荧光聚合物颗粒的合成研究进展*

郑颖芳，常博，孙晓丽

（福建师范大学环境与资源学院 碳中和现代产业学院，福建 福州 350117）

0 引言

聚合物颗粒因尺寸小、比表面积大、生物相容性好以及性能可调等优点在光子学、电子学、传感器、催化、药物递送、涂层等领域有着广泛应用，引起了人们的极大兴趣[1-5]。将荧光功能与聚合物颗粒相结合制备荧光聚合物颗粒[6]，使其在具有聚合物纳米颗粒优异性能的同时有光稳定性等优点而在生物成像、疾病诊断和治疗、化学检测、传感器等领域具有重要的应用价值[7-10]。荧光功能的引入可以通过物理方法或化学方法[11,12]，常用的物理方法例如通过纳米沉淀将荧光成分封装到聚合物颗粒中。通过非均相聚合或自组装的方法将荧光基元引入可聚合单体属于化学方法可实现尺寸、形貌、表面性能的可控合成[13,14]。本文主要介绍了制备荧光聚合物纳米颗粒的化学方法及其在生物医学、防伪以及传感领域的应用，包括乳液聚合、沉淀聚合、分散聚合、悬浮聚合以及自组装法。

1 荧光聚合物颗粒的制备方法

1.1 非均相聚合

1.1.1 乳液聚合

乳液聚合是单体借助乳化剂和机械搅拌，使单体分散在水中形成乳液，再加入引发剂引发单体聚合。Mahdavian[15]和同事合成了新型的荧光单体7-羟基香豆素，并与甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚，通过半连续乳液聚合制备了荧光聚合物纳米颗粒，如图1，可通过环氧基团与羟基反应实现对纤维素纸张的化学修饰，赋予纸张发光功能。Zhang[16]等人在苯乙烯和丙烯酸半连续乳液共聚中引入带有咔唑发光基元的功能单体，构建了咔唑基共聚物乳液和薄膜（如图2），利用咔唑基团对铁离子的高选择性和灵敏度，当铁离子存在时，共聚物薄膜遇铁离子发生荧光增强，从而实现对铁离子的检测。

图1 7-AC的合成、与MMA和GMA的共聚以及制备的环氧功能化荧光纳米颗粒对纤维素的改性示意图[15]

图2 咔唑修饰苯乙烯-丙烯酸共聚物乳胶的合成图[16]

和其他乳液聚合方法相比，微乳液聚合是热力学稳定体系，不会发生聚结，即使经受超离心也能回到稳定体系，是一种高效稳定的聚合方法。Zhong[17]等人通过一锅微乳液聚合制备了基于荧光共振能量转移的光开关型红色荧光聚合物纳米颗粒，将10-(二乙胺)-5-氧-5H-苯并[a]苯恶嗪-2-甲基丙烯酸酯（给体）和螺吡喃-甲基丙烯酸酯(受体)引入聚甲基丙烯酸甲酯基的纳米颗粒中，得到了平均粒径为80 nm的纳米颗粒。

光开关型荧光纳米颗粒在紫外光和可见光交替照射下表现出可逆的荧光光开关特性，通过利用光致变色分子（如螺吡喃）来切换荧光。Tian Yong[18]等人将具有高量子产率的红色荧光染料TBPDI作为给体和具有热稳定性的光致变色二芳基乙烯衍生物作为受体通过微乳液聚合制备了具有高热稳定性的光开关红色荧光聚合物纳米颗粒，解决了传统光开关荧光纳米材料在红色荧光量子产率方面的限制。如图3，Cao[19]等人采用微乳液聚合方法将氧化铁（Fe3O4）和尼罗红（Nile Red）荧光染料封装在聚合物中，制备了磁性-荧光双功能纳米颗粒，颗粒粒径为330 nm。在另一项工作中，其研究团队采用核-壳策略来控制聚合物纳米粒子的动态荧光[20]，通过四苯基乙烯单体的微乳液聚合和螺吡喃单体的种子乳液聚合制备了核壳聚合物粒子，通过在核心部分引入刚性基质和荧光基团，以及在壳层部分引入可光致变色的软性基质实现对聚合物纳米颗粒动态荧光行为的精细和独立调控。调节紫外光照射时间和强度可以实现聚合物纳米颗粒的荧光颜色从蓝色到红色的变化，在警告标签和快速响应编码加密方面具有应用潜力。

图3 磁荧光双功能P/Fe3O4/Nile Red NPs的制备及应用示意图[19]

综上所述，乳液聚合在制备荧光聚合物颗粒方面具有条件温和、使用单体广泛、可等优势，可以通过选择功能性单体或乳化剂便捷地引入功能单元（例如温度敏感单元、光开关等）实现纳米颗粒功能化，进一步拓展纳米颗粒的应用。

1.1.2 沉淀聚合

沉淀聚合是由Stover[21]等人在1993年提出的无需任何表面活性剂与稳定剂制备单分散微球的聚合方法。沉淀聚合开始于单体、引发剂和溶剂混合均匀的稀释溶液中，得到的聚合物因不溶于反应体系而沉淀形成尺寸均匀的聚合物颗粒[22]。

Hoji[23]等人利用沉淀聚合，合成了3种硼二吡啶甲基(BODIPY)单体，并将其与MAA和不同的交联剂共聚，得到了高分散性的荧光纳米颗粒。以BODIPY为基础的聚合物在水溶液中较单体可表现出更强的荧光，可以解决疏水性BODIPY染料在水性生物医学介质中应用的限制。

Yang[24]等人提出了自稳定沉淀(2SP)聚合的方法，烯烃化合物与马来酸酐(MAH)或其衍生物交替共聚，显示出具有明确尺寸的聚合物纳米粒子的成核和生长。在另一项工作中，其团队还采用2SP方法成功制备了尺寸均匀的聚(苯并噻吩-alt-马来酸酐)(PBTMA)微球[25]。并对PBTMA形貌、粒径和分子量进行了系统研究，发现了PBTMA具有良好溶解性、热稳定性和荧光性能。

Wang[26]等人通过在沉淀聚合中引入荧光单体来研究沉淀聚合的机制。如图4，利用乙烯基改性的4-乙烯基苄基改性四苯乙烯、苯乙烯和马来酸酐的共聚反应，基于聚集诱导发光特性开发了荧光自报告方法，实时敏感地监测聚合物荧光粒子的生成，以揭示自稳定的沉淀聚合过程，同时这些颗粒具有生物标记和光敏作用，可用于光控免疫治疗等生物医学应用。

图4 以AIE活性TPE-VBC、苯乙烯和马来酸酐为单体，在偶氮二异丁腈引发下，于60 ℃的氮气气氛下在醋酸异戊酯中进行沉淀聚合，并在日光和紫外光下进行不同时间的监测[26]

Akkoc[27]等人通过Suzuki偶联反应合成了4-(1-芘基)-苯乙烯单体，并以乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，通过一步法合成了芘基聚合物颗粒。紧密的交联结构增强了芘单元之间的π-π相互作用，微球在很低的浓度下也表现出很高的荧光活性，可作为化学传感器检测硝基芳香族化合物。

综上所述，沉淀法聚合是制备均匀聚合物颗粒的有力工具，其体系简单、操作方便，易调控。其中，自稳定沉淀聚合是近年来研究较多的方法，其合成的聚合物荧光颗粒在化学/生物传感器、药物传递、催化剂载体等领域具有广泛的应用潜力。但沉淀聚合对单体和溶剂的选择具有一定的局限性，进一步扩展沉淀聚合的应用范围将是未来需关注的研究重点。

1.1.3 分散聚合

与其他聚合方法相比，分散聚合是制备粒径微小且单分散性较好的聚合物颗粒的有效方法。Tian[28]等人采用RAFT介导的水相分散聚合合成了双功能聚合物纳米颗粒。设计合成了含近红外荧光染料aza-BODIPY的单体和含疏水药物紫杉醇的前药单体，通过RAFT介导的水相分散聚合反应，在聚合物纳米颗粒中实现了近红外荧光成像和药物控释双功能化。

共轭聚合物纳米颗粒具有优异的发光性能。Kuehne[29]等人报道了通过Sonogashira分散聚合合成了一种可生物降解的基于咪唑单元高荧光共轭聚合物纳米颗粒，尺寸在210～250 nm，显示红色荧光可用于生物医学成像。在另一项工作中，Kuehne[30]等人通过种子分散聚合和普通分散聚合制备了单分散的核-壳和核-壳-壳粒子，通过交叉偶联反应进行批量分散聚合，通过精确控制相界面实现对共轭聚合物颗粒光学性能的精细调控，合成单个白光发射颗粒。

综上所述，分散聚合一般适用于制备100 nm至微米尺度的单分散粒子。可以将新聚合方法不断引入分散聚合体系，例如RAFT介导分散聚合、交叉偶联聚合等，以丰富分散聚合制备荧光颗粒的种类和性能，还可通过聚合条件调控实现荧光颗粒的形貌结构调控以扩展其在光电子器件、生物学成像和光学传感器等领域的应用。

1.1.4 悬浮聚合

悬浮聚合适合生产较大的聚合物颗粒，颗粒尺寸在微米级范围内[31]。Maldarelli[32]等人采用悬浮聚合法制备了黄色和红色量子点嵌入的聚合物微球，合成了一种直径约为50 μm的条形码聚苯乙烯微球。图5是QDs编码微珠的制备方法，通过交联固定QDs可以有效地减少聚集和能量转移现象，提高了光谱编码标记的准确性和可识别性。Amininasab[33]等人以乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂，肌酐为模板分子，通过悬浮聚合将甲基丙烯酸单体接枝在甲基丙烯酸酯功能化的Ag2S量子点表面，制备出核-壳结构的Ag2S@MIP荧光纳米颗粒，不仅具有良好的荧光性能，对肌酐也具有较高的吸附容量。

图5 量子点编码微珠的制备方法

除生物医药领域外，通过反相悬浮聚合制备的荧光聚合物颗粒还能应用于油田领域。Yang[34]等人用反相悬浮聚合法合成了荧光聚合物微球P(AMBA-RhB)。通过可视化微模型和填砂管实验，发现荧光聚合物微球可以直接或通过变形穿过多孔介质并进入深层地层，并堵塞高渗透通道，实现储层的调控。

综上，悬浮聚合适用于制备微米级聚合物颗粒，量子点的引入会提升荧光聚合物颗粒的光学特性，可应用于生物医药或油田领域。

1.2 自组装

自组装是由分子自发组装形成的微纳米尺寸的有序结构。近年来，由两亲性聚合物自组装形成的荧光聚合物颗粒因形貌多样和易调控引起了人们的广泛关注[35]。Chang[36]等人合成了烯烃脂肪族AB2单体(π-AB2)并制备了非常规荧光超支化聚合物(π-HBPs)。用动态光散射法研究了非常规荧光超支化聚合物在水溶液中的自组装过程，得到了直径约9.1 nm的纳米颗粒，相比传统的荧光材料具有更好的生物相容性和荧光性能，且荧光性质和分子结构关系密切。如图6，Yu[37]等人利用自组装技术，将卟啉分子与壳聚糖相结合，形成了卟啉/壳聚糖纳米颗粒，该纳米颗粒具有抗菌治疗和光热效应的特性，能够显著促进创面愈合，为开发新型的创面治疗方法提供了思路。

图6 MCC/CS NPs的制备及其抗菌应用示意图

但是，在传统的自组装技术中得到的聚合物颗粒浓度通常都非常低（＜0.1%），大大限制了其应用。聚合诱导自组装（PISA）是近十年来发展起来的自组装技术，使聚合和自组装同时进行，操作简单，可获得固含量高、形貌多样的纳米材料，PISA的方法还能合成与染料结合的荧光聚合物颗粒。孙晓丽等人[38]合成了含硼酸单体（VPBA）并利用RAFT的PISA方法制备了发光纳米颗粒，可应用于果糖传感器。Lin[39]等人通过PISA过程中的PET（光诱导电子转移）过程来增强罗丹明6G（R6G）的荧光发射，解决了R6G的自猝灭和光漂白问题的同时，还提高了其在各种应用中的性能。Zhou[40]等人用PISA的方法，将偶氮苯基团引入到聚合物颗粒中，制备聚合物纳米载药载体，并且成功地在聚合物颗粒中原位加载了阿霉素（DOX）。

将甲基丙烯酸丁酯和TPE-偶氮苯衍生甲基丙烯酸酯(TPE-AZO-MA)单体通过RAFT聚合，在1,4-二氧六环/水混合物中合成了一系列的PISA纳米颗粒。由于偶氮苯基团在光照射下具有可逆的顺反异构化作用，偶氮苯衍生物具有独特的光响应特性，此研究利用TPE-azobenzene作为荧光探针，对低氧微环境进行敏感检测。这种荧光探针具有AIE特性，具有高亮度和生物相容性。因为偶氮苯基团的光响应特性，在另一项工作中，Zhou[41]等人基于PISA法，将近红外Aza-BODIPY荧光基团和偶氮苯基团连接，合成了低氧响应的近红外荧光纳米探针，将合成的纳米颗粒通过透析去除有机溶剂，在模拟结肠环境中研究其还原响应行为，实现了药物释放和细胞成像的同步。

Stevens[42]等人通过微升规模(10 μL) 的PISA合成荧光酶封装的聚合体作为人工细胞器用于光遗传学调控心肌细胞的跳动，合成规模缩小，扩大了可包装的酶的范围，降低了成本。

Xiang[43]等人报道了一种基于pH诱导自组装策略的肿瘤成像聚集诱导发光（AIE）探针，如图7所示，当肿瘤微环境呈弱酸性时，探针会发生原位自组装，聚合物的马来酸酰胺结构会水解生成带有质子化氨基团的阳离子聚合物，进而与TPE-2SO3-通过静电相互作用发生进一步的组装，TPE-2SO3-从分子分散态转变为聚集态，荧光明显增强，实现了对肿瘤的高效成像。

图7 PEG-b-PAMA-DMMA的合成路线及荧光探针原位自组装过程示意图[43]

综上所述，溶液自组装和PISA方法可以合成多种形貌和功能的荧光聚合物颗粒，PISA方法可以实现高固含量荧光聚合物颗粒的一步法制备，其在肿瘤诊断、手术导航和治疗监测等方面具有广泛的应用。

2 荧光聚合物颗粒的应用

荧光聚合物纳米颗粒因其颗粒尺寸小、合成简单且具有优良的生物相容性和低细胞毒性等优势，被广泛用于生物成像、疾病治疗、药物释放等生物医学领域。通过对聚合物纳米颗粒进行封装与修饰，还可将其应用到防伪和传感检测等领域。

2.1 生物医学

Korpusik[44]等人报道了由玫瑰红甲基丙烯酸酯介导的光引发聚合诱导自组装，在一个反应体系中可重复地构建纳米颗粒，用于光动力疗法（PDT）。通过可聚合甲基丙烯酸酯部分将玫瑰红(RB)共价结合到纳米结构中，从而实现定量和受控负载。用DNA适体对负载RB的纳米载体进行PISA后修饰，增强了纳米颗粒对肿瘤细胞的选择性靶向作用，提高了细胞摄取效率，体外实验证明，制备的纳米颗粒在生物介质中具有良好的稳定性和光毒性表现，显示出作为PDT治疗剂的潜力。

Hu[45]等人合成了氨基功能化的AIE聚合物纳米颗粒（AIE-PNP），通过点击反应，用马来酰亚胺基团和HIV-1 Tat肽进一步修饰AIE-PNP的表面，肽修饰的AIE-PNPs在连续光照射或不同pH值下表现出良好的光稳定性和胶体稳定性，以及在水介质中良好的储存稳定性。HIV-1 Tat肽的表面修饰提高了AIEPNP的细胞摄取效率，在相对较低的AIE-PNP浓度下实现了良好的细胞荧光成像质量，在生物成像领域具有广泛的应用潜力。

Zhao[46]等人合成了带有百草枯侧链单元和四苯乙烯（TPE）基团的聚苯乙烯，通过与水溶性芳烃/百草枯在水中的识别来制备两亲性聚拟轮烷PR5和PR6，它们在水中自组装成超分子聚合物囊泡，并进一步将其用于控制药物DOX释放。由于TPE部分的疏水性和AIE效应，自组装的超分子聚合物囊泡最初具有高荧光性。当DOX被封装在PR5/PR6中时，来自TPE部分和DOX分子的荧光在聚集状态下通过福斯特共振能量转移而被淬灭。通过降低溶液pH值，可以破坏聚合物囊泡并释放负载的 DOX分子。该研究为开发新型的药物传递系统、生物传感器和功能材料提供了潜在的应用基础。

2.2 防伪

聚合物荧光颗粒在信息加密和光学防伪领域也具有重要的应用。Abdollahi[47]等人开发了基于新型恶唑烷衍生物功能化的高荧光聚合物纳米颗粒的环保型多色光致发光防伪油墨，将防伪墨水印刷成不同的标记，包括二维码、学校标志等，这些标记都可以根据聚合物纳米颗粒的极性而呈现出高强度的荧光发射颜色，如红紫色、红粉红色、橙色。在另一项工作中，Abdollahi[48]还制备了基于胺功能化颗粒的唑烷改性多色光致发光颗粒。将所制备的光致发光聚合物颗粒制成高荧光粉末，可用于在纤维素纸上印刷编码标签，印刷编码安全标签具有不同颜色的最大亮度和分辨率。合成的发光聚合物粉末可通过粉末喷粉和智能手机摄像头在紫外线照射（365 nm）下进行荧光成像，以快速、轻松地实现潜在指纹的可视化。这项研究为犯罪现场的指纹检测提供了一种可靠的方法，同时也为信息加密和防伪技术提供了新的思路和方法。

Chen[17]等人合成了光开关红色荧光聚合物纳米颗粒，与聚甲基丙烯酸甲酯/聚丙烯酸甲酯在氯仿中混合，制备刺激响应油墨，将油墨涂在凹版模具上，制成玻璃片上的校徽。在可见光(625 nm)照射下，徽章发出强烈的红色荧光，而在365 nmUV光照射下，可以观察到完全淬灭的荧光(图8A)。所制备的刺激反应标记具有显著的可逆性。同样，徽章颜色在粉色和灰色之间的可逆变化也可以很容易地被观察到。没有STPMA单元(NP-1)的样品在紫外线照射下发出稳定的红色荧光，而有STPMA单元(NP-4)的样品在相同条件下淬灭。因此，用这两种纳米颗粒分别制备了光惰性(NP-1)和光开关(NP-4)玻璃条(分别标为A和B)进行防伪演示。如图9所示，用A和B条制作的阿拉伯数字“8888”可以很容易地替换成“2019”。在此基础上，利用玻璃条的图案对信息进行了调整，并分别采用紫外和可见光作为编码和译码方法，在自然光下也可以观察到类似的结果。获得的具有优良光开关特性的刺激响应膜在先进防伪技术中具有良好的防伪性能。

图8 PMMA/PMA 介质中 PRFPN 的可逆荧光图像作为防伪模拟[17]

图9 以UV（20 s）为解锁剂、Vis为锁定剂的PRFPNs防伪应用模型[17]

2.3 传感

荧光聚合物颗粒可以用于金属离子传感。Mahdavian[49]等人通过半连续乳液聚合制备了负载罗丹明B乙二胺丙烯酸酯的荧光聚合物纳米颗粒，添加Fe2+和Fe3+后，聚合物纳米颗粒水分散体的颜色立即发生明显变化（从紫色变为红粉色），荧光发射强度分别增加高达2倍和2.2倍。

Zhang[16]等人通过乳液聚合制备含咔唑荧光聚合物纳米粒子。其研究结果表明，水介质中微量Fe3+可以选择性猝灭含咔唑聚合物纳米粒子和薄膜的荧光。聚合物荧光膜和纳米颗粒的检测限分别为1.71×10-6mol/L和1.90 ×10-6mol/L。

荧光聚合物纳米颗粒还应用于爆炸物检测。Cui[50]等人报道了基于TPE部分（二溴取代的 TPE或四溴取代的TPE）和三苯胺部分，通过Suzuki偶联在细乳液中制备了两种多孔有机聚合物纳米粒子,结果发现，基于二溴取代TPE的纳米颗粒和基于四溴取代TPE的纳米颗粒对爆炸物的荧光传感特性对水介质中的TNP表现出灵敏和选择性的检测。

3 总结与展望

本文综述了荧光聚合物颗粒制备及其应用的研究进展。目前，荧光聚合物颗粒在生物医学、防伪、化学传感、光电器件等领域有着巨大的潜力，关于荧光聚合物颗粒的研究已经取得了显著的进展，但也还存在很多挑战。

第一，开发优化制备方法，实现荧光纳米颗粒的尺寸、形貌和功能的精确调控。今后的研究可以侧重于提高荧光强度、增强稳定性和控制粒径形貌等方面。同时，可以通过材料改性和表面修饰等手段，赋予荧光聚合物纳米颗粒丰富的功能，如靶向性、温敏性等，以满足不同应用场景下的需求。

第二，进一步拓展荧光聚合物纳米颗粒的应用领域。目前，荧光聚合物纳米颗粒已在生物成像、药物递送、传感检测、防伪等领域展现出了广阔的应用前景。今后的研究可以探索荧光聚合物纳米颗粒在能源材料、食物监测等方面的应用，并深入研究其在这些领域的性能优化和应用效果。

第三，荧光材料的发展应与现有的科学理论和技术相结合，进一步向多元化、高技术、高性能的方向发展。