熒光聚合物顆粒的合成研究進展*

鄭穎芳，常博，孫曉麗

（福建師范大學環境與資源學院 碳中和現代產業學院，福建 福州 350117）

0 引言

聚合物顆粒因尺寸小、比表面積大、生物相容性好以及性能可調等優點在光子學、電子學、傳感器、催化、藥物遞送、涂層等領域有著廣泛應用，引起了人們的極大興趣[1-5]。將熒光功能與聚合物顆粒相結合制備熒光聚合物顆粒[6]，使其在具有聚合物納米顆粒優異性能的同時有光穩定性等優點而在生物成像、疾病診斷和治療、化學檢測、傳感器等領域具有重要的應用價值[7-10]。熒光功能的引入可以通過物理方法或化學方法[11,12]，常用的物理方法例如通過納米沉淀將熒光成分封裝到聚合物顆粒中。通過非均相聚合或自組裝的方法將熒光基元引入可聚合單體屬于化學方法可實現尺寸、形貌、表面性能的可控合成[13,14]。本文主要介紹了制備熒光聚合物納米顆粒的化學方法及其在生物醫學、防偽以及傳感領域的應用，包括乳液聚合、沉淀聚合、分散聚合、懸浮聚合以及自組裝法。

1 熒光聚合物顆粒的制備方法

1.1 非均相聚合

1.1.1 乳液聚合

乳液聚合是單體借助乳化劑和機械攪拌，使單體分散在水中形成乳液，再加入引發劑引發單體聚合。Mahdavian[15]和同事合成了新型的熒光單體7-羥基香豆素，并與甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚，通過半連續乳液聚合制備了熒光聚合物納米顆粒，如圖1，可通過環氧基團與羥基反應實現對纖維素紙張的化學修飾，賦予紙張發光功能。Zhang[16]等人在苯乙烯和丙烯酸半連續乳液共聚中引入帶有咔唑發光基元的功能單體，構建了咔唑基共聚物乳液和薄膜（如圖2），利用咔唑基團對鐵離子的高選擇性和靈敏度，當鐵離子存在時，共聚物薄膜遇鐵離子發生熒光增強，從而實現對鐵離子的檢測。

圖1 7-AC的合成、與MMA和GMA的共聚以及制備的環氧功能化熒光納米顆粒對纖維素的改性示意圖[15]

圖2 咔唑修飾苯乙烯-丙烯酸共聚物乳膠的合成圖[16]

和其他乳液聚合方法相比，微乳液聚合是熱力學穩定體系，不會發生聚結，即使經受超離心也能回到穩定體系，是一種高效穩定的聚合方法。Zhong[17]等人通過一鍋微乳液聚合制備了基于熒光共振能量轉移的光開關型紅色熒光聚合物納米顆粒，將10-(二乙胺)-5-氧-5H-苯并[a]苯惡嗪-2-甲基丙烯酸酯（給體）和螺吡喃-甲基丙烯酸酯(受體)引入聚甲基丙烯酸甲酯基的納米顆粒中，得到了平均粒徑為80 nm的納米顆粒。

光開關型熒光納米顆粒在紫外光和可見光交替照射下表現出可逆的熒光光開關特性，通過利用光致變色分子（如螺吡喃）來切換熒光。Tian Yong[18]等人將具有高量子產率的紅色熒光染料TBPDI作為給體和具有熱穩定性的光致變色二芳基乙烯衍生物作為受體通過微乳液聚合制備了具有高熱穩定性的光開關紅色熒光聚合物納米顆粒，解決了傳統光開關熒光納米材料在紅色熒光量子產率方面的限制。如圖3，Cao[19]等人采用微乳液聚合方法將氧化鐵（Fe3O4）和尼羅紅（Nile Red）熒光染料封裝在聚合物中，制備了磁性-熒光雙功能納米顆粒，顆粒粒徑為330 nm。在另一項工作中，其研究團隊采用核-殼策略來控制聚合物納米粒子的動態熒光[20]，通過四苯基乙烯單體的微乳液聚合和螺吡喃單體的種子乳液聚合制備了核殼聚合物粒子，通過在核心部分引入剛性基質和熒光基團，以及在殼層部分引入可光致變色的軟性基質實現對聚合物納米顆粒動態熒光行為的精細和獨立調控。調節紫外光照射時間和強度可以實現聚合物納米顆粒的熒光顏色從藍色到紅色的變化，在警告標簽和快速響應編碼加密方面具有應用潛力。

圖3 磁熒光雙功能P/Fe3O4/Nile Red NPs的制備及應用示意圖[19]

綜上所述，乳液聚合在制備熒光聚合物顆粒方面具有條件溫和、使用單體廣泛、可等優勢，可以通過選擇功能性單體或乳化劑便捷地引入功能單元（例如溫度敏感單元、光開關等）實現納米顆粒功能化，進一步拓展納米顆粒的應用。

1.1.2 沉淀聚合

沉淀聚合是由Stover[21]等人在1993年提出的無需任何表面活性劑與穩定劑制備單分散微球的聚合方法。沉淀聚合開始于單體、引發劑和溶劑混合均勻的稀釋溶液中，得到的聚合物因不溶于反應體系而沉淀形成尺寸均勻的聚合物顆粒[22]。

Hoji[23]等人利用沉淀聚合，合成了3種硼二吡啶甲基(BODIPY)單體，并將其與MAA和不同的交聯劑共聚，得到了高分散性的熒光納米顆粒。以BODIPY為基礎的聚合物在水溶液中較單體可表現出更強的熒光，可以解決疏水性BODIPY染料在水性生物醫學介質中應用的限制。

Yang[24]等人提出了自穩定沉淀(2SP)聚合的方法，烯烴化合物與馬來酸酐(MAH)或其衍生物交替共聚，顯示出具有明確尺寸的聚合物納米粒子的成核和生長。在另一項工作中，其團隊還采用2SP方法成功制備了尺寸均勻的聚(苯并噻吩-alt-馬來酸酐)(PBTMA)微球[25]。并對PBTMA形貌、粒徑和分子量進行了系統研究，發現了PBTMA具有良好溶解性、熱穩定性和熒光性能。

Wang[26]等人通過在沉淀聚合中引入熒光單體來研究沉淀聚合的機制。如圖4，利用乙烯基改性的4-乙烯基芐基改性四苯乙烯、苯乙烯和馬來酸酐的共聚反應，基于聚集誘導發光特性開發了熒光自報告方法，實時敏感地監測聚合物熒光粒子的生成，以揭示自穩定的沉淀聚合過程，同時這些顆粒具有生物標記和光敏作用，可用于光控免疫治療等生物醫學應用。

圖4 以AIE活性TPE-VBC、苯乙烯和馬來酸酐為單體，在偶氮二異丁腈引發下，于60 ℃的氮氣氣氛下在醋酸異戊酯中進行沉淀聚合，并在日光和紫外光下進行不同時間的監測[26]

Akkoc[27]等人通過Suzuki偶聯反應合成了4-(1-芘基)-苯乙烯單體，并以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，通過一步法合成了芘基聚合物顆粒。緊密的交聯結構增強了芘單元之間的π-π相互作用，微球在很低的濃度下也表現出很高的熒光活性，可作為化學傳感器檢測硝基芳香族化合物。

綜上所述，沉淀法聚合是制備均勻聚合物顆粒的有力工具，其體系簡單、操作方便，易調控。其中，自穩定沉淀聚合是近年來研究較多的方法，其合成的聚合物熒光顆粒在化學/生物傳感器、藥物傳遞、催化劑載體等領域具有廣泛的應用潛力。但沉淀聚合對單體和溶劑的選擇具有一定的局限性，進一步擴展沉淀聚合的應用范圍將是未來需關注的研究重點。

1.1.3 分散聚合

與其他聚合方法相比，分散聚合是制備粒徑微小且單分散性較好的聚合物顆粒的有效方法。Tian[28]等人采用RAFT介導的水相分散聚合合成了雙功能聚合物納米顆粒。設計合成了含近紅外熒光染料aza-BODIPY的單體和含疏水藥物紫杉醇的前藥單體，通過RAFT介導的水相分散聚合反應，在聚合物納米顆粒中實現了近紅外熒光成像和藥物控釋雙功能化。

共軛聚合物納米顆粒具有優異的發光性能。Kuehne[29]等人報道了通過Sonogashira分散聚合合成了一種可生物降解的基于咪唑單元高熒光共軛聚合物納米顆粒，尺寸在210～250 nm，顯示紅色熒光可用于生物醫學成像。在另一項工作中，Kuehne[30]等人通過種子分散聚合和普通分散聚合制備了單分散的核-殼和核-殼-殼粒子，通過交叉偶聯反應進行批量分散聚合，通過精確控制相界面實現對共軛聚合物顆粒光學性能的精細調控，合成單個白光發射顆粒。

綜上所述，分散聚合一般適用于制備100 nm至微米尺度的單分散粒子?？梢詫⑿戮酆戏椒ú粩嘁敕稚⒕酆象w系，例如RAFT介導分散聚合、交叉偶聯聚合等，以豐富分散聚合制備熒光顆粒的種類和性能，還可通過聚合條件調控實現熒光顆粒的形貌結構調控以擴展其在光電子器件、生物學成像和光學傳感器等領域的應用。

1.1.4 懸浮聚合

懸浮聚合適合生產較大的聚合物顆粒，顆粒尺寸在微米級范圍內[31]。Maldarelli[32]等人采用懸浮聚合法制備了黃色和紅色量子點嵌入的聚合物微球，合成了一種直徑約為50 μm的條形碼聚苯乙烯微球。圖5是QDs編碼微珠的制備方法，通過交聯固定QDs可以有效地減少聚集和能量轉移現象，提高了光譜編碼標記的準確性和可識別性。Amininasab[33]等人以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯劑，肌酐為模板分子，通過懸浮聚合將甲基丙烯酸單體接枝在甲基丙烯酸酯功能化的Ag2S量子點表面，制備出核-殼結構的Ag2S@MIP熒光納米顆粒，不僅具有良好的熒光性能，對肌酐也具有較高的吸附容量。

圖5 量子點編碼微珠的制備方法

除生物醫藥領域外，通過反相懸浮聚合制備的熒光聚合物顆粒還能應用于油田領域。Yang[34]等人用反相懸浮聚合法合成了熒光聚合物微球P(AMBA-RhB)。通過可視化微模型和填砂管實驗，發現熒光聚合物微球可以直接或通過變形穿過多孔介質并進入深層地層，并堵塞高滲透通道，實現儲層的調控。

綜上，懸浮聚合適用于制備微米級聚合物顆粒，量子點的引入會提升熒光聚合物顆粒的光學特性，可應用于生物醫藥或油田領域。

1.2 自組裝

自組裝是由分子自發組裝形成的微納米尺寸的有序結構。近年來，由兩親性聚合物自組裝形成的熒光聚合物顆粒因形貌多樣和易調控引起了人們的廣泛關注[35]。Chang[36]等人合成了烯烴脂肪族AB2單體(π-AB2)并制備了非常規熒光超支化聚合物(π-HBPs)。用動態光散射法研究了非常規熒光超支化聚合物在水溶液中的自組裝過程，得到了直徑約9.1 nm的納米顆粒，相比傳統的熒光材料具有更好的生物相容性和熒光性能，且熒光性質和分子結構關系密切。如圖6，Yu[37]等人利用自組裝技術，將卟啉分子與殼聚糖相結合，形成了卟啉/殼聚糖納米顆粒，該納米顆粒具有抗菌治療和光熱效應的特性，能夠顯著促進創面愈合，為開發新型的創面治療方法提供了思路。

圖6 MCC/CS NPs的制備及其抗菌應用示意圖

但是，在傳統的自組裝技術中得到的聚合物顆粒濃度通常都非常低（＜0.1%），大大限制了其應用。聚合誘導自組裝（PISA）是近十年來發展起來的自組裝技術，使聚合和自組裝同時進行，操作簡單，可獲得固含量高、形貌多樣的納米材料，PISA的方法還能合成與染料結合的熒光聚合物顆粒。孫曉麗等人[38]合成了含硼酸單體（VPBA）并利用RAFT的PISA方法制備了發光納米顆粒，可應用于果糖傳感器。Lin[39]等人通過PISA過程中的PET（光誘導電子轉移）過程來增強羅丹明6G（R6G）的熒光發射，解決了R6G的自猝滅和光漂白問題的同時，還提高了其在各種應用中的性能。Zhou[40]等人用PISA的方法，將偶氮苯基團引入到聚合物顆粒中，制備聚合物納米載藥載體，并且成功地在聚合物顆粒中原位加載了阿霉素（DOX）。

將甲基丙烯酸丁酯和TPE-偶氮苯衍生甲基丙烯酸酯(TPE-AZO-MA)單體通過RAFT聚合，在1,4-二氧六環/水混合物中合成了一系列的PISA納米顆粒。由于偶氮苯基團在光照射下具有可逆的順反異構化作用，偶氮苯衍生物具有獨特的光響應特性，此研究利用TPE-azobenzene作為熒光探針，對低氧微環境進行敏感檢測。這種熒光探針具有AIE特性，具有高亮度和生物相容性。因為偶氮苯基團的光響應特性，在另一項工作中，Zhou[41]等人基于PISA法，將近紅外Aza-BODIPY熒光基團和偶氮苯基團連接，合成了低氧響應的近紅外熒光納米探針，將合成的納米顆粒通過透析去除有機溶劑，在模擬結腸環境中研究其還原響應行為，實現了藥物釋放和細胞成像的同步。

Stevens[42]等人通過微升規模(10 μL) 的PISA合成熒光酶封裝的聚合體作為人工細胞器用于光遺傳學調控心肌細胞的跳動，合成規?？s小，擴大了可包裝的酶的范圍，降低了成本。

Xiang[43]等人報道了一種基于pH誘導自組裝策略的腫瘤成像聚集誘導發光（AIE）探針，如圖7所示，當腫瘤微環境呈弱酸性時，探針會發生原位自組裝，聚合物的馬來酸酰胺結構會水解生成帶有質子化氨基團的陽離子聚合物，進而與TPE-2SO3-通過靜電相互作用發生進一步的組裝，TPE-2SO3-從分子分散態轉變為聚集態，熒光明顯增強，實現了對腫瘤的高效成像。

圖7 PEG-b-PAMA-DMMA的合成路線及熒光探針原位自組裝過程示意圖[43]

綜上所述，溶液自組裝和PISA方法可以合成多種形貌和功能的熒光聚合物顆粒，PISA方法可以實現高固含量熒光聚合物顆粒的一步法制備，其在腫瘤診斷、手術導航和治療監測等方面具有廣泛的應用。

2 熒光聚合物顆粒的應用

熒光聚合物納米顆粒因其顆粒尺寸小、合成簡單且具有優良的生物相容性和低細胞毒性等優勢，被廣泛用于生物成像、疾病治療、藥物釋放等生物醫學領域。通過對聚合物納米顆粒進行封裝與修飾，還可將其應用到防偽和傳感檢測等領域。

2.1 生物醫學

Korpusik[44]等人報道了由玫瑰紅甲基丙烯酸酯介導的光引發聚合誘導自組裝，在一個反應體系中可重復地構建納米顆粒，用于光動力療法（PDT）。通過可聚合甲基丙烯酸酯部分將玫瑰紅(RB)共價結合到納米結構中，從而實現定量和受控負載。用DNA適體對負載RB的納米載體進行PISA后修飾，增強了納米顆粒對腫瘤細胞的選擇性靶向作用，提高了細胞攝取效率，體外實驗證明，制備的納米顆粒在生物介質中具有良好的穩定性和光毒性表現，顯示出作為PDT治療劑的潛力。

Hu[45]等人合成了氨基功能化的AIE聚合物納米顆粒（AIE-PNP），通過點擊反應，用馬來酰亞胺基團和HIV-1 Tat肽進一步修飾AIE-PNP的表面，肽修飾的AIE-PNPs在連續光照射或不同pH值下表現出良好的光穩定性和膠體穩定性，以及在水介質中良好的儲存穩定性。HIV-1 Tat肽的表面修飾提高了AIEPNP的細胞攝取效率，在相對較低的AIE-PNP濃度下實現了良好的細胞熒光成像質量，在生物成像領域具有廣泛的應用潛力。

Zhao[46]等人合成了帶有百草枯側鏈單元和四苯乙烯（TPE）基團的聚苯乙烯，通過與水溶性芳烴/百草枯在水中的識別來制備兩親性聚擬輪烷PR5和PR6，它們在水中自組裝成超分子聚合物囊泡，并進一步將其用于控制藥物DOX釋放。由于TPE部分的疏水性和AIE效應，自組裝的超分子聚合物囊泡最初具有高熒光性。當DOX被封裝在PR5/PR6中時，來自TPE部分和DOX分子的熒光在聚集狀態下通過福斯特共振能量轉移而被淬滅。通過降低溶液pH值，可以破壞聚合物囊泡并釋放負載的 DOX分子。該研究為開發新型的藥物傳遞系統、生物傳感器和功能材料提供了潛在的應用基礎。

2.2 防偽

聚合物熒光顆粒在信息加密和光學防偽領域也具有重要的應用。Abdollahi[47]等人開發了基于新型惡唑烷衍生物功能化的高熒光聚合物納米顆粒的環保型多色光致發光防偽油墨，將防偽墨水印刷成不同的標記，包括二維碼、學校標志等，這些標記都可以根據聚合物納米顆粒的極性而呈現出高強度的熒光發射顏色，如紅紫色、紅粉紅色、橙色。在另一項工作中，Abdollahi[48]還制備了基于胺功能化顆粒的唑烷改性多色光致發光顆粒。將所制備的光致發光聚合物顆粒制成高熒光粉末，可用于在纖維素紙上印刷編碼標簽，印刷編碼安全標簽具有不同顏色的最大亮度和分辨率。合成的發光聚合物粉末可通過粉末噴粉和智能手機攝像頭在紫外線照射（365 nm）下進行熒光成像，以快速、輕松地實現潛在指紋的可視化。這項研究為犯罪現場的指紋檢測提供了一種可靠的方法，同時也為信息加密和防偽技術提供了新的思路和方法。

Chen[17]等人合成了光開關紅色熒光聚合物納米顆粒，與聚甲基丙烯酸甲酯/聚丙烯酸甲酯在氯仿中混合，制備刺激響應油墨，將油墨涂在凹版模具上，制成玻璃片上的?；?。在可見光(625 nm)照射下，徽章發出強烈的紅色熒光，而在365 nmUV光照射下，可以觀察到完全淬滅的熒光(圖8A)。所制備的刺激反應標記具有顯著的可逆性。同樣，徽章顏色在粉色和灰色之間的可逆變化也可以很容易地被觀察到。沒有STPMA單元(NP-1)的樣品在紫外線照射下發出穩定的紅色熒光，而有STPMA單元(NP-4)的樣品在相同條件下淬滅。因此，用這兩種納米顆粒分別制備了光惰性(NP-1)和光開關(NP-4)玻璃條(分別標為A和B)進行防偽演示。如圖9所示，用A和B條制作的阿拉伯數字“8888”可以很容易地替換成“2019”。在此基礎上，利用玻璃條的圖案對信息進行了調整，并分別采用紫外和可見光作為編碼和譯碼方法，在自然光下也可以觀察到類似的結果。獲得的具有優良光開關特性的刺激響應膜在先進防偽技術中具有良好的防偽性能。

圖8 PMMA/PMA 介質中 PRFPN 的可逆熒光圖像作為防偽模擬[17]

圖9 以UV（20 s）為解鎖劑、Vis為鎖定劑的PRFPNs防偽應用模型[17]

2.3 傳感

熒光聚合物顆?？梢杂糜诮饘匐x子傳感。Mahdavian[49]等人通過半連續乳液聚合制備了負載羅丹明B乙二胺丙烯酸酯的熒光聚合物納米顆粒，添加Fe2+和Fe3+后，聚合物納米顆粒水分散體的顏色立即發生明顯變化（從紫色變為紅粉色），熒光發射強度分別增加高達2倍和2.2倍。

Zhang[16]等人通過乳液聚合制備含咔唑熒光聚合物納米粒子。其研究結果表明，水介質中微量Fe3+可以選擇性猝滅含咔唑聚合物納米粒子和薄膜的熒光。聚合物熒光膜和納米顆粒的檢測限分別為1.71×10-6mol/L和1.90 ×10-6mol/L。

熒光聚合物納米顆粒還應用于爆炸物檢測。Cui[50]等人報道了基于TPE部分（二溴取代的 TPE或四溴取代的TPE）和三苯胺部分，通過Suzuki偶聯在細乳液中制備了兩種多孔有機聚合物納米粒子,結果發現，基于二溴取代TPE的納米顆粒和基于四溴取代TPE的納米顆粒對爆炸物的熒光傳感特性對水介質中的TNP表現出靈敏和選擇性的檢測。

3 總結與展望

本文綜述了熒光聚合物顆粒制備及其應用的研究進展。目前，熒光聚合物顆粒在生物醫學、防偽、化學傳感、光電器件等領域有著巨大的潛力，關于熒光聚合物顆粒的研究已經取得了顯著的進展，但也還存在很多挑戰。

第一，開發優化制備方法，實現熒光納米顆粒的尺寸、形貌和功能的精確調控。今后的研究可以側重于提高熒光強度、增強穩定性和控制粒徑形貌等方面。同時，可以通過材料改性和表面修飾等手段，賦予熒光聚合物納米顆粒豐富的功能，如靶向性、溫敏性等，以滿足不同應用場景下的需求。

第二，進一步拓展熒光聚合物納米顆粒的應用領域。目前，熒光聚合物納米顆粒已在生物成像、藥物遞送、傳感檢測、防偽等領域展現出了廣闊的應用前景。今后的研究可以探索熒光聚合物納米顆粒在能源材料、食物監測等方面的應用，并深入研究其在這些領域的性能優化和應用效果。

第三，熒光材料的發展應與現有的科學理論和技術相結合，進一步向多元化、高技術、高性能的方向發展。