三維激光共聚焦顯微鏡應用之薄膜的拒水性和表面粗糙度檢測

您有沒有注意到，當您打開酸奶杯時，有時酸奶粘在蓋上，有時卻沒有？為什么會出現這種情況？事實證明，這與杯蓋的拒水性有關—酸奶會粘在拒水性較低的杯蓋上，而不會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量
• 使消費者易于處理，如打開包裝
• 創造抗污染的表面

對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。包裝技術也有相應地發展。這些添加到薄膜表面的處理必須進行質量檢測，而這種檢測通過表面粗糙度進行衡量。

表面粗糙度檢測通常用3D激光共聚焦顯微鏡進行，可測量薄膜表面細小不規則的粗糙度，并對其進行數字量化。使用LEXT OLS5100三維激光共聚焦顯微鏡，對兩種不同酸奶蓋的拒水性和表面粗糙度之間的關系進行了研究。

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，包括具有強反射特性的鋁層。為了正確了解薄膜*外表面的形狀，請務必獲取不受下層鋁層強反射影響的數據。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反射影響，并只獲取薄膜*外層表面的數據。

OLS5100顯微鏡可適應405納米的激光波長，并使用專用的LEXT物鏡抑制畸變。通過這種設置，可以在整個視野范圍內獲得準確的數據。

通過三維數據采集，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，可以聯想一下荷葉和西蘭花的表面。您可能看到過這種表面會排斥水，導致水滴往下流。這些表面有著粗細不均的形狀，稱為分形結構。由于這種形狀，水會被排斥。分形結構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，也將這種分形結構應用于高度防水的酸奶蓋上。在上面的例子中，使用50X物鏡觀測了視場（約250μm）的數據。

在更大的視場中獲取表面粗糙度數據

接下來，我將從更大的范圍內獲取數據，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*外層表面獲取數據。然而，一個視場的范圍不足以獲取所有數據。

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圖像，從而生成視野更大的高分辨率圖像。

左：拼接前的單個二維圖像。右：拼接后的二維圖像。

在下圖中您可以看到，隨機散布在一個視場中的凸形聚集體的外觀（右），即使在視場擴大后（左）也有類似的分布。凸形聚集體有一個分形結構。

左：3×3拼接圖像（50X物鏡，約700μm）。右：一個視場（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構，即使將圖像拼接在一起并在一個寬闊的視野中觀察，類似的凸形聚集體也是分散的

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

一般來說，獲取單線數據的探針式表面粗糙度檢測儀通常用于粗糙度評估。然而，對于局部散布的不規則形狀，例如高拒水性表面，粗糙度值會因探針所描畫的線條而有很大差異。此外，與探針的接觸會損壞樣品，導致測量過程存在風險。

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據。這可以通過掃描激光束完成。這個過程使其有可能獲得比探針的單線數據更多的表面形狀信息。

左：探針會損壞樣品的表面。右：使用三維激光共聚焦顯微鏡進行非接觸式測量，不會損壞樣品。

左：探針式表面粗糙度檢測儀的數據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平面的信息。

從寬視場（約700μm）獲取的數據將用于表面粗糙度測量。

為了獲得適合表面粗糙度的數據，請務必用一個包含至少10個特征不均勻形狀成分的視場來進行評估，這些成分會對樣品的表面功能產生較高程度的影響。

讓我們考慮一下這對上面的高拒水性樣品有何影響。假設在一個視場（50X物鏡，約250μm）中看到的每個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中捕獲至少10個凸形聚集體。為了收集10個以上的凸形聚集體，我會用3×3拼接圖像的寬視場數據來評估表面粗糙度。

兩個酸奶蓋的表面粗糙度測量結果

使用三維激光顯微鏡的50X物鏡對兩個蓋子的后表面觀測后得到了以下結果：

利用表面粗糙度數據了解蓋子的拒水性

在拒水蓋子的表面形成分形結構，可以減少酸奶和蓋子之間的接觸面積。這種表面形狀會使酸奶形成的液滴不會粘在薄膜上。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，形成了一個較大的接觸面積。我們可以得出結論，酸奶會粘在這個蓋子上，因為隨著接觸面積的增加，粘性也會增加。

下面是拒水性與表面粗糙度數據的關系。

高拒水性酸奶蓋	低拒水性酸奶蓋