▎導(dǎo)讀

熒光微球是一種具有熒光性質(zhì)的微小顆粒，按照尺寸大小可以分為納米級和微米級熒光微球。熒光微球由于靈敏度高，發(fā)光性好，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于生物體外醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測、分子探針、熒光標(biāo)記等方面。但是，優(yōu)異的熒光微球的制備方法依然有很多不足之處。因此，探索良好的制備工藝對提高熒光微球的應(yīng)用具有重大意義。近日，浙江大學(xué)喬旭升課題組在《發(fā)光學(xué)報(bào)》發(fā)表了題為“溶脹法制備熒光微球研究進(jìn)展”的綜述文章，第一作者是碩士研究生陳紅建。

文章綜述了利用溶脹法制備熒光微球的最新研究進(jìn)展，詳細(xì)闡述了溶脹法制備熒光微球的基本原理和具體步驟。進(jìn)一步地，文章綜述了在溶脹過程中影響微球性能的多種常見因素，如聚合物基質(zhì)的選擇、熒光物質(zhì)的種類與性質(zhì)、以及溶脹劑的種類等。在此基礎(chǔ)上，文章總結(jié)了通過溶脹法調(diào)控和優(yōu)化熒光微球的多種改進(jìn)策略，并對溶脹法制備熒光微球的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

▎引言

熒光微球具有相對穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)光行為，具有可控粒徑和多種熒光信號的特點(diǎn)。與純熒光化合物相比，它們不容易受外部條件影響，因此成為免疫分析檢測的重要手段。然而，由于制備方法復(fù)雜且困難，熒光微球的應(yīng)用受到了很大限制。因此，探索一種優(yōu)異的制備方法對于推動其在免疫檢測方面的應(yīng)用具有重要意義。常見的制備熒光微球的方法有很多種，比如鍵合法、自組裝法、聚合法和共聚法等。傳統(tǒng)的鍵合法雖然可以提高微球的穩(wěn)定性，但易造成微球的粘連、單分散性較差以及包埋量下降等問題。共聚法雖然可以拓展微球的功能化，但需要找到合適的單體進(jìn)行共聚，反應(yīng)條件嚴(yán)格，且形貌難以調(diào)控。與上述幾種方法相比，溶脹法作為一種簡單、適用范圍廣、靈活且可控性強(qiáng)的制備方法，引起了廣大研究者的關(guān)注。在制備熒光微球的過程中，溶脹法不需要復(fù)雜的操作過程，通過調(diào)控溶脹基本參數(shù)和優(yōu)化溶脹工藝，可以改進(jìn)熒光微球的形貌、結(jié)構(gòu)和發(fā)光強(qiáng)度等，進(jìn)而得到具有理想性能的熒光微球。

▎溶脹法基本原理

溶脹是指高分子聚合物在溶劑中發(fā)生膨脹的現(xiàn)象。由于大多數(shù)的聚合物內(nèi)部都含有一定的空隙，因此它們并非完全致密。聚合物微球的溶脹是一個(gè)動態(tài)平衡的過程，溶劑分子通過擴(kuò)散進(jìn)入聚合物的孔隙結(jié)構(gòu)中。隨著溶劑分子的不斷擴(kuò)散，聚合物的孔隙逐漸變大，體積也隨之發(fā)生膨脹?；谏鲜龅娜苊洐C(jī)理，我們可以設(shè)計(jì)出溶脹法的基本流程，如圖1所示。首先，需要將熒光物質(zhì)溶解在溶脹劑中；然后，將完全溶解后的熒光物質(zhì)加入已經(jīng)制備好的微球懸浮液中，進(jìn)行溶脹處理；接著，對熒光微球進(jìn)行多次洗滌，以除去溶脹劑和其它有機(jī)溶劑；由于在溶脹過程中，熒光物質(zhì)被引入到微球內(nèi)部，而不僅僅是附著在微球表面，同時(shí)微球內(nèi)部的高分子鏈被溶劑分子滲透，導(dǎo)致微球內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成一種更為松散的狀態(tài)，從而使得熒光物質(zhì)被有效地包裹在微球內(nèi)部，大大降低了從微球表面脫落的可能性。

圖1：溶脹法制備熒光微球過程

▎影響溶脹法基本參數(shù)的因素

（1）聚合物基質(zhì)。微球的基質(zhì)決定了其不同的結(jié)構(gòu)類型，而特定的結(jié)構(gòu)對溶脹行為有很大的影響。在溶脹過程中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松的微球可以容納更多的發(fā)光物質(zhì)摻雜進(jìn)去，因此有必要對微球基質(zhì)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

（2）熒光物質(zhì)。熒光染料的特性會對溶脹過程產(chǎn)生影響。研究者們通過調(diào)控?zé)晒馕镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)，可以有效地提高熒光物質(zhì)在溶脹過程中的擴(kuò)散效率。

（3）溶脹劑。在溶脹過程中，需要考慮溶脹劑的溶解性、相容性、揮發(fā)性和使用量等因素。同時(shí)，溶脹劑必須對發(fā)光物質(zhì)有良好的溶解度。過量的溶脹劑會導(dǎo)致微球表面軟化，從而喪失表面功能，影響微球的穩(wěn)定性和孔徑大小。

（4）溶脹時(shí)間。溶脹時(shí)間過長會導(dǎo)致高度活化的聚合物鏈在溶脹過程中自由移動，對微球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞。同時(shí)，長時(shí)間的溶脹還可能導(dǎo)致少部分溶劑蒸發(fā)，從而影響發(fā)光強(qiáng)度。

（5）溶脹溫度。溫度會影響微球的單分散性和形態(tài)，進(jìn)而對微球的熒光性能產(chǎn)生影響。在溶脹過程中，溫度的控制對于保持微球的單分散性和防止微球變形至關(guān)重要。如果溶脹溫度過高，可能會導(dǎo)致微球過度膨脹，使微球表面軟化并彼此共混，從而引起微球的破裂或變形。相反，如果溶脹溫度過低，可能會導(dǎo)致微球無法充分膨脹，從而影響微球的形成和最終的熒光性能。

▎溶脹法優(yōu)化策略

（1）溶脹-蒸發(fā)法。這是一種應(yīng)用較為廣泛的優(yōu)化策略。在去除溶脹劑的過程中，通過精確控制蒸發(fā)條件，可以促使聚合物網(wǎng)絡(luò)發(fā)生收縮。在溶脹過程中，隨著溶劑的蒸發(fā)，溶液中的熒光物質(zhì)濃度會升高?；跐舛炔钤?，熒光物質(zhì)更容易擴(kuò)散并遷移到微球內(nèi)部。

（2）溶脹-收縮法。這種方法對溶劑的選擇要求比較嚴(yán)格。在溶劑蒸發(fā)或被移除的過程中，利用溶劑相似相溶的原理，原本溶脹的高分子聚合物會發(fā)生收縮，從而達(dá)到預(yù)期的溶脹效果。與溶脹-蒸發(fā)法相比，采用溶脹-收縮法的聚合物微球會表現(xiàn)出更為明顯的收縮過程。

（3）優(yōu)化微球結(jié)構(gòu)。在溶脹過程中，可以通過加入交聯(lián)劑、表面活性劑等來改變微球的結(jié)構(gòu)，從而提高溶脹效率。研究表明，交聯(lián)微球可以有效地防止熒光物質(zhì)的聚集，進(jìn)而優(yōu)化微球的熒光性能。

圖2：溶脹法優(yōu)化策略

▎結(jié)論與展望

溶脹法作為制備熒光微球的一種重要手段，其優(yōu)勢在于操作簡單、可控性強(qiáng)、擴(kuò)展性好。通過調(diào)整溶脹法的反應(yīng)條件和聚合物基質(zhì)的不同比例，可以獲得具有不同性能的微球。這些制備出的微球不僅具有較高的熒光強(qiáng)度和穩(wěn)定性，還可以通過表面修飾實(shí)現(xiàn)功能化，廣泛應(yīng)用于載藥、免疫分析等領(lǐng)域。

盡管研究者們在溶脹策略上已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，但溶脹法仍存在諸多不足，未來可從以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入研究：

(1)調(diào)整微球內(nèi)部熒光物質(zhì)的分布。通過優(yōu)化溶脹操作或加入交聯(lián)劑等手段，使熒光物質(zhì)在微球內(nèi)部實(shí)現(xiàn)更均勻的分布。同時(shí)，需要對溶脹過程中的擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，以進(jìn)一步優(yōu)化微球的結(jié)構(gòu)。

(2)選取新型的溶脹劑。目前常用的溶脹劑大多為有機(jī)溶劑，這些溶劑可能對環(huán)境造成污染，并存在一定的安全隱患。因此，在保證溶脹效果的同時(shí)，開發(fā)一種環(huán)境友好型的溶脹劑是未來發(fā)展的必然趨勢。

(3)探索新的材料組合。溶脹法大多以有機(jī)聚合物為基質(zhì)，而對于其他無機(jī)材料與有機(jī)材料結(jié)合制備熒光微球的應(yīng)用尚不廣泛。未來可以探索更多元化的材料組合，以制備出性能更優(yōu)異的熒光微球。

(4)設(shè)計(jì)新的溶脹策略。當(dāng)前大部分溶脹策略主要側(cè)重于擴(kuò)大濃度差以提高微球的發(fā)光強(qiáng)度。未來，可以從其他角度探索新的溶脹策略，進(jìn)一步優(yōu)化溶脹法工藝，制備出性能更加卓越的熒光微球。

▎論文信息

陳紅建,袁玉文,凌世生,陳東,喬旭升*,董余兵,樊先平。溶脹法制備熒光微球研究進(jìn)展[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2024,45(07):1058-1067. DOI：10.37188/CJL.20240079.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20240079/