结构，也是积累荧光。

•  适用情况：高特异性、可以用于多重反应，适合区分等位基因。但不能做熔点分析；发夹的茎结合过强过弱都不合适，过强的话，信标不能与靶标正确杂交，过弱的话，会随机折叠成非发夹结构，导致产生杂信号。常用的荧光基团有FAM 、Texas Red等。

4  、荧光共振能量传递(FRET)

•  原理：FRET探针又称双杂交探针，由两条相邻探针组成。一个探针3'端带有供体基团，第二个探针的5'端带有受体基团，在PCR反应的退火步骤，两条探针头尾相连地分别杂交在靶标序列上，荧光分子接近，从供体到受体产生荧光共振能量传递，受体荧光信号的增加与扩增子出现的量成比例。

•  特征：由于FRET探针是靠近发光，所以检测信号是实时信号，而非积累荧光。

•  适用情况：除引物外需要设计两条探针，通用性不高；需挑选合适的供体及受体基团，供体基团发射波长与受体基团的激发波长需显著重叠，而供体基团发射波长与受体基团的发射波长要明显分离。可做熔点分析，特异性较强。

5 、 LUX Primers

•  原理：LUX (light upon extention) 引物是通过荧光标记的引物，使引物可以实现探针的功能。其原理和分子信标类似，LUX引物也是发夹结构，其中一条引物3’端用荧光报告基团标记。在没有单链模板的情况下，该引物自身配对，形成发夹结构，使荧光淬灭。在模板存在的情况下，引物与模板配对，发夹结构打开，产生荧光信号。

•  特征：积累荧光；不需要额外设计探针。

•  适用情况：不能进行熔点分析，通用性比不上SYBR Green I。但不需要专门设计探针，同时不会受非特异性扩增产物和引物二聚体的影响，特异性较SYBR Green I强。

【以上内容来源于网络整理，侵删】

看完了上面关于经典qPCR检测方法的介绍，您是不是有想去跑一轮qPCR的冲动呢？

美国Azure Biosystems公司的Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统，提供Azure Cielo-3通道和Azure Cielo-6通道，可根据实验需求灵活配置。

☑   数据可靠性: 连续1000次实验后，结果高度一致，温控jing准，性能稳定可靠。

☑  应用灵活性: 提供多种qPCR应用分析，定制化报告。

☑   流程智能化: 中英文用户界面，触控操作，可多机联用。

☑   交互灵活性: 主机可独立运行qPCR程序，电脑、Wi-Fi、网络交互。

导读

目前国内市场上销售的热启动Taq酶的品牌很多，但真正高质量的热启动Taq酶并不多，面对这么多的热启动Taq酶产品，我们应如何选择？

首先，选择扩增效率高的热启动Taq酶

耐受性好的Taq酶反应体系经优化后，扩增效率在95%以上，即使是在目标基因含量较低时也能够获得满意的扩增，在模板量较高时，也不易中毒，指数扩增期较长。耐受性能较差的Taq酶，即使反应体系经多次优化，扩增效率仍达不到90%，扩增曲线“S”型不明显，斜率较小，曲线低平。模板量较低时扩增不出来，较高时扩增效果也不理想。所以PCR扩增效率与Taq酶的性能密切相关，选择高扩增效率的DNA聚合酶对PCR、qPCR能否成功至关重要。

其次，选择酶动力强的热启动Taq酶

Taq酶的酶动力与扩增效率有关。一般热启动Taq酶的酶动力越强，PCR扩增的指数增长期越长，‘S型’曲线更加典型，荧光信号值更高，而且更适合做多重PCR检测。酶动力弱的品牌DNA聚合酶一般只能支持2重反应，在做3重反应时，扩增曲线低矮，荧光信号值较低，无典型扩增曲线，结果很难判定。

zuihou，选择灵敏度高的热启动Taq酶

一般说，DNA聚合酶的扩增效率高，灵敏度就高，但也有不一致的情况。如果要扩增的样本目标基因丰度较低，建议对Taq酶的扩增灵敏度进行检测。

Taq酶的扩增灵敏度进行检测，常见的检测方法是将目标基因质粒片段进行10倍或5倍梯度稀释，在较低的几个稀释度进行PCR检测，选择检测灵敏度较高的热启动Taq酶。

由此可见，研究者需根据自己的实验要求和经费情况进行选择，做一个梯度稀释扩增实验，以检测热启动Taq酶的扩增效率和灵敏度。

Cielo™实时荧光定量PCR系统

Harness of the power of qPCR

▌12列温度梯度设置：多温度梯度设置，快速优化条件，确定合适退火温度。

▌良好的S型扩增曲线。

▌熔解曲线单峰，无杂峰。

除此之外， Cielo™实时荧光定量PCR系统融合了高品质Peltier温度模块和基于光纤传输的光学检测系统，可为您的科学研究就提供高精准、高灵敏可靠结果。

       作为实验室常用仪器，各种隔膜真空泵大同小异，要选一款符合实际所需的隔膜真空泵，购买前应多做功课。您需要了解这些情况：

     1.隔膜真空泵的性能指标

　　隔膜真空泵的主要指标有两个:极限抽气速率和极限压力(也称Jue对真空度),极限抽气速率的大小可以判定,其所能应用的被抽气装置的容量大小,极限压力决定了隔膜真空泵所能达到的极限Jue对真空度. ( 注:Jue对真空度与表压真空度有对应关系,但Jue对真空度不会因为地理位置的改变,大气压力的改变而发生变化,而表压真空度则充满不确定性.建议使用Jue对真空度压力显示.)　

　　2.耐腐蚀性能

      优秀的隔膜真空泵可应用在大多数实验场景,拥有优秀的耐腐蚀性能.不管是隔膜/阀片/管路等与气体接触部分,都做了特殊处理。

　　3.连续运行性能稳定

       多数的隔膜真空泵在连续运行后,发热严重,没有配置散热装置,同时真空度波动较大。

       郑州博汇精密科技有限公司生产的DP系列隔膜真空泵可长时间运行,性能稳定,具有高度的耐腐蚀性能。

推出的隔膜真空泵DP-630G,压力显示采用数显表,显示隔膜真空泵的jue对真空度和当前大气压值,方便用户做数据记录。

　　如果需要，请联系我们！

93个与仪器及检测相关国家标准在今年8月份实施，其中，涉及食品安全的相关标准多达40多项。这其中绝大部分是GB1886系列关于食品添加剂的相关标准。

作为前处理样品浓缩的常规仪器，旋转蒸发仪必不可少。“工欲善其事，必先利其器”，那么问题来了，如何选择一台好的旋蒸？让英诺德来帮助您！

                    INNOTEG-ScienceOne Vap Smart

01转速范围  5-280 rpm

02加热锅温度范围  室温-180℃, 水/油浴通用

03快速升温  加热锅下窄上宽的设计，有利于加热介质的快速升温，缩短加热时间

04避免误操作  加热锅操作面板带锁定功能键，可有效避免误操作

05高蒸馏效率  三重冷凝盘管回路设计，可有效提高蒸馏效率

06可定时  可进行定时设定，省心省力

07智能马达  马达自动升降蒸发瓶

08均匀加热  仪器可进行正反转，尤其适合于需要进行干燥的粉末样品

09保护样品  意外断电后，仪器会自动抬升蒸发瓶，避免样品受热损害

选对了旋蒸， 那么如何让优秀的设备展现出优异的性能呢？请收下我们为你专门准备的维护指南！

好消息是：INNOTEG-ScienceOne Vap Smart旋蒸无需特别的维护，就是这么棒！

但实验前的检查和准备工作不可忽视。


做好以下这几点，让Vap Smart展现优异性能！

请务必定期地进行常规检查玻璃冷凝管上的密封圈，如有需要，请及时更换

清洁仪器须断开电源！

请使用含表面活性剂的清洁剂或者使用异丙醇清洁惰性污渍

升降系统，操作前请常规检查升降系统！

长时间未使用(约4周)时，开启蒸馏前须通过马达使升降系统在最低点和最高点位置来回升降几次

注意避免沸腾延迟！在仪器没有开启旋转情况下，请勿加热蒸发瓶！突然出现泡沫或者出现气体则说明蒸发瓶内介质开始分解，请立即关闭加热并将蒸发瓶提升至加热锅以上位置，保持周边危险区域通风良好，并提醒周边人员

当仪器关闭或者电源中断时，升降系统将会提升蒸发瓶至加热锅以上位置

进行蒸馏前，请必须确保断电后升降系统可提起玻璃组件和样品

实时荧光定量PCR数据中的基本概念：

在整个扩增过程中会出现基线期，指数期，线性期和平台期。其中在基线期和指数增长期，扩增产物都是以指数级增长，但是在基线期我们没办法检测；而到了线性期和平台期之后，由于不同基因，或者不同条件下其扩增效率差别很大，因此没有办法计算模板的含量。因此，在指数增长期的CT值就成了计算模板含量的关键值。

▲ 图一：线性图谱

▲ 图二：对数图谱

为什么知道CT值就能够得到最初的目标基因含量呢？

如图三，表示一个基因单次扩增曲线。N为扩增产物的分子数，模板的分子数乘以1+扩增效率的n次方，n代表循环次数。也就是说，如果扩增效率为100%，产物的分子数就等于模板数乘以2的n次方。但是在线性增长期和平台期，扩增效率不可能是100%，因此PCR理论方程只在指数期成立，也就是图三绿色框的部分。

▲ 图三

数据处理：

以下三张图分别表示我们在做荧光定量PCR时提到的三个名称：扩增曲线、标准曲线、溶解曲线。

1、juedui定量：使用一系列稀释的已知浓度的标准品与未知样本同时进行测定，根据系列浓度标准品的CT值与起始模板量之间的线性比例关系。

注意事项：

☑  标准品必须来源可靠，浓度已知。

☑  标准品要和待测样品同时在仪器中扩增。

☑  只能根据标准品覆盖的浓度范围进行待测样本浓度的推测。

2、相对定量：是用来确定经过不同处理的样品之间的表达差异或目标在不同时相差的表达差异，也就是倍数差异。

Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统

来自美国Azure Biosystems公司，以创新服务于生命科学为愿景。Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统融合了高品质Peltier温度模块和基于光纤传输的光学检测系统，为您的科学研究提供高精准、高灵敏的可靠结果。Azure Cielo 3/6检测通道，可根据实验需求灵活配置。同时配有10.3触控系统，主机本身可独立运行、连接、远程交互，让您随时随地知悉实验进程和及时获得实验结果。

灭菌程序你选对了吗？

需要大量培养样品时，灭菌是实验里不可缺少的环节。TOMY灭菌锅为客户提供了多种可以选择的程序，怎么选才能更好地提升实验效率呢？还有意想不到的功能等着你~

液体灭菌过程

以常用的LB培养基为例，在蓝盖瓶中倒入配置好、调好pH的培养基后，我们需要选择液体灭菌功能，通常液体灭菌所花费的时间更长。

因为我们将液体灭菌时的排气、制冷速度设为0，为什么要这样设置呢？

不知道有没有小伙伴遇到过这样的情况：急用培养基，但是从刚灭菌锅里拿出来温度太高无法使用，就把蓝盖瓶放进冷水里试图降温。此时此刻，只听见“啪”的一声，这一瓶培养基算是报废了，还损失了一个瓶子。这种现象叫做暴沸，因此在液体灭菌时我们要避免温度骤然下降。

正常灭菌过程

当灭菌的物品主要是固体，如蓝盖瓶、锥形瓶、培养皿、涂布棒和枪头等，此时我们可以选择正常灭菌过程，排气速度和降温速度都会比液体灭菌要快很多。

灭菌保温过程

这个功能对于灭菌后没有时间及时取出的小伙伴非常友好。加了琼脂的培养基，在灭菌完成后后可以放在TOMY灭菌锅里保温。(长按FUNCTION可以手动按需调节保温时间)

加热保温过程

烘箱放满了怎么办？TOMY灭菌锅的这个功能可能很少有人知道，可以将培养基溶解并保温。在此方案下，灭菌锅将会先加热溶解培养基，然后进入保温程序。(长按FUNCTION可以手动按需调节保温时间)

正确地选择灭菌程序

~提高实验效率的同时也是对仪器的养护~

我们都知道在实时定量PCR（qPCR）中，可以通过Cq值和标准曲线得出样本的初始拷贝数。但Cq值与样品中靶标的拷贝数有关，也会受到PCR反应的效率和仪器检测灵敏度的影响。高灵敏度的仪器可以减少检测样品所需的循环数，节省时间并提高效率；同时也可以减少假阴性的存在。Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统的设计初衷，就是为了高灵敏高性能而生，每个孔配有单独的激发和发射光纤，可有效提高灵敏度并降低背景噪声干扰（图1左）。此外跟同类产品相比，Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统使用全孔检测技术，每个孔可采集约100,000个数据点，使每个qPCR扩增曲线能够准确、可重复和灵敏地表示荧光强度，从而提高荧光数据的可靠性（图1右）。

▲ 图1. 高性能光路系统

为了进一步表明Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统的灵敏度，与同类产品进行了以下比较实验：使用酵母的三个RNA靶标进行检测，分别是高丰度的Actin基因、低丰度的6Y’端粒基因，以及单拷贝的TEL06R端粒基因。

材料和方法

从10mL酵母培养液中制备出RNA，将3µg RNA逆转录成cDNA作为模板备用。对于Actin，在Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统上使用的cDNA按1：20稀释；其他的cDNA均按1：10进行稀释。引物如下：

▲ 表1. Actin、6Y’端粒基因和TEL06R端粒基因的引物对

采用4个4倍系列稀释的cDNA模板和一个无模板对照来计算qPCR扩增效率，反应体系和扩增程序如下：

结果和讨论

在高丰度Actin和低丰度6Y’端粒基因的检测中，Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统和同类产品的扩增效率非常相似（表2）。然而，在单拷贝TEL06R端粒基因的检测中，发现同类产品得到的Cq值偏大，位于35-38之间，导致计算出的扩增效率大于200%，不能作为参考数据；Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统则计算得出E=96%（表2）。

▲ 表2. 各基因的扩增效率及R2值

同时结果表明，尽管Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统的Actin cDNA上样量仅为同类产品的一半，但Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统的Cq值小于同类产品的Cq值，两者相差0.65（表3）。针对低丰度的6Y’端粒基因和单拷贝的TEL06R端粒基因，两者的Cq值差异较大，差值分别是2.25和4.02（表3）。这些结果表明，随着基因起始拷贝数的减少，Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统灵敏度的提高变得尤为重要。

▲ 表3. 各基因的数据对比

灵敏度也会直接影响数据的准确度和再现性。随着PCR循环数的增加，非特异性产物或引物二聚体扩增的可能性也增加。尤其是使用非特异性荧光染料（如SYBR green）检测PCR产物时，更需要避免过多的循环数。因此，在早期循环中检测扩增的能力大大提高了数据的可靠性。

具有单孔检测的Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统设计用于最小化背景噪声和最大化灵敏度，以实现qPCR反应中特异性和精确度。快快申请试用，让它帮助你优化qPCR实验吧。

介绍：

Azure Cielo™ 3和Cielo™ 6 实时荧光定量PCR系统具有ZY的灵敏度。该系统配置新型的高性能光学系统，采用16组光纤单孔扫描设计，一根光纤用于高能LED激发，另一根用于光信号检测，可16孔同时采集(图1)。特殊的激发/发射方式保证单孔扫描时仅激发一个孔，光纤传导也有效消除光散射，完全避免孔外区域的激发，减少背景噪声的来源，以便更灵敏的检测。

同时Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统采用“全孔检测”技术，每个孔可采集大约100,000个数据点。检测时取读数的平均值，JZ测定每个孔的荧光强度。这种“全孔检测”为每个采集时间点提供了比单孔扫描系统更准确的数据，因为单孔扫描系统仅仅采集少量的数据点。

如何可靠地检测低拷贝数的靶标呢？首先要考虑引物和探针的特异性，这会直接影响qPCR检测能力的高低，其次考虑灵敏度，即当探针信号高于背景噪声时仪器检测的灵敏度。在其他的反应成分相同的情况下，更高灵敏度的仪器可以更早的检测到信号或得到更小的Cq值。为了证明Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统在低拷贝数的靶标检测中的灵敏度和重复性，进行了单拷贝靶标DNA的扩增实验。

方法：

配制20µl反应体系，利用单拷贝DNA为模板进行qPCR扩增。

分别在Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统和竞争产品的系统上运行两次96孔板。使用每个仪器提供的软件收集和分析数据，以确定每个孔的Cq值。

结果与讨论：

单拷贝DNA扩增结果发现，在Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统中检测到88个孔(92%)有荧光信号，竞争产品中检测到77个孔(80%)(图2A)，结果表明，Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统提高了单拷贝扩增的检测概率，这也反映了其检测灵敏度更高。那么对于单拷贝DNA扩增来说，那些没有荧光信号的孔可能是靶标DNA没有进入到孔中，所以没有检测到荧光信号。

同时发现，Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统测量的Cq平均值比竞争产品要早2个循环(Cq 36.39 vs 38.53)(图2A)。并且Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统的Cq值SD小于竞争产品的值(0.91 vs 1.16)，这进一步说明了Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统的检测具有良好的重复性。

此外，将两者的扩增曲线进行比较，发现在竞争产品上某些扩增曲线起峰较晚，扩增曲线起峰位置不一致（图3B），Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统的扩增曲线起峰位置基本一致（图3A）。这也说明了Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统高灵敏度的“全孔检测”技术和多数据点的捕获方式可以给您带来真实可靠的扩增结果。

总的来说，随着靶标DNA数量的减少，qPCR的可靠性也会逐渐降低，然而现代应用不断突破这一技术的极限，对qPCR的性能提出了更高的要求。以上结果证明了Azure Cielo™实时荧光定量PCR系统具有ZY的灵敏度和可靠性，即使检测单拷贝DNA分子，仍可获得具有高度重复性的定量数据。

参考文献：

1. Lockey C, Otto E, Long Z. Real-Time Fluorescence Detection of a Single DNA Molecule. BioTechniques. 1998; 24:744–746.

2. Stowers CC, Haselton FR, Boczko EM. An Analysis of Quantitative PCR Reliability Through Replicates Using the Ct Method. J Biomed Sci Eng. 2010;3(5):459-469.

3. Stadler J, Eder J, Pratscher B, et al. SNPase-ARMS qPCR: Ultrasensitive Mutation-Based Detection of Cell-Free Tumor DNA in Melanoma Patients. PLoS One. 2015;10(11):e0142273.

4. Tosiano MA, Jacobs JL, Shutt KA, et al. A Simpler and More Sensitive Single-Copy HIV-1 RNA Assay for Quantification of Persistent HIV-1 Viremia in Individuals on Suppressive Antiretroviral Therapy. J Clin Microbiol. 2019;57(3):e01714-e01718.

液相色谱在制药、食品、石化、环保等行业的检测分析中的应用越来越多，随着色谱技术的不断发展，色谱填料的不断更新，我们有越来越多的选择去应对各类不断变化的分析需求。珀金埃尔默拥有多种规格不同类型的色谱柱为您提供全方位、灵活的解决方案。

1.目前在制药、食品行业中应用广泛的色谱柱类型——Quasar C18 （USP编码：L1）

反相色谱，具备Z佳配体键合，可为方法开发提供较宽的pH范围；

适用于各种化合物，碱性、中性和酸性分析物均可提供优异的峰形。

2.主要应用于疏水性化合物的分离，例如脂类和类固醇——Quasar C8 （USP编码：L7）

反相色谱，疏水性略低于C18 色谱柱，但可与超高纯度的二氧化硅基质键合；

适用于各种化合物，尤其是保留要求较低的分离任务。

3.主要应用于极性较大的化合物的分离，如维生素和农药——Quasar AQ （USP编码：L1）

反相色谱，即使在100％水性流动相条件下填料也不会发生崩解；

极性端基封尾有助于加强极性化合物的保留；

在不添加离子对试剂的情况下增强极性化合物的保留。

4.主要应用于除草剂、核苷酸、生物碱和多肽的分析——Quasar HILIC （USP编码：L20）

固定相采用正相色谱模式，流动相选择遵循反相色谱模式，适用于离子色谱的分析物；

高有机相比例的洗脱模式尤其适用于质谱分析

增加高极性亲水化合物的保留。

5.主要应用于芳香族分析物分析——Quasar BiPhenyl （USP编码：L11）

反相色谱，联苯键合相；

提供 π-π 相互作用，提高色谱柱的选择性。

6.主要应用于糖类化合物的分离——Quasar Cyano （USP编码：L10）

适用于各类反相和正相色谱，具备能提升偶极相互作用的氰基官能团，提高选择性；

疏水相较少，适用于极性较高的化合物。

7.主要应用于强极性化合物的分离——Quasar Silica （USP编码：L3）

传统上属于正相应用，也可在HILIC模式下使用。

以上是不同类型填料色谱柱的特点，珀金埃尔默全新推出的Quasar色谱柱工具包以其坚固耐用及可重复性，助力您完成日常分析中选择更适合测试要求的色谱柱，更GX地执行分离任务。

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【锂电池电镜制样方法专题】
锂电池材料的内部结构研究手段，你选对了吗？（二）
--- 锂电池隔膜基础篇
作者：包沈源
 
图1 锂电池结构示意图
最初，锂电池正极(cathode)材料为钴酸锂，负极(anode)则是聚乙炔。随后在1985年，根据Kenichi Fukui的前沿电子理论，研究者们使用钴酸锂和石墨作为正极和负极，以提升锂电池的稳定性。然而，在锂电池量产前，首先需要解决电池过热和过载的安全问题，而其中的关键点就在于隔膜(separator)。
电池隔膜是放置在电池正极和负极之间的一种渗透膜（图1），其主要作用是保持正极和负极分离，防止电池短路，同时隔膜也需要允许电荷载流子通过，以保证化学电池电路闭合。隔膜通常是一种具有微孔的聚合物膜，需要对电解液和电极材料具有一定的化学和电化学稳定性，同时也需要有足够的机械强度以承受电池组装过程中的应力。
Yoshino开发了微孔聚乙烯隔膜，以实现“保险丝”的功能。在电池内部异常过热情况下，隔膜提供了一个关闭机制：微孔受热融化闭合，阻断电池内部载流子流动。在2004年，Denton及其同事研发了一种新型电活性聚合物隔膜，其具有过载保护功能，能够通过控制载流子电位，可逆地切换绝缘和导体状态。
不同于其他技术，聚合物隔膜最初并非特意为电池而开发，由于该材料是当时技术淘汰下来的产品，因此能够低成本大批量生产。隔膜材料包括非纺织的纤维材料：棉花、尼龙、聚酯、玻璃等；聚合物薄膜：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯；陶瓷；天然材料：橡胶、石棉、木材。
目前应用于电池隔膜的大部分聚合物都是半晶状聚烯烃材料，包括聚乙烯、聚丙烯及其混合物。近期，研究者们尝试使用接枝聚合物来改善电池性能，其中包括：微孔聚甲基丙烯酸甲酯和硅氧烷接枝聚乙烯隔膜，相比于传统的聚乙烯隔膜他们展现出更好的表面形貌和电化学性能。另外，聚偏二氟乙烯纳米纤维网被应用于隔膜材料，可以同时改善离子导电和形貌稳定性。
 
图2 Leica EM TIC3X三离子束研磨仪，配置冷冻切割样品台
 
对于使用电子显微镜观察锂电池隔膜形貌，分析其化学成分的表征，正确的电镜制样方法是决定最后结果准确性和真实性的关键步骤。由于目前使用的锂电池隔膜基材多为高分子聚合物材料，并且表面大多经过无机物或者有机物修饰。对于处理这种对温度及其敏感，并且具有复杂的多层结构的样品，需要注意整个样品制备过程中可能引起的热损伤和应力损伤。Leica EM TIC3X冷冻离子束切割技术是目前解决上述问题的最优方案之一(图2)。其主要得益于EM TIC3X以下特点：

• Leica TIC3X独特的鞍形场散焦离子源，能够大幅度降低甚至避免离子束切割过程中，对样品造成的热损伤，展现出最真实的表面形貌结构

• Leica TIC3X配置的冷冻切割样品台及其主动式液氮泵，能够实现大范围、精准温控(30°C ~ -160°C)，保证样品加工过程的温度，有效抑制热损伤的产生

• Leica TIC3X冷冻切割样品台配有体视显微镜，能够通过三轴精确调节样品位置，方便用户进行精准定位，并在加工过程中实时确定样品状况，及时调整加工参数

 
图3 (a)和(b)，以及(c)和(d)分别为Leica EM TIC3X常温以及冷冻离子束切割所得的锂电池隔膜截面SEM图像
 
如图3所示，我们尝试使用常温和冷冻离子束切割，加工隔膜样品，以分析温度对于该类样品的影响。如图3(a)和(b)所示，尽管使用较低的加速电压(4kV)，并在加工过程中增加休息时间，辅助样品散热，但是最后隔膜表面还是存在很严重的热损伤，只能看到融化的表面，无法观察到隔膜的孔道结构。而使用冷冻切割样品台后，我们就能够增大加速电压(加速电压5kV，加工温度-50°C)，不间断地加工样品，所得隔膜截面平整无污染 (图3(c)和(d))，孔道结构清晰可见，未观察到热损伤现象。
上述结果表明，锂电池隔膜样品对离子束切割过程中温度及其敏感，不合适的加工条件会造成热损伤，引起严重的表明结构形变。Leica EM TIC3X冷冻切割样品台能够精确地控制样品加工过程中的温度，避免热损伤的产生，得到最真实可靠的样品截面形貌结构。
 
相关产品：Leica EM TIC3X三离子束研磨仪

徕卡LSR 武素芳
锂电池是最成功的商业化电化学产品，广泛应用于电子产品，电器，网格存储，汽车，发电站等生活的各个方面。然而，锂电池还有很多的性能需要改善，例如能量密度，循环能力，存储能力，安全性等等，正因如此，我们需要了解电池的内部结构。 
  
     锂电池的内部结构非常复杂，为了改进性能，可以用多种表征手段来揭示电池内部的充放电行为，锂电池内部的结构改变有多个维度，包括原子级晶体结构的改变，固态电解质界面（SEI）生长，微米级电极颗粒破碎，宏观上电池膨胀等，这些变化都会影响电化学性能，成像技术给出的锂电池的2D或3D的空间分辨率，可以帮助研究人员分析失败机理，提高锂电池实际使用性能。
比如，在“锂电池中电极材料裂纹结构制备及其电化学性能研究”②中，作者将NCM材料（三元正极材料）作为研究对象，即含有Li、Ni、Co、Mn和O的材料，用徕卡三离子束切割仪EM TIC3X切割材料粉末，看内部裂纹结构（图1）。
 
图1.NCM不同压实密度内部孔道分布及结构示意图
 
电子束成像技术（EM）目前来说是锂电池成像里使用最多的。电子束德布意耳波长小于10-10m，主要是样品和电子束相互作用激发一系列的X-射线，电子信号。电镜成像可以到达原子级别，可以轻松获得元素分布图，化学价位分析和3D重构。电镜分辨率可达0.05nm,可以很容易揭示锂电池原子级的催化和储能的机理。
但是电镜也有自身限制：
1）电子束工作需要高真空，不利于电解液的研究；
2）电子束和轻质元素相互作用弱，不太容易获得锂离子；
3）透射电子束对电极材料的穿透深度一般在10-6m，当锂电池电极颗粒大于10-5m时，则不太合适；
4）高能电子束可能会损伤样品。但这里有其他的解决方案，原位电镜，冷冻电镜，3D重构。
    冷冻电镜首先是应用在生物大分子中，最大优点是保持样品的结构真实性。此方法的发明者们在2017年获得了诺贝尔化学奖。这项技术在固态电池研究中，可直观看到锂枝晶的形成，SEI的结构，还有在样品制备和电子束辐照中容易受影响的部分。和传统的电镜技术相对比，冷冻电镜有两个显著特点：低温，低电压。在样品准备，转移和测试过程中，都需要在极低的温度(−170 °C)下进行，样品的脆弱结构被冻住并得到保存，同时，冷冻电镜测试中电子束强度远低于常规电镜，减少了样品的损伤。①
    近年来，徕卡电镜制样设备为锂电池材料内部结构研究提供助力，在国内外多个头部锂电池材料高校研究所，企业实验室检测部门，都有徕卡制样的身影。
  
徕卡电镜制样产品全家福
 
在接下来的内容中，我们会先后介绍徕卡制样设备在正极材料，负极材料，隔膜材料，固态电池等方面案例。
 
 在“钴酸锂双晶界裂纹降解的原子机理”一文中，作者使用徕卡EM TIC 3X做截面切割后，采用EBSD统计钴酸锂，孪晶比例超过40%。孪晶界是一种缺陷，在晶界处容易产生裂纹，主要包括解理裂纹和分解裂纹。文章里面对这两种裂纹的形核和生长机制做了详细的分析。③
 
图2.孪晶界的EBSD图示及晶向
 
 
在“钴酸锂多元素掺杂方法极大提高其电化学性能”一文中，作者采用徕卡三离子束EM TIC 3X切割循环后的极片，并作SEM形貌分析④
 
图3.循环后极片的离子束切割SEM图片示意图
 
在“纳米结构和开孔颗粒形态对锂离子电池的电极加工及电化学性能”一文中，作者采用徕卡三离子束EM TIC 3X切割不同孔隙度极片，并作电镜观察及EDS分析：⑤
 
图4.离子切割压延电极的扫描电镜图片
 
为什么说徕卡三离子束设备适合正极材料的加工呢？这和它的功能和设计是分不开的。
徕卡三离子束设备EM TIC 3X可以常温，可以冷冻，也可以真空传输或冷冻传输，根据加工需要，可随时随地升级变身新功能。
在锂电池正极材料看平整断面时，通常使用常温加工，标准样品台即可满足通常需要；
若测试样品数量多，则可选择三样品台，一次放三个样品，到预设定时间后，取出即可；
若样品中锂及其化合物含量高，短时间也不可以接触空气，或高镍正极材料，不能短时间接触空气，则可选择真空传输，全程真空装载加工样品，且加工完毕可真空转移至电镜中实现最终观察。
 
图5.徕卡三离子束设备EM TIC 3X结构及样品台功能选项示意图
徕卡三离子束设备采用鞍型场枪设计，对于正极材料非常友好，鞍型场枪能量分散，对于一个点，热量低，特别适合掺杂不耐热样品或循环对比实验。循环实验中，使用后的电极中往往会掺入部分有机物，此时的低热加工，对样品来说再合适不过。此类枪由于设计时没有磁场的引入，对于电池材料的粉体原料或电极的掉粉问题，不会产生吸附现象，极大延长了枪的维护周期。
 
 
如果您需要了解此设备的信息或者需要了解样品制备方法，无论是电池哪一部分，均可随时跟我们联系并作交流。
 
参考文献：
[1] Zhe Deng, Xing Lin, Zhenyu Huang, Jintao Meng, Yun Zhong, Guangting Ma, Yu Zhou, Yue Shen, Han Ding, and Yunhui Huang. Recent Progress on Advanced Imaging Techniques for Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2000806
[2] Performance Guangxin Li, Ya Wen, BinBin Chu, Longzhen You, Lingfeng Xue, Xiang Chen,
Tao Huang, and Aishui Yu. Comparative Studies of Polycrystal and Single-Crystal
LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 in Terms of Physical and Electrochemical Performance. ACS Sustainable
Chem. Eng. 2021, 9, 11748−11757
[3] Yuyuan Jiang, Pengfei Yan, Mingchao Yu, Jianming Li, Hang Jiao, Bo Zhou, Manling Sui.
Atomistic mechanism of cracking degradation at twin boundary of LiCoO2. Nano Energy 78
(2020) 105364
[4] Xing-Qun Liao, Pan-Li Ren, Chang-Ming Zhang, Zhou-Lan Yin, Guo,Cong Liu and Jin-Gang Yu. Highly improved electrochemical performances of LiCoO2 via a multi-element co-doping strategy. New J. Chem., 2021, 45, 5596.
[5] Marcus Müller, Luca Schneider, Nicole Bohn, Joachim R. Binder, and Werner Bauer. Effect of Nanostructured and Open-Porous Particle Morphology on Electrode Processing and Electrochemical Performance of Li-Ion Batteries. ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 1993−2003

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