发光学报 | 溶胀法制备荧光微球研究进展

▎导读

荧光微球是一种具有荧光性质的微小颗粒，按照尺寸大小可以分为纳米级和微米级荧光微球。荧光微球由于灵敏度高，发光性好，稳定性强等特点被广泛应用于生物体外医疗检测、环境监测、分子探针、荧光标记等方面。但是，优异的荧光微球的制备方法依然有很多不足之处。因此，探索良好的制备工艺对提高荧光微球的应用具有重大意义。近日，浙江大学乔旭升课题组在《发光学报》发表了题为“溶胀法制备荧光微球研究进展”的综述文章，第一作者是硕士研究生陈红建。

文章综述了利用溶胀法制备荧光微球的最新研究进展，详细阐述了溶胀法制备荧光微球的基本原理和具体步骤。进一步地，文章综述了在溶胀过程中影响微球性能的多种常见因素，如聚合物基质的选择、荧光物质的种类与性质、以及溶胀剂的种类等。在此基础上，文章总结了通过溶胀法调控和优化荧光微球的多种改进策略，并对溶胀法制备荧光微球的应用前景进行了展望。

▎引言

荧光微球具有相对稳定的形态结构和发光行为，具有可控粒径和多种荧光信号的特点。与纯荧光化合物相比，它们不容易受外部条件影响，因此成为免疫分析检测的重要手段。然而，由于制备方法复杂且困难，荧光微球的应用受到了很大限制。因此，探索一种优异的制备方法对于推动其在免疫检测方面的应用具有重要意义。常见的制备荧光微球的方法有很多种，比如键合法、自组装法、聚合法和共聚法等。传统的键合法虽然可以提高微球的稳定性，但易造成微球的粘连、单分散性较差以及包埋量下降等问题。共聚法虽然可以拓展微球的功能化，但需要找到合适的单体进行共聚，反应条件严格，且形貌难以调控。与上述几种方法相比，溶胀法作为一种简单、适用范围广、灵活且可控性强的制备方法，引起了广大研究者的关注。在制备荧光微球的过程中，溶胀法不需要复杂的操作过程，通过调控溶胀基本参数和优化溶胀工艺，可以改进荧光微球的形貌、结构和发光强度等，进而得到具有理想性能的荧光微球。

▎溶胀法基本原理

溶胀是指高分子聚合物在溶剂中发生膨胀的现象。由于大多数的聚合物内部都含有一定的空隙，因此它们并非完全致密。聚合物微球的溶胀是一个动态平衡的过程，溶剂分子通过扩散进入聚合物的孔隙结构中。随着溶剂分子的不断扩散，聚合物的孔隙逐渐变大，体积也随之发生膨胀。基于上述的溶胀机理，我们可以设计出溶胀法的基本流程，如图1所示。首先，需要将荧光物质溶解在溶胀剂中；然后，将完全溶解后的荧光物质加入已经制备好的微球悬浮液中，进行溶胀处理；接着，对荧光微球进行多次洗涤，以除去溶胀剂和其它有机溶剂；由于在溶胀过程中，荧光物质被引入到微球内部，而不仅仅是附着在微球表面，同时微球内部的高分子链被溶剂分子渗透，导致微球内部结构发生变化，形成一种更为松散的状态，从而使得荧光物质被有效地包裹在微球内部，大大降低了从微球表面脱落的可能性。

图1：溶胀法制备荧光微球过程

▎影响溶胀法基本参数的因素

（1）聚合物基质。微球的基质决定了其不同的结构类型，而特定的结构对溶胀行为有很大的影响。在溶胀过程中，内部结构疏松的微球可以容纳更多的发光物质掺杂进去，因此有必要对微球基质进行合理的设计。

（2）荧光物质。荧光染料的特性会对溶胀过程产生影响。研究者们通过调控荧光物质的结构，可以有效地提高荧光物质在溶胀过程中的扩散效率。

（3）溶胀剂。在溶胀过程中，需要考虑溶胀剂的溶解性、相容性、挥发性和使用量等因素。同时，溶胀剂必须对发光物质有良好的溶解度。过量的溶胀剂会导致微球表面软化，从而丧失表面功能，影响微球的稳定性和孔径大小。

（4）溶胀时间。溶胀时间过长会导致高度活化的聚合物链在溶胀过程中自由移动，对微球的内部结构造成破坏。同时，长时间的溶胀还可能导致少部分溶剂蒸发，从而影响发光强度。

（5）溶胀温度。温度会影响微球的单分散性和形态，进而对微球的荧光性能产生影响。在溶胀过程中，温度的控制对于保持微球的单分散性和防止微球变形至关重要。如果溶胀温度过高，可能会导致微球过度膨胀，使微球表面软化并彼此共混，从而引起微球的破裂或变形。相反，如果溶胀温度过低，可能会导致微球无法充分膨胀，从而影响微球的形成和最终的荧光性能。

▎溶胀法优化策略

（1）溶胀-蒸发法。这是一种应用较为广泛的优化策略。在去除溶胀剂的过程中，通过精确控制蒸发条件，可以促使聚合物网络发生收缩。在溶胀过程中，随着溶剂的蒸发，溶液中的荧光物质浓度会升高。基于浓度差原理，荧光物质更容易扩散并迁移到微球内部。

（2）溶胀-收缩法。这种方法对溶剂的选择要求比较严格。在溶剂蒸发或被移除的过程中，利用溶剂相似相溶的原理，原本溶胀的高分子聚合物会发生收缩，从而达到预期的溶胀效果。与溶胀-蒸发法相比，采用溶胀-收缩法的聚合物微球会表现出更为明显的收缩过程。

（3）优化微球结构。在溶胀过程中，可以通过加入交联剂、表面活性剂等来改变微球的结构，从而提高溶胀效率。研究表明，交联微球可以有效地防止荧光物质的聚集，进而优化微球的荧光性能。

图2：溶胀法优化策略

▎结论与展望

溶胀法作为制备荧光微球的一种重要手段，其优势在于操作简单、可控性强、扩展性好。通过调整溶胀法的反应条件和聚合物基质的不同比例，可以获得具有不同性能的微球。这些制备出的微球不仅具有较高的荧光强度和稳定性，还可以通过表面修饰实现功能化，广泛应用于载药、免疫分析等领域。

尽管研究者们在溶胀策略上已经取得了显著的进步，但溶胀法仍存在诸多不足，未来可从以下几个方面继续深入研究：

(1)调整微球内部荧光物质的分布。通过优化溶胀操作或加入交联剂等手段，使荧光物质在微球内部实现更均匀的分布。同时，需要对溶胀过程中的扩散机理进行更深入的研究，以进一步优化微球的结构。

(2)选取新型的溶胀剂。目前常用的溶胀剂大多为有机溶剂，这些溶剂可能对环境造成污染，并存在一定的安全隐患。因此，在保证溶胀效果的同时，开发一种环境友好型的溶胀剂是未来发展的必然趋势。

(3)探索新的材料组合。溶胀法大多以有机聚合物为基质，而对于其他无机材料与有机材料结合制备荧光微球的应用尚不广泛。未来可以探索更多元化的材料组合，以制备出性能更优异的荧光微球。

(4)设计新的溶胀策略。当前大部分溶胀策略主要侧重于扩大浓度差以提高微球的发光强度。未来，可以从其他角度探索新的溶胀策略，进一步优化溶胀法工艺，制备出性能更加卓越的荧光微球。

▎论文信息

陈红建,袁玉文,凌世生,陈东,乔旭升*,董余兵,樊先平。溶胀法制备荧光微球研究进展[J].发光学报,2024,45(07):1058-1067. DOI：10.37188/CJL.20240079.

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