可负载多种荧光染料的微球材料

微球材料由于具有独特的物理化学性质,且表面易于修饰,是有机分子、磁性纳米粒子、量子点、贵金属纳米晶等一系列功能纳米材料的优良载体,近年来备受科研工作者关注,成为当前的研究热点之一。其中,负载有机荧光染料的功能性微球材料更是在检测、传感、成像、生物医学等领域崭露头角。但到目前为止,可控制备尺寸均一,高荧光量子产率的功能性荧光微球仍面临诸多挑战,尤其是负载有多种荧光染料的功能性微球材料仍鲜有报道。能量转移、荧光淬灭等问题也在多种荧光染料的微球体系中如影随形,成为影响其光学性质与实际应用的制约因素。

乔治亚理工学院夏幼南教授领导的研究团队已成功制备了负载氧浓度敏感荧光染料的单分散聚合物微球,而他们最新的研究工作则以制备负载3种功能性荧光染料的单分散聚苯乙烯微球为目标,通过压力、温度等不同的外界条件改变的情况下,微球所负载的对应功能性荧光染料发射峰强度的变化来实现定量检测、监控所处环境的变化,进一步验证了该微球材料在新型可视化光学传感器件等方面所具有的良好应用前景,该研究成果发表在Particle & Particle Systems Characterization

夏幼南教授在接受MaterialsViewsChina网站采访时说:“在负载有多种荧光染料的微球体系中,荧光染料之间常常由于分子间相互作用而使得荧光强度大幅降低,其中不同荧光染料的发射峰和吸收峰发生重叠而造成的能量转移,以及荧光分子过高的局部浓度所造成的荧光自淬灭是产生这一现象的主要原因。因此,选择合适的荧光染料,有效提高染料负载效率及荧光量子产率是本研究中的难点之一。此外,使用合适的反应体系均匀分散所选取的荧光染料,制备尺寸均一的胶体微球是研究中需要解决的另一个关键问题。”

在该项研究中,夏教授的团队采用分散聚合法制备了负载有压力、温度响应性荧光染料及参比染料的单分散功能性聚苯乙烯微球,通过控制不同染料在反应体系中的浓度、引发剂用量、溶剂配比、苯乙烯单体用量及进样速率等一系列反应参数调整、优化产物的形貌、尺寸及光学性质,所得微球的粒径能够在1~5 μm之间进行调控,微球中所负载的3种荧光染料的发射峰清晰可辨且具有良好的荧光强度,能够实时、灵敏地响应压力及温度的变化。这种微球是构建新型传感、成像器件的理想结构单元。

该研究是在乔治亚理工学院夏幼南教授的指导下完成,由博士研究生朱存及博士后邓瑞完成论文的主要工作,博士后曾杰(现为中科大教授),华盛顿大学的Dana Dabiri教授及Gamal E. Khalil博士共同参与了双重响应性聚苯乙烯荧光微球的性能表征及结果讨论。

目前负载多种荧光染料的微球材料在制备方面仍未有通用易行的方法。微球的均一性、荧光染料分子之间的相互作用、染料在微球中的负载效率、荧光量子产率等一系列问题仍有待解决。夏教授表示,在后续的研究中,他们将继续研究多种功能性荧光染料在其他聚合物微球体系中的负载及产物性质,同时尝试将该研究成果推广到无机微球体系中,通过选择合适的溶剂体系,以及提高微球孔隙率提高染料负载率的方法探索更为简便可行的合成方法,制备更多新型的功能性荧光微球材料。

该研究中制备所得的双重响应性聚苯乙烯微球尺寸均一可控,具有清晰可辨的3个荧光发射峰,分别对应微球中所负载的3种有机荧光染料,并且微球所产生的荧光信号主要由其中压力响应性、温度响应性两种染料所贡献,这非常有利于微球在后续压力、温度传感及检测方面的应用。此项目还得到了华盛顿大学航空航天系Dana Dabiri教授课题组的支持与合作,这种新型微球有望应用于空气动力学的可视化研究及实时监测。夏教授期望该项目研究能够起到抛砖引玉的作用,促使更多的功能性微球材料的产生,拓宽其实际应用范围。

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。