三維激光共聚焦顯微鏡應(yīng)用之薄膜的拒水性和表面粗糙度檢測(cè)

您有沒有注意到，當(dāng)您打開酸奶杯時(shí)，有時(shí)酸奶粘在蓋上，有時(shí)卻沒有？為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？事實(shí)證明，這與杯蓋的拒水性有關(guān)—酸奶會(huì)粘在拒水性較低的杯蓋上，而不會(huì)粘在拒水性較高的杯蓋上。

拒水性只是食品包裝薄膜表面處理的眾多屬性之一，便于其發(fā)揮特定功能。食品包裝需具備各種功能，如：

• 保持食品的新鮮度和質(zhì)量
• 使消費(fèi)者易于處理，如打開包裝
• 創(chuàng)造抗污染的表面

對(duì)食品包裝的某些功能的需求日益增加，如通過降低粘性來減少食品損失。包裝技術(shù)也有相應(yīng)地發(fā)展。這些添加到薄膜表面的處理必須進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，而這種檢測(cè)通過表面粗糙度進(jìn)行衡量。

表面粗糙度檢測(cè)通常用3D激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行，可測(cè)量薄膜表面細(xì)小不規(guī)則的粗糙度，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字量化。使用LEXT OLS5100三維激光共聚焦顯微鏡，對(duì)兩種不同酸奶蓋的拒水性和表面粗糙度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

檢查酸奶蓋上的可見面狀況

首先，使用OLS5100激光共聚焦顯微鏡以三維方式觀察了酸奶蓋背面的可見面狀況。

蓋子是由多層膜壓合而成，包括具有強(qiáng)反射特性的鋁層。為了正確了解薄膜*外表面的形狀，請(qǐng)務(wù)必獲取不受下層鋁層強(qiáng)反射影響的數(shù)據(jù)。使用具有淺焦距的高放大倍率物鏡可以減少來自下層的強(qiáng)反射影響，并只獲取薄膜*外層表面的數(shù)據(jù)。

OLS5100顯微鏡可適應(yīng)405納米的激光波長(zhǎng)，并使用專用的LEXT物鏡抑制畸變。通過這種設(shè)置，可以在整個(gè)視野范圍內(nèi)獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

通過三維數(shù)據(jù)采集，可以直觀地看出拒水性高的酸奶蓋上有大小不一的球狀凸起聚集體，隨機(jī)散布在基面上。相比之下，拒水性低的蓋子則沒有明顯的凸起形狀。

為便于理解拒水性高的樣品的表面狀況，可以聯(lián)想一下荷葉和西蘭花的表面。您可能看到過這種表面會(huì)排斥水，導(dǎo)致水滴往下流。這些表面有著粗細(xì)不均的形狀，稱為分形結(jié)構(gòu)。由于這種形狀，水會(huì)被排斥。分形結(jié)構(gòu)是一種在不同尺度上看起來相似的形狀。

荷葉（左）和西蘭花（右）的拒水性

受這些自然形狀的啟發(fā)，也將這種分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高度防水的酸奶蓋上。在上面的例子中，使用50X物鏡觀測(cè)了視場(chǎng)（約250μm）的數(shù)據(jù)。

在更大的視場(chǎng)中獲取表面粗糙度數(shù)據(jù)

接下來，我將從更大的范圍內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，看看這種特有的凸起形狀在高拒水性酸奶蓋的背面有什么樣的分布。

高放大倍率物鏡僅適用于在蓋子背面的*外層表面獲取數(shù)據(jù)。然而，一個(gè)視場(chǎng)的范圍不足以獲取所有數(shù)據(jù)。

OLS5100顯微鏡的拼接功能使您可以拼接由高放大倍率物鏡拍攝的多個(gè)圖像，從而生成視野更大的高分辨率圖像。

左：拼接前的單個(gè)二維圖像。右：拼接后的二維圖像。

在下圖中您可以看到，隨機(jī)散布在一個(gè)視場(chǎng)中的凸形聚集體的外觀（右），即使在視場(chǎng)擴(kuò)大后（左）也有類似的分布。凸形聚集體有一個(gè)分形結(jié)構(gòu)。

左：3×3拼接圖像（50X物鏡，約700μm）。右：一個(gè)視場(chǎng)（50X物鏡，約250μm）。

量化酸奶蓋的表面狀況

以上圖像直觀地表明：

• 高拒水性薄膜和低拒水性薄膜的表面狀況差別很大
• 凸形聚集體存在于高拒水性薄膜中
• 凸形聚集體具有分形結(jié)構(gòu)，即使將圖像拼接在一起并在一個(gè)寬闊的視野中觀察，類似的凸形聚集體也是分散的

基于這些結(jié)果，我將通過在OLS5100三維激光共聚焦顯微鏡上測(cè)量這兩個(gè)蓋子的表面粗糙度，以量化它們的表面狀況。

一般來說，獲取單線數(shù)據(jù)的探針式表面粗糙度檢測(cè)儀通常用于粗糙度評(píng)估。然而，對(duì)于局部散布的不規(guī)則形狀，例如高拒水性表面，粗糙度值會(huì)因探針?biāo)璁嫷木€條而有很大差異。此外，與探針的接觸會(huì)損壞樣品，導(dǎo)致測(cè)量過程存在風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，三維激光共聚焦顯微鏡可以在不接觸的情況下獲得表面數(shù)據(jù)。這可以通過掃描激光束完成。這個(gè)過程使其有可能獲得比探針的單線數(shù)據(jù)更多的表面形狀信息。

左：探針會(huì)損壞樣品的表面。右：使用三維激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行非接觸式測(cè)量，不會(huì)損壞樣品。

左：探針式表面粗糙度檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)僅提供一條線的信息。右：OLS5100三維激光共聚焦顯微鏡獲取了整個(gè)平面的信息。

從寬視場(chǎng)（約700μm）獲取的數(shù)據(jù)將用于表面粗糙度測(cè)量。

為了獲得適合表面粗糙度的數(shù)據(jù)，請(qǐng)務(wù)必用一個(gè)包含至少10個(gè)特征不均勻形狀成分的視場(chǎng)來進(jìn)行評(píng)估，這些成分會(huì)對(duì)樣品的表面功能產(chǎn)生較高程度的影響。

讓我們考慮一下這對(duì)上面的高拒水性樣品有何影響。假設(shè)在一個(gè)視場(chǎng)（50X物鏡，約250μm）中看到的每個(gè)凸形聚集體是提供拒水功能的特征形狀成分，則我們需要在更寬的視場(chǎng)中捕獲至少10個(gè)凸形聚集體。為了收集10個(gè)以上的凸形聚集體，我會(huì)用3×3拼接圖像的寬視場(chǎng)數(shù)據(jù)來評(píng)估表面粗糙度。

兩個(gè)酸奶蓋的表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

使用三維激光顯微鏡的50X物鏡對(duì)兩個(gè)蓋子的后表面觀測(cè)后得到了以下結(jié)果：

利用表面粗糙度數(shù)據(jù)了解蓋子的拒水性

在拒水蓋子的表面形成分形結(jié)構(gòu)，可以減少酸奶和蓋子之間的接觸面積。這種表面形狀會(huì)使酸奶形成的液滴不會(huì)粘在薄膜上。接觸面積的減少意味著薄膜的表面積大且不均勻。相比之下，拒水性低的蓋子的表面積小且均勻，形成了一個(gè)較大的接觸面積。我們可以得出結(jié)論，酸奶會(huì)粘在這個(gè)蓋子上，因?yàn)殡S著接觸面積的增加，粘性也會(huì)增加。

下面是拒水性與表面粗糙度數(shù)據(jù)的關(guān)系。

高拒水性酸奶蓋	低拒水性酸奶蓋