1 引 言

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。荧光微球的载体多为有机或者无机材料，在加入不同的荧光物质后，微球颗粒在可见光或者紫外光的激发下发出荧光。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。在生物医学领域，荧光微球可以用作细胞标记剂，通过荧光显微镜或流式细胞仪等观察细胞的运动和分布 。在环境检测方面，具有核壳型结构的SiO₂微球对环境修复和检测具有重要意义。因此，探索优异的荧光微球的制备方法是重中之重。

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、共聚法等。传统的键合法虽然可以提高微球的稳定性，但是易造成微球的粘连、单分散性较差、包埋量下降等问题。共聚法可以提高拓展微球的功能化，但是需要找到合适的单体共聚，反应条件严格，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。溶胀法在制备荧光微球的过程中不需要复杂的操作过程，通过调控溶胀基本参数，优化溶胀工艺，改进荧光微球的形貌、结构、发光强度等，可得到具有理想功能的荧光微球。

2 溶胀法的基本原理

溶胀是指高分子聚合物在溶剂中发生膨胀的现象。大多数的聚合物都不是致密的，内部含有一定的空隙。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孔隙结构。例如，在白球交联聚合物中，随着溶剂分子不断的扩散，聚合物孔隙变大，体积发生膨胀。当聚合物内部孔 隙结构填满时，会达到一个动态平衡 。

结合自由体积理论和分子动力学，解释了溶胀现象的实质是分子扩散的过程。在溶胀开始前，聚合物的高分子链处于蜷缩状；随着溶胀剂对高分子链的作用，高分子链变得松散，微球内部网络中空孔隙变大，分子扩散进入微球内部，微球体积增加，发生溶胀。

基于上述的溶胀机理，可以设计溶胀法基本流程，如图1所示。首先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。接着，对荧光微球多次洗涤除去溶胀剂和其他有机溶剂。由于溶胀过程中，荧光物质被引入到微球内部，而不是仅仅附着在微球表面；并且，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，使荧光物质被包裹在微球内部，减少了从微球表面脱落的可能性。最后，得到荧光微球。

3 溶胀法基本参数的选择

3. 1 基质

微球结构对溶胀行为有很大的影响，不同的聚合物基质决定了微球不同的结构类型。目前，常见微球聚合物基质有PS(聚苯乙烯) 、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯) 、PEG（聚乙二醇）等，具有稳定结构的无机材料SiO2、TiO2 （ 二氧化钛）也可以作为微球基质。

溶胀过程中，内部结构疏松的微球可以使更多的发光物质掺杂进去，因此有必要对微球内部结构进行研究。研究者们发现利用两种特定结构 的单体得到的聚合物微球会优化微球结构，提高溶胀效率。使用LMA(甲基丙烯酸月桂脂)单体与St(苯乙烯)单体进行共聚。LMA 是一种增塑剂，在聚合反应中，LMA 单体插入到聚合物分子链上，使微球的结构变得疏松，使更多的铕配合物进入微球内部。这样的St-LMA 微球与原来的聚苯乙烯微球相比，铕配合物的含量提高了3倍，发光强度大大提升。

对于刚性较高的聚合物基质，高分子链移动较为困难，溶胀性较差，荧光染料不易被微球吸附 ，导致 荧光强度较低。通过制备P（S-BMA）（聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸丁酯）和 PS（聚苯乙烯）两种不同刚性的聚合物微球，掺杂相同量的荧光染料，在刚性较低微球内部检测到更高含量的荧光染料，发光强度更高。表1总结了常见聚合物基质的特点。

3. 2　溶胀剂

溶胀剂是指加溶液中通过溶解或吸附作用，改变微球的密度、孔隙结构等，使微球发生溶胀的物质。溶胀过程中，需要考虑溶胀剂溶解性、相容性、挥发性、使用量等因素，常见的溶胀剂有四氢呋喃、二氯甲烷、丙酮、环己烷等。

溶胀剂在使微球发生溶胀的同时必须对发光物质有良好的溶解度。在制备聚苯乙烯荧光微球时，对于不同体系的氯仿/2-丙醇溶剂和THF(四氢呋喃)溶剂来说，在氯仿/2-丙醇溶液体系中并没有发现染料的掺入，而在THF中发现成功包埋了荧光染料。这表明，在溶胀体系中，微球的溶胀程度和荧光物质在溶胀剂中的溶解度同样重要。并且荧光染料的包埋率并不随着溶胀剂的体积分数增加而增加，在溶胀剂分数达到一定程度后，包埋率反而会下降。

溶胀过程中，如果溶胀剂使用量较少，微球的溶胀程度不足，荧光物质不能有效地扩散进入微球内部。但是，过量使用溶胀剂会对微球性能造成影响，因此，溶胀时需要注意对溶胀剂使用量的控制。 通过溶胀 法制备PS 荧光微球时发现，随着THF的加入量增多，微球粒径呈现先增大后减小的趋势。因为过量的THF 加速了微球的溶解过程，使得单分散性变差，多分散系数变大，导致发光强度降低。表2总结了不同溶胀剂种类的性质及特点。

3.3 荧光物质

       常见的荧光物质有量子点、稀土配合物、有机染料、无机纳米颗粒等。在溶胀时，需要考虑荧光物质的种类、浓度、性质和溶解度等因素。

荧光物质的浓度是影响发光强度的关键因素。对于普通荧光材料来说，浓度较高会引起 ACQ（浓度猝灭效应）。由于荧光染料分子之间的距离较近，发生荧光共振能量转移，导致部分荧光分子失去发光能力。当浓度较低时，发光物质周围可能存在较少的激发光子，导致发光物质吸收光子的机会减少 ，从而影响发 光强度。

也有研究者从聚合物基质入手，将共轭聚合物与微球基质一起聚合作为发光体。将合成的CP(共轭聚合物)与 NR（尼罗红）染料一起与改性的 APGMA（聚甲基丙烯酸缩水甘油酯）微球进行偶联，得到二元掺杂荧光编码微球。这种微球可以有效地避免NR染料与极性溶剂接触，保护荧光染料。

3.4 溶胀时间

在制备荧光微球时，要注意控制溶胀的时间。 有研究表明，微球的过度溶胀导致表面软化，使微球表 面功能丧失，影响微球稳定性和孔径大小。

溶胀过程中若时间过长，高度活化的聚合物链在溶胀过程中自由移动，会对微球的内部结构造成破坏；同时会导致少部分溶剂蒸发，从而影响发光强度。制备羧基化聚苯乙烯荧光微球时发现，溶胀时间过短会由于吸附力度不足，导致只有少量的 Eu(TTA)3phen()能够被微球吸附在表面，洗涤过程中会脱落，导致发光强度降低。

3.5　溶胀温度

溶胀温度是影响溶胀法制备荧光微球的一个重要因素，因为它可以影响微球的单分散性、形态等从而影响微球的荧光性能。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，微球表面将倾向于软化并彼此共混，从而引起微球破裂或者变形。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。

有研究者研究了温度对荧光微球产品性能的影响。建立了基于荧光聚合物微球荧光强度的调剖体系稳定性定量评价方法，并指出在高温范围内，温度对体系的稳定性有很大的影响。温度的升高会增加水分子的扩散性，导致水溶液的粘度降低。同时，可以增大微球的溶胀比和粒径，增强聚合物微球的团聚，微球单分散性变差，降低整个微球体系微球的稳定性。

3.6　表面修饰

 通过在微球表面修饰特定的官能团，可以使微球获得特定的功能。荧光微球常见的表面修饰 官能团有羧基、氨基、磺基、羟基等其他官 能团。在对微球表面进行修饰的同时，要注意观察表面修饰的官能团对 微球的形貌和结构的影响，从而调控微球的发光性能。     

 功能化微球不仅在生物医疗检测方面有很大的应用，而且对荧光微球性能也会有提升。制备对甲苯磺酰基修饰的PS荧光微球，对甲苯磺酰基活化的纳米材料可以提供反应性磺酰基酯，将含有伯氨基或巯基的抗体或其他配体共价连接到纳米材料表面，提高了检测试剂条的反应速率。

 羧基官能团是比较常用的官能团，常用在吸附、生物传感等方面。以 MAA为羧基源， 制备了一系列不同羧基含量的聚苯乙烯荧光微球，发现微球的荧光强度随着羧基含量的增加而 先增加后减小。在微球表面羧基浓度达到6. 94×10⁻⁴ mol/g 时，微球的荧光强度达到最大值。这表明羧基含量的提升可以使铕配合物更容易进入微球内部。但随着羧基含量的持续增加，导致微球 内部空间位阻变大，并且会影响聚合物的构象，影响微球发光强度。

4　溶胀法制备荧光微球 

荧光物质在微球中分布的均匀性对荧光微球的发光强度、稳定性有着重要的影响。 研究表明，对于相同负载量的荧光微球来说， 分布不均匀的荧光染料更容易发生浓度猝灭。调控溶胀过程中的基本参数可以有效地提高荧光强度。但是，并不能有效地优化荧光物质在微球内部的位置分布，从而导致荧光物质的扩散 困难、低荧光物质负载密度以及荧光物质泄漏等问题。因此，在上述基本参数的条件下，可以通过优化溶胀步骤、设计新的策略获得更优异的性能荧光微球。

4.1　溶胀-蒸发

溶胀-蒸发是应用较为广泛的一种优化策略。溶胀-蒸发是指在去除溶胀剂的过程中，通过控制蒸发条件，促使聚合物网络发生收缩，形成具有特定功能的荧光微球。优化溶胀方法，加入了蒸发的步骤，如图2 所示。在溶胀过程中，蒸发使溶液中的量子点浓度升高。基于浓度差原理，量子点更容易扩散迁移到微球内部，提升发光强度。

4.2 溶胀-收缩

溶胀收缩是指在溶剂蒸发或者溶剂被移除的过程中，原本溶胀的高分子聚合物发生收缩的现象。与溶胀-蒸发相比，聚合物微球会表现出较为明显的收缩过程。

一种新的溶胀-收缩策略制备PQDs@PS（钙钛矿量子点复合聚苯乙烯）荧光微球，如图3所示。首先将交联的PS 微球加到甲苯中，促使微球开始溶胀。随后加到θ溶剂环己烷里，整个过程中不需要加热或者通入任何惰性气体即可获得单分散性良好的PQDs@PS 荧光微球。 由于聚合物微球在θ溶剂中，与溶剂亲和力较小，聚合物分子链不容易移动，溶剂不能有效地破坏聚合物结构。因此，聚合物微球可以很好地保护量子点，从而提高PQDs@PS 微球的稳定性和发光强度。

5　总结和展望

溶胀法作为制备荧光微球的一种重要方法，其优势在于操作简单、可控性强、扩展性好。通过调整溶胀法反应条件和聚合物基质的不同比例可以获得不同性能的微球，制备的微球具有较高的荧光强度和稳定性。并且可以通过表面修饰实现功能化，用于载药、免疫分析等领域。

尽管对溶胀策略的研究已经取得了很大的进步，但是，溶胀法仍有许多不足之处，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。通过调整溶胀操作或者加入交联剂等，使荧光物质分布更均匀，同时要对溶胀过程中的扩散机理进行更深入的探讨，优化结构。（2）选取新型的溶胀剂。一般情况下使用的溶胀剂大多数为有机溶剂，这些有机溶胀剂会对环境造成污染，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 是发展的必然要求。（3）探索新的材料组合。溶胀法大部分都是以有机聚合物为基质，对于其他无机材料与有机材料结合制备荧光微球的应用并不多。 （4）设计新的溶胀策略。目前大部分溶胀策 略是扩大浓度差，提高微球的发光强度，还应该从其他方面探索新的溶胀策略，优化溶胀法工艺，制备性能更加优异的荧光微球。

微射流高压均质机

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