微流控策略构建形貌可控的单分散圆偏振发光微球-北京永康乐业科技发展有限公司

圆偏振发光（CPL）颗粒是一类具有独特手性光学特性的微/纳米材料。其尺寸、形貌与手性表面功能化之间的协同作用直接决定发光性能和圆偏振光学行为，使其成为3D显示、生物成像和量子信息处理等领域的研究焦点。此外，CPL颗粒在多级防伪、数据加密和刺激响应传感方面亦展现出不可替代的功能优势。

目前，CPL颗粒的制备策略主要分为自组装法、环境诱导法、手性超表面法和杂化法。然而，这些方法普遍面临一个共同的瓶颈，即所得微球在尺寸、粒径分布及形貌均匀性方面表现欠佳，且大规模可控制备仍具挑战。

鉴于此，北京化工大学邓建平教授、赵彪副教授、陈轲老师等人提出一种微流控限域策略，以手性螺旋聚乙炔为构筑基元，通过建立两阶段液滴形成理论模型并结合数值模拟与系统实验验证，实现了微球尺寸的精准预测与调控，成功制备出粒径均一（4.85–13.37 μm）、分布极窄（RSD < 3.68%）且具有稳定圆偏振发光性能（最大发光不对称因子（）达 0.025）的CPL活性微球。

研究人员进一步利用W/O/W双乳液微流控芯片，可控构筑了单核-单壳与多核-单壳两种核壳结构，显著拓展了微球的结构多样性与功能化潜力。该工作为高性能CPL微球的可控制备提供了高效、通用的技术平台，有望推动其在光电、生物成像等前沿领域的实际应用。相关研究以”Microfluidic Confinement for Constructing Chiral Helical Polyacetylene-Based Monodispersed Circularly Polarized Luminescent Microspheres with Controlled Morphology“为题目，发表在期刊《ACS Macro Letters》上。

本文要点

研究目标：针对现有圆偏振发光（CPL）微球在尺寸均匀性、形貌规则性以及大规模可控生产方面的挑战，提出了一种基于微流控限制策略的精确制备方法。
材料选择：选用手性螺旋聚乙炔（P73）作为核心材料。该材料由手性单体（SA）和荧光单体（DA）共聚而成，利用其主链的单手螺旋构象实现手性信号放大，具有优异的化学稳定性和加工性能。
微流控技术与模型建立：

建立了描述微液滴形成的两阶段理论模型（填充阶段和挤压阶段），定量分析了流速、溶液浓度、粘度和界面张力对液滴尺寸的影响。
通过数值模拟与实验验证，证实了该模型在预测和调控微球尺寸方面的可靠性。

尺寸与形貌精确调控：

通过调节聚乙炔浓度和连续相流速，成功制备出直径在 4.85至13.37 μm 范围内可调的微球。
所得微球具有极窄的尺寸分布，相对标准偏差（RSD）小于 3.68%。
利用W/O/W（水包油包水）型微流控芯片，进一步构建了具有单核单壳（Mon）和多核单壳（Mul）结构的复杂核壳微球。

光学性能表现：

微球表现出稳定的手性光学活性和均匀的绿色荧光分布（发射峰约在 505 nm）。
在410−510 nm波段具有显著的CPL发射，其发光不对称因子（）最高可达 0.025。

研究意义：该研究为高性能、结构可定制的CPL微球提供了一个通用且高效的制备平台，有助于推动此类材料在3D显示、生物成像、信息加密和光电探测等先进领域的实际应用。

图 1. (a) 通过微流控技术制备圆偏振发光（CPL）活性微球的示意图。(b) 使用不同的微流控芯片并通过调节流动参数制备不同结构微球的示意图。

在微流控芯片中，两步剪切过程（two-step shearing process）是构建具有复杂内部结构的核壳型（core-shell）微球的核心技术。这一过程通常在水包油包水（W/O/W）型微流控芯片中通过以下具体操作实现：

1. 流体相的准备配置

该过程涉及三个相互不相溶的流体相：

内水相（Inner aqueous phase）：通常使用纯水，作为微球的最内层核心。
油相（Oil phase/中间相）：作为分散相，由溶于有机溶剂（如）的手性螺旋聚乙炔（P73）及表面活性剂（如 Span 80）组成，最终形成微球的壳层。
外水相（Outer aqueous phase/连续相）：通常为含有聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的水溶液，负责对中间流体进行最终剪切。

2. 具体操作步骤

两步剪切在芯片微通道的不同结点处连续发生：

第一步剪切（形成内芯）：
利用油相作为连续相，在第一个交叉结点处剪切内水相。这一步产生的微小水滴被包裹在油相流体中，形成了油包水（W/O）的初级乳液。
第二步剪切（形成核壳结构）：
随后，包含水芯的油相流体进入第二个结点，由外水相（连续相）对其进行二次剪切。这一步将带有内芯的油相流体“掐断”，从而在连续相中形成了水包油包水（W/O/W）的双乳液液滴。

3. 结构定制的关键调节

通过微流控平台的精密设计，可以对核壳结构进行定制化调节：

空间限制：W/O/W 芯片的出口通道直径（本研究中为 300 m）起到关键作用。较大的通道能够保留足够的油相体积，为多个水芯的共存提供必要的空间条件。
形态切换：通过调节微流控剪切参数（如各相流速比），研究者可以在同一芯片平台上灵活切换单核单壳（Mon）与多核单壳（Mul）结构。

Mon 结构：油相壳层内仅包裹一个水芯。
Mul 结构：由于流体动力学条件的改变，油相壳层内可同时包裹多个水芯。

4. 稳定性保障

在剪切过程中，油相中加入的 Span 80 表面活性剂起到了至关重要的表面稳定作用，确保内部的水相微滴在复杂的剪切力和随后的固化过程中保持稳定，不发生破裂或聚并。

最终，这些高度均匀的 W/O/W 复合液滴经过溶剂挥发固化，便形成了具有特定核壳架构和高效圆偏振发光性能的固体微球。

图 2. (a) 微流控过程中剪切效应的示意图。(b) 微流控过程中的压力分布梯度。不同 (c) P73 浓度和 (d) 连续相流速（）下，微液滴直径的实验结果与模拟结果对比。

图 3. 在 P73 浓度分别为 (a) 0.5 wt%、(b) 1 wt%、(c) 2 wt% 和 (d) 5 wt% 时所得微液滴的光学显微照片。在 P73 浓度分别为 (e) 0.5 wt%、(f) 1 wt%、(g) 2 wt% 和 (h) 5 wt% 时所得微球的扫描电子显微镜（SEM）图像。在 P73 浓度分别为 (i) 0.5 wt%、(j) 1 wt%、(k) 2 wt% 和 (l) 5 wt% 时所得微球的荧光显微照片。