编号：YYHY00946

篇名：微流控制备聚合物微球及其在超分辨成像中的应用

作者： 文振阳

关键词： 微流控技术; 高折射率微球; 超分辨成像;

机构： 重庆理工大学

摘要： 自光学显微镜问世以来,其在微观科学研究中始终发挥着不可替代的作用。然而受限于光学衍射极限,传统光学显微镜无法分辨200 nm以下的微观结构。这是由于传统物镜仅能捕获携带低空间频率信息的传播波,而包含物体精细结构的高频倏逝波因在传播过程中呈指数衰减（衰减长度约数十纳米）,无法到达远场被常规光学系统接收。近年来,微球透镜技术的突破为超分辨成像提供了新思路——当介质微球或超半球固体浸没透镜（SIL）与样品表面接触时,其可将样品近场的倏逝波信息耦合转化为传播波,进而实现突破衍射极限的超分辨成像。然而当前主流的商业微球（如SiO2、聚苯乙烯、BaTiO3等）分别存在折射率低、粒径分布宽或粒径不可调、二次加工性差等缺点,严重制约其实际应用。本研究聚焦高折射率聚合物微球的可控制备及其在SIL中的创新应用,通过微流控制备技术,成功制备了粒径分布窄、粒径可调的聚苯乙烯（PS）微球、以及高折射率且粒径单分散的聚邻苯基苯乙氧基丙烯酸酯(Poly（OPPEA）)微球和聚9,9’-双[4-（2-丙烯酰氧基乙氧基）苯基]芴(Poly（A-BPEF）)微球,并研究了其在超分辨成像中的应用。主要研究内容如下: （1）PS基微球的可控制备与成像性能研究 采用微流控制备技术,以苯乙烯（St,折射率n=1.54）、乙氧化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）、A-BPEF及光引发剂1173（质量比6:3:1:0.2）混合溶液作为复合分散相,以4 wt%PVA水溶液为连续相,通过调控分散相中高粘度单体A-BPEF含量（3.2-6.3wt%）提升液滴的稳定性,通过调节流速比（Qc/Qd=5:1至11:1,Qd固定为5μL/min,其中Qc为连续相流速,Qd为分散相流速）制备了一系列粒径分布较窄且粒径可调的PS基微球,并探究了其在光学显微镜下的成像性能。实验结果表明,研究发现成像放大倍数与微球粒径呈负相关,随着微球粒径从96μm降至56μm,成像倍率从1.66倍提升至1.90倍。 （2）Poly（OPPEA）高折射微球的形貌调控与成像性能优化 基于高折射率OPPEA单体（n=1.57）,通过优化微流控流速比（Qc/Qd=4.5:1-6.5:1）与紫外固化时间（10-30 min）,实现了粒径可调（79-86μm）且高宽比可控（h/d=0.73-0.83,当微球置于被观测基体表面干燥后,微球顶部距基体表面的距离为h,微球与基材接触处的截面直径为d）的Poly（OPPEA）微球的制备。对其超分辨成像性能的研究发现:当微球直径保持不变时,微球放大倍率随h/d的提升而逐渐增大,当h/d从0.73增至0.83时,成像倍率由3.28倍提升至4.22倍。这是由于高宽比增大增强了光子纳米射流效应,使等效数值孔径提升,成像放大倍数增大。 （3）Poly（A-BPEF）高折射微球的制备与成像性能研究 将高粘度、高折射率的A-BPEF单体（n=1.60）以及光引发剂溶解在二氯甲烷中作为分散相,以PVA水溶液为连续相,通过调节流速比（Qc/Qd=2.5:1-6.5:1）与紫外固化时间（5-15 min）,制备出粒径可调（106-60μm）且h/d更大（h/d=0.94-0.99）的Poly（A-BPEF）微球。并研究了微球在空气中（无溶剂浸没）以及乙醇浸没下的成像性能,结果表明:在空气（n=1.0）中成像时,微球与空气的折射率差较大使得成像放大倍数进一步提高（高达5.29倍）,但伴随散射噪声,信噪比较大;而在乙醇（n=1.36）中成像时,微球与周围介质（乙醇）的折射率变小使成像放大倍数下降,但信噪比提升,成像清晰度显著改善。