导读：

在生物医药领域，疫苗、胰岛素等冻敏性药物的“冷链安全”至关重要。一旦运输途中发生超温或冰冻，部分药品可能失效、降解，甚至产生有害物质或副作用。近日，华中科技大学朱锦涛教授、许江平教授团队联合韩国科学技术院（KAIST）在国际著名期刊《Nature Communications》上发表了题为“Dual-responsive coloration of Janus droplets via total internal reflection and interference applied as single-use freezing indicators”的研究论文，为冷链监控提供了一种高效、直观且成本低廉的新方案。

本文要点：

1. 核心技术：基于 TIRI 的结构色

该研究利用全内反射与干涉（TIRI）机制，在双相 Janus 液滴的凹面液-液界面产生鲜艳的结构色。与依赖高度有序纳米结构的传统材料不同，这种方法无需纳米加工或光刻技术，仅通过调节液滴大小和界面曲率即可实现颜色的精准调控。

2. 双重响应机制

液滴表现出对表面活性剂组成和温度的高度敏感性，实现了颜色的动态切换：

• 表面活性剂响应：通过改变表面活性剂的比例（如 fSDS），可以调节界面张力，使液滴在 Janus 结构（有色）和核壳结构（无色）之间可逆转换。

• 温度响应：

• 可逆切换：当温度降至约 4 °C 时，液滴内的十六烷发生相变由液态变为固态，光线发生散射导致颜色消失；升温后颜色可完全恢复。

• 不可逆记录：当温度暴露于 0 °C 以下（亚零度）时，由于外部水相结冰导致液滴结构遭到永久破坏，即使回温颜色也不会恢复。

3. 实际应用：视觉冷链监控标签

研究团队将这些液滴集成到药品瓶盖的微槽中，开发出一种用于冻敏性药物（如疫苗、胰岛素）的冷链监控标签：

• 实时反馈：能够在 4 °C 附近提供可逆的视觉反馈。

• 冻结记录：能够提供不可逆的冷链断裂记录（低于 0 °C 发生的冻结事件），解决了现有监控器灵敏度差或无法提供永久记录的问题。

4. 性能优势

• 高稳定性与重复性：该系统在 20 次表面活性剂或温度切换循环后仍保持稳定，反射强度下降不到 20%。

• 耐用性：标签在室温下可保存5 年，并具有良好的抗机械震动和抗跌落能力。

• 制备简便：采用微流控乳液-溶剂蒸发法，具有良好的可扩展性。

5. 总结与展望

这项研究通过巧妙的流体物理设计，突破了传统响应性光学材料对复杂纳米结构的依赖。这种基于 Janus 液滴的监控标签制备简便、易于大规模量产，不仅在生物医疗冷链中具有巨大的应用潜力，未来还可扩展至防伪标识、交互显示及光学传感等前沿领域。

“会变色”Janus液滴是如何制备的？

研究团队采用毛细管微流控技术制备单分散 Janus 液滴。首先，将十六烷（hexadecane）与甲氧基全氟丁烷（HFE-7100）按体积比 1:1 混合，并溶解于氯仿中，形成油相；以含有 Capstone FS-30 和 SDS 表面活性剂的水溶液作为连续相。

该微流控芯片由同轴毛细玻璃管组装而成，通过流体剪切实现液滴生成。研究中，内相流速控制为 5 μL min⁻¹，外相流速为 300–700 μL min⁻¹，从而获得高度单分散的微液滴体系。

随后，在室温条件下，随着氯仿逐渐挥发，液滴内部发生液-液相分离，自发形成具有弯曲液-液界面的双相 Janus 结构。由于十六烷与 HFE-7100 折射率不同，入射光在弯曲界面处发生全内反射与干涉（total internal reflection and interference, TIRI），从而产生鲜艳的结构色。

图1｜Janus 液滴的制备与光学性质。a，采用乳液–蒸发法制备双相 Janus 液滴的示意图。b–f，反射光学显微图，显示在溶剂蒸发过程中 TIRI 结构色的形成。比例尺：50 μm。d、f 的插图为 Janus 液滴的侧视图。比例尺：25 μm。g，液滴内部产生 TIRI 颜色的光路示意图。h，对应于 i 中液滴的反射光谱，表明颜色随尺寸变化。蓝色、绿色和红色曲线分别对应直径为 41.6、48.2 和 60.5 μm 的 Janus 液滴的反射光谱。i，平均直径分别为 60.5、48.2 和 41.6 μm 的 Janus 液滴的反射光学显微图。比例尺：100 μm。j，平均直径分别为 60.5、48.2 和 41.6 μm 的 Janus 液滴的数码照片。比例尺：1 cm。

图2｜界面张力对液滴形貌和结构色的影响。a，界面张力对双相液滴形貌影响的示意图。红色表示十六烷，蓝色表示 HFE-7100。b，液滴构型随 f_SDS 变化的相图，其中红色虚线表示 γ_HF = ±0.93 mN m⁻¹。c，当 f_SDS = 0.10、0.20、0.30、0.35、0.40、0.60 和 1.0 时的反射显微图及对应的液滴形貌示意图。在 f_SDS = 0.20–0.35 范围内可获得具有 TIRI 颜色的 Janus 液滴。比例尺：10 μm。

图3｜Janus 液滴尺寸依赖的结构着色。a，不同直径 Janus 液滴的反射光学显微图。比例尺：50 μm。b，在定向照明下浓缩 Janus 液滴墨水的照片，显示出较高的颜色纯度。比例尺：1 cm。c，与 b 中液滴对应的 CIE 色度坐标。

图4｜TIRI 结构色的角度依赖性。a–d，不同光学几何条件的示意图及对应的 Janus 液滴反射显微图，其中改变了入射光角度（α）、观察角度（β）和方位观察角（φ）：e，β = 0°，α 从 0° 变化至 30°；f，α = β，α 和 β 同步在 0° 至 30° 范围内变化；g，α = 0°、β = 40°，φ 从 0° 变化至 360°；h，α = 30°、β = 40°，φ 从 0° 变化至 360°。在 e 和 h 中观察到颜色变化，而在 f 和 g 中未观察到颜色变化，表明该体系具有选择性的角度敏感性。比例尺：1 cm；h 中的比例尺同样适用于 e、f 和 g。

图5｜Janus 液滴中 TIRI 结构色对表面活性剂和温度的响应性开关行为。a，液滴结构对表面活性剂响应而发生可逆转变的示意图。b–e，依次加入 FS-30 和 SDS 后，结构色消失与恢复过程的反射光学显微图。f，加入表面活性剂前后 Janus 液滴的反射光谱。g，结构色在 20 次表面活性剂切换循环中的可逆性。h，温度诱导相变影响内部反射的示意图。i、j，25 °C 下蓝色液滴及由这些液滴构成的蓝色蝴蝶图案的照片和反射光学显微图。k、l，4 °C 下无色液滴及褪色蝴蝶图案的照片和反射光学显微图。m，不同温度下液滴的反射光谱。n，在 20 次加热–冷却循环中的可逆切换性能，证明了其热稳定性。

图6｜Janus 液滴在冻敏药物安全标签中的应用。a，由不同温度阈值触发的小瓶盖上 TIRI 颜色切换的示意图（可逆与不可逆）。b，安全标签经历 25 °C → 4 °C → 25 °C 循环后的照片和反射光谱，显示 TIRI 结构色的可逆开/关切换。比例尺：5 mm。插图显示小瓶在 25、4 和 25 °C 下的侧视图。比例尺：1 cm。c，安全标签经历 25 °C → −2 °C → 25 °C 循环后的照片和光谱，显示由于不可逆结构损伤导致的永久性色彩消失。比例尺：5 mm。插图显示小瓶在 25、−2 和 25 °C 下的侧视图。比例尺：1 cm。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70055-5

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