这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

主要作者及机构

本研究由Shi Qiu（莫纳什大学机械与航空航天工程系）、Changxi Zheng（西湖高等研究院）、Gang Sha（南京理工大学材料科学与工程学院/Herbert Gleiter纳米科学研究所）和Jing Fu（莫纳什大学机械与航空航天工程系/ARC先进分子成像卓越中心）等学者共同完成，发表于《The Journal of Physical Chemistry C》（J. Phys. Chem. C）2020年第124卷，出版时间为2020年8月7日。

学术背景

研究领域为纳米材料与液体界面的原子尺度表征。液体-纳米颗粒（liquid-nanoparticle, NP）界面在物理、化学和生物过程中至关重要，但其高分辨率化学成像长期面临技术挑战。传统技术如X射线散射、原子力显微镜（AFM）和冷冻电镜（cryo-EM）难以直接观测液体分子在界面的分布。本研究首次利用原子探针断层扫描技术（Atom Probe Tomography, APT）实现了液体-纳米颗粒界面的近原子分辨率三维化学成像，以金纳米颗粒（AuNP）水溶液为模型，揭示了界面关键原子与分子的分布及相互作用。

研究流程与方法

1. 样品制备

• 纳米颗粒溶液封装：采用石墨烯（graphene）封装技术，将AuNP水溶液包裹在预锐化的钨（W）针尖上。具体步骤包括：
  
  • 通过化学气相沉积（CVD）合成石墨烯膜，用氨过硫酸盐（APS）溶液蚀刻铜箔基底后转移至去离子水。
    
  • 将AuNP溶液（由氯金酸和柠檬酸钠还原法制备，平均粒径17.3 nm）注入石墨烯液膜，通过微操纵器以0.03 mm/s的速度封装至W针尖（末端半径<50 nm）。
    
• 冷冻固定：封装后的样品在超高压真空（<10⁻¹¹ Torr）和低温（30 K）条件下冷冻，以保持水合状态。
  

2. 电子显微镜验证

• 扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）：确认石墨烯封装后的AuNP分散性及针尖几何形状（图2a-b）。TEM显示柠檬酸钠层（Na₃C₆H₅O₇）稳定了AuNP的悬浮状态，并通过倾斜成像观察到二十面体AuNP的孪晶界（图2d）。
  

3. 原子探针断层扫描（APT）成像

• 实验参数：采用激光脉冲模式（125 kHz，30–60 pJ脉冲能量），通过场蒸发逐层剥离原子/分子，记录飞行时间质谱（TOF-MS）和离子三维位置。
  
• 数据分析：使用IVAS 3.8软件重构三维化学分布图，区分Au⁺、H₂O相关离子（O⁺、OH⁺、H₂O⁺）及柠檬酸钠层离子（Na⁺、CO⁺、COO⁺）。
  

主要结果

1. 界面化学分布：

   • AuNP区域：重构出局部高密度Au⁺离子团（图3c），代表单个AuNP的部分结构。
     
   • 水-金界面：检测到柠檬酸钠层（Na⁺和含C离子富集），厚度约0.8–1 nm（图4b），证实其通过Au⁺-COO⁻/Na⁺键与AuNP表面结合。
     
   • 水分子分布：H₂O相关离子（O⁺、OH⁺、H₂O⁺）占主导，验证了石墨烯封装对水合状态的保护（图3a-b）。
     

2. 技术突破：

   • 石墨烯封装解决了APT样品制备中液体脱水的难题，首次实现液态环境下纳米颗粒的原子级成像。
     
   • 质量谱峰干扰排除：通过空间分布分析区分Na⁺与CO₂H₂²⁺（同为23 Da），如Na⁺仅富集于AuNP表面（图S4）。
     

结论与意义

本研究开发了一种基于石墨烯封装的APT样品制备方法，首次揭示了水-金纳米颗粒界面的原子级化学成分与结构。科学价值包括：
1. 方法学创新：为液态环境下纳米材料界面研究提供了新工具，可拓展至电极-电解质界面、生物分子溶液等体系。
2. 应用潜力：对理解锂离子电池中AuNP阳极的界面反应机制具有指导意义。

研究亮点

1. 技术首创性：首次实现液体-纳米颗粒界面的APT直接成像，分辨率达近原子级。
   
2. 跨学科融合：结合石墨烯封装、冷冻技术与APT，解决了传统表征手段的局限性。
   
3. 结果可靠性：通过TEM/SEM验证样品完整性，并通过质谱空间分布排除干扰信号。
   

其他价值

• 支持数据公开（DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c05504），包含实验设置、质谱峰归属及重复实验结果（图S5）。
  
• 为后续研究液态环境中的生物大分子（如蛋白质）界面行为提供了技术参考。
  

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程及核心发现，符合学术报告要求。）