李子洋，李煊赫，李慧珺，林良良*

（1.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，合成與生物膠體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122；2.上海理工大學(xué) 材料與化學(xué)學(xué)院，上海 200093）

1 引 言

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，熒光納米材料逐漸被用于分子水平上的可視化分析，極大推動(dòng)了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的深入研究。研發(fā)制備質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)越的熒光納米材料，能進(jìn)一步拓展其在離子檢測[1-2]、生物傳感[3-4]和信號(hào)傳導(dǎo)[5-7]等領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，熒光納米材料可分為上轉(zhuǎn)換材料和下轉(zhuǎn)換材料。其中，下轉(zhuǎn)換是將一個(gè)高能光子轉(zhuǎn)換成兩個(gè)或更多低能光子的過程，具有下轉(zhuǎn)換特性的熒光材料可以有效標(biāo)記目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)檢測。上轉(zhuǎn)換材料可將長波長光轉(zhuǎn)換為短波長光，避免自發(fā)熒光的干擾，具有更強(qiáng)透射力和更少光散射，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的理想成像材料。對(duì)于大多數(shù)熒光納米材料，其發(fā)光性能都會(huì)受到量子限域效應(yīng)以及表面態(tài)[8]的影響，可采用合適方法調(diào)控發(fā)射/缺陷中心，獲得特定性能的熒光材料。

目前國內(nèi)外已開發(fā)出一系列制備熒光納米材料的方法，如化學(xué)氧化法[9-11]、微波法[12-14]、等離子體法[15-16]、水熱法[17-19]、模板法[20-21]等。盡管上述方法已取得了不少進(jìn)展，但都屬于間歇生產(chǎn)，存在試劑消耗大[22]、工藝復(fù)雜[23]、設(shè)備熱效率低[24]等問題，且制備出來的熒光納米材料存在產(chǎn)率不高、熒光性能差、粒度尺寸分布不均勻、分離純化困難等問題。而納米材料粒徑的均一性對(duì)其在臨床領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要，不同粒徑的顆粒在生物體內(nèi)的輸送速率和運(yùn)輸機(jī)理各異，使得它們可能被多個(gè)部位吸收，影響成像效果。因此，開發(fā)出粒徑均一、質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)越的熒光納米顆粒制備工藝對(duì)發(fā)展先進(jìn)生物成像技術(shù)具有重要意義。

微流控技術(shù)可通過幾十微米到幾百微米的微通道來操縱微量流體[25]，具有傳質(zhì)傳熱效率高[26]、反應(yīng)安全性高[27]、停留時(shí)間可控[28]、工業(yè)放大簡單[29]等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，該技術(shù)具有高度靈活性和精確性，可通過控制反應(yīng)物類型、濃度、停留時(shí)間、孔道結(jié)構(gòu)、進(jìn)料方式等靈活調(diào)節(jié)納米顆粒的組成、尺寸、結(jié)構(gòu)[30-31]。例如，Rao等[32]開展了基于微流控技術(shù)的碳點(diǎn)可控制備研究，通過改變反應(yīng)溫度、流速、乙二胺用量和銅纖維的孔隙率獲得了高光致發(fā)光量子產(chǎn)率（73%）的碳點(diǎn)；Su等[33]利用微通道反應(yīng)器探索了聚苯胺顆粒的連續(xù)化合成工藝，并將產(chǎn)物用于超級(jí)電容器中；Fu等[34]采用2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸膽堿（PMPC）對(duì)微流控器件表面修飾，通過偶聯(lián)反應(yīng)使器件表面具有超潤濕性和良好的液體傳輸能力；Zhang等[35]利用逐層自組裝技術(shù)在微流控芯片通道表面涂覆土工材料，使其適用范圍擴(kuò)大到模擬實(shí)際巖石中的多相流動(dòng)；還可耦合在線表征技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和操縱反應(yīng)過程，方便反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)研究[36]。因此，該技術(shù)為熒光納米材料的設(shè)計(jì)及制備提供了新途徑。至今，不少研究[37-39]證明微流控技術(shù)可制備特定形貌、尺寸均一且性能優(yōu)異的熒光納米材料。雖然目前涌現(xiàn)出系列關(guān)于微流控制備熒光納米材料的研究報(bào)道，但該領(lǐng)域的綜述尚屬空白。

鑒于微流控技術(shù)在熒光納米材料合成中的巨大優(yōu)勢(shì)，本文整理歸納了近些年國內(nèi)外有關(guān)微流控制備熒光納米材料研究進(jìn)展。詳細(xì)闡述不同特征結(jié)構(gòu)的微流控反應(yīng)器及制備過程，介紹了典型熒光納米材料的合成案例，并指出了該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

2 微流控合成系統(tǒng)分類

微流控本質(zhì)上是采用精細(xì)加工技術(shù)在芯片或管道內(nèi)制作出特定的微通道結(jié)構(gòu)，通過操控流體在微尺度上進(jìn)行物理/化學(xué)反應(yīng)，將合成、修飾、分離等操作集成在微小平臺(tái)上。使用微流控反應(yīng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)釜式設(shè)備可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度調(diào)控、均勻的停留時(shí)間分布及高效的傳質(zhì)傳熱。常見的能量耦合方式主要有常規(guī)外部加熱式（水浴/油?。⑽⒉ㄝo助式和超聲波輔助式三種。近年來，隨著光、電、磁技術(shù)的發(fā)展，這些新型能量逐漸被耦合到微流控反應(yīng)系統(tǒng)上，出現(xiàn)了光激發(fā)（紫外、紅外、可見光）微反應(yīng)器、電化學(xué)微反應(yīng)器、等離子體微反應(yīng)器等先進(jìn)結(jié)構(gòu)[39]；除能量耦合方式外，微反應(yīng)器的特征結(jié)構(gòu)也是決定熒光納米材料制備過程的重要因素。目前，微流控反應(yīng)器按照結(jié)構(gòu)可分為芯片微反應(yīng)器和通道微反應(yīng)器（管式微反應(yīng)器和離心式微反應(yīng)器）。其中，芯片微反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程主要以擴(kuò)散為主，而管式和離心式微反應(yīng)器的傳質(zhì)過程則受到流體動(dòng)能和流動(dòng)耗散率的影響。為了對(duì)微流控反應(yīng)器有更詳細(xì)的了解，圖1列舉了幾個(gè)典型微反應(yīng)器的特征結(jié)構(gòu)[40-46]，表1總結(jié)了其結(jié)構(gòu)類型及優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 典型微反應(yīng)器的特征結(jié)構(gòu)圖。（a）芯片微反應(yīng)器［40-42］；（b）管式微反應(yīng)器［43-44］；（c）離心式微反應(yīng)器［45-46］。Fig.1 Characteristic structure diagram of typical microreactors.（a）Chip-based microfluidics［40-42］.（b）Tubular microreactors［43-44］.（c）Centrifugal microreactors［45-46］.

表1 微流控系統(tǒng)分類及優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Pros and cons of microfluidic devices

2.1 芯片微反應(yīng)器

基于普通毛細(xì)管電泳的基本原理和技術(shù)，利用微納加工技術(shù)可在硅片、玻璃片、石英片或高分子聚合物基質(zhì)材料上加工各種微細(xì)結(jié)構(gòu)，如通道、反應(yīng)槽等功能單元，構(gòu)成芯片微反應(yīng)器[78]。微流控芯片可集成采樣、反應(yīng)、分離、檢測等功能單元，相比于傳統(tǒng)法的間歇式反應(yīng)器，芯片的通道尺寸只有幾十到幾百微米，比表面積比常規(guī)的反應(yīng)器高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，極大地縮短了擴(kuò)散距離，使得反應(yīng)物混合效率提高，方便參數(shù)精準(zhǔn)調(diào)控。芯片微反應(yīng)器按照流體流動(dòng)方式（公式（1））又可以分為單相層流裝置、多相分段流裝置以及基于液滴的流動(dòng)裝置三大類。

2.1.1 單相層流裝置

兩股互溶的流體以層流狀態(tài)并行流動(dòng)發(fā)生反應(yīng)時(shí)，傳質(zhì)過程以擴(kuò)散為主，在垂直于流動(dòng)方向上會(huì)形成從高到低的濃度梯度，且隨流動(dòng)距離增加而減少?；谶B續(xù)層流的微流控裝置易于設(shè)計(jì)、操作和放大，已成功應(yīng)用于藥物篩選[47]、無膜電池制備[48]、分離分析[49]以及細(xì)胞生物學(xué)研究[50]等領(lǐng)域。

Edel等[51]設(shè)計(jì)了一種簡單的直線單相層流微反應(yīng)器（圖2（a））生產(chǎn)硫化鎘納米顆粒，然而，該反應(yīng)器中物質(zhì)的混合效率并不高，產(chǎn)率也較低。為此，Wang等[52]設(shè)計(jì)了蛇形玻璃毛細(xì)管芯片反應(yīng)器（圖2（b））以增加反應(yīng)路徑，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱過程；Wan等[53]引入具有多個(gè)輸入端的Y型進(jìn)料板和對(duì)流微混合器（圖2（c））增加操作靈活性，強(qiáng)化物質(zhì)混合。

同軸構(gòu)型也是常見的一種單相層流結(jié)構(gòu)（圖2（d）），界面尖銳，逆流操作，使物料有很好的混合效果。Lan等[54]在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）芯片上加工了一個(gè)內(nèi)徑為0.5 mm的管路作為連續(xù)相通道，同時(shí)在管中插入微針作為分散相通道。液滴在通道中流動(dòng)時(shí)與壁面摩擦產(chǎn)生局部循環(huán)，促進(jìn)流體間的碰撞混合。除改變芯片通道形狀外，Matlock-Colangelo等[55]將靜電紡絲納米纖維集成到Y(jié)型微通道中并進(jìn)行混合度的量化研究（圖3（a）），證實(shí)該方法能有效強(qiáng)化流體混合。

圖2 連續(xù)層流微流控裝置示意圖。（a）直線單相層流結(jié)構(gòu)［51］；（b）蛇形毛 細(xì) 管結(jié)構(gòu)［52］；（c）Y型結(jié)構(gòu)［53］；（d）同軸結(jié)構(gòu)［54］。Fig.2 Schematic of continuous laminar flow microfluidics devices.（a）Linear capillary［51］.（b）Serpentine capillary［52］.（c）Y-type［53］.（d）Co-axial structure［54］.

單個(gè)反應(yīng)器在顆粒生長過程中易發(fā)生交叉污染，將多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)分離各個(gè)生長階段，可降低顆粒污染的概率。Shiba等[56]將多個(gè)單相層流芯片微反應(yīng)器串聯(lián)起來（圖3（b））分步合成SiO2-TiO2納米顆粒，將二氧化鈦成核階段、核聚集階段、二氧化硅封裝階段以及顆粒生長階段分隔開，更加精準(zhǔn)有效地控制每個(gè)反應(yīng)步驟。Uson等[57]利用化學(xué)刻蝕在不銹鋼板上加工了寬370 μm、深150 μm的通道（圖3（c）），用以制備超順磁性氧化鐵納米顆粒。串聯(lián)方式能將納米顆粒的成核和生長階段分離開，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可控合成純度高、粒徑均一的氧化鐵納米顆粒。

圖3 （a）帶有嵌入式納米纖維的Y型通道混合器［55］；（b）多步微流控合成SiO2-TiO2納米顆粒裝置圖［56］；（c）制備超順磁性氧化鐵納米顆粒不銹鋼微反應(yīng)器［57］。Fig.3（a）Y-channel mixer with embedded nanofiber［55］.（b）Controlled growth of SiO2-TiO2 hybrid nanoparticles through a multistep microfluidic approach［56］.（c）Preparation of superparamagnetic iron oxide nanoparticles by a stainless steel microreactor［57］.

單相層流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但流體在通道中的傳質(zhì)效果一般，易發(fā)生交叉污染，通過改進(jìn)通道形狀或?qū)⒎磻?yīng)器以不同方式組合使用可在一定程度上解決上述問題。

2.1.2 多相分段流微流控裝置

多相分段流是指互不相溶的兩股流體在通道中平行流動(dòng)，因物理性質(zhì)的差異兩相之間會(huì)產(chǎn)生連續(xù)液膜。與單相層流相比，多相流體的流動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，不僅與溶液本身的密度、粘度等物性有關(guān)，也受流體間的相互作用力影響。Aota等[79]通過“壓差”定義多相微流體的流形，將與流體本身性質(zhì)有關(guān)的壓力差稱為流體兩端壓力差ΔPF，與流體間作用力有關(guān)的壓力差稱為拉普拉斯壓差ΔPL。基于Young-Laplace方程：

其中R1和R2為液-液界面在垂直和平行于液流方向上的曲率半徑。對(duì)于平行多相微流，公式（1）可簡化為：

其中θ和d分別為微通道的接觸角和深度。θre和θad分別為后退和前進(jìn)接觸角，因此ΔPF受到下列公式的限制：

以水相和有機(jī)相為例，當(dāng)ΔPF＞ΔPL時(shí)，有機(jī)相向水相移動(dòng)；反之，水相向有機(jī)相移動(dòng)（圖4（a））。

在單相層流裝置中，系統(tǒng)相對(duì)靜態(tài)且傳質(zhì)過程受擴(kuò)散控制。而多相反應(yīng)可通過加入與試劑互不相溶的載液將試劑隔開，在短時(shí)間內(nèi)按需形成不同條件的液段。目前存在兩種主要類型的分段流體：液-液[58]和氣-液[59]。液-液分段（圖4（b））[60]下離散的液滴在納升尺度上被不相溶的惰性載液包裹，以有規(guī)律的移動(dòng)界面間距分段流動(dòng)。Sen等[61]以BaCl2和H2SO4為分散相、十二烷為載體相在聚四氟乙烯（PTFE）盤管內(nèi)合成BaSO4納米顆粒，十二烷的存在可避免水相潤濕微通道壁，緩解固體顆粒生成引起的管道堵塞。氣-液分段（圖4（c））則是用離散氣泡分隔液體來限制液體段中的反應(yīng)，離散液的內(nèi)部循環(huán)可將材料從通道壁轉(zhuǎn)移到液體中心，實(shí)現(xiàn)充分的對(duì)流混合和高效的熱質(zhì)傳遞。

圖4 （a）壓差判斷多相微流體流形示意圖［79］；（b）不相溶連續(xù)相包裹離散液塞示意圖［60］；（c）連續(xù)相被不相溶離散氣泡分離的液塞示意圖［60］。Fig.4（a）Pressure balance at the liquid-liquid interface of two phase microflows［79］.（b）Discrete liquid plugs encapsulated by an immiscible continuous phase［60］.（c）Liquid slugs with the continuous phase separated by immiscible discrete bubbles［60］.

Cabeza等[62]設(shè)計(jì)了一套用于制備金納米顆粒的多相分段微流控裝置（圖5（a）），將三種惰性流體（空氣、甲苯和硅油）作為分散相注入由金前體和還原劑組成的流動(dòng)載體水相中。研究表明，通過改變兩相物理性質(zhì)以及入口流速可控制納米顆粒的尺寸及分布。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)過程中引入N2、CO、O2等氣體可以改變顆粒的形態(tài)和結(jié)晶度。Larrea等[63]用分段流微反應(yīng)器研究不同氣體對(duì)納米材料的影響（圖5（b）），通入H2可得到高分散性且具有八面體特征的黑色磁鐵礦納米晶體，引入O2則會(huì)得到形貌不規(guī)則的橙色亞鐵酸鹽晶體，而CO作為工作氣時(shí)則會(huì)表現(xiàn)出雙重特性。因此，多相分段流反應(yīng)器在合適的反應(yīng)條件下，可合成特定形貌、特定晶型的納米材料。

圖5 （a）多相微流控制備金納米顆粒示意圖［62］；（b）不同氣源進(jìn)行液體分割而產(chǎn)生不同形貌磁性納米材料［63］。Fig.5（a）Multiphase microfluidic preparation of AuNPs［62］.（b）Liquid partitioning by different gases resulting in magnetic nanomaterials of different morphologies［63］.

2.1.3 基于液滴流動(dòng)的微流控裝置

微芯片液滴技術(shù)是微流控技術(shù)的一個(gè)重要分支，通過改變流動(dòng)剪切力或表面張力將兩種互不相溶流體中的離散相流體分割，分離成納升尺度的微液滴。該技術(shù)有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如微液滴占據(jù)空間小，反應(yīng)物質(zhì)被限制在了液滴內(nèi)部，可加速物質(zhì)之間的傳質(zhì)速率；反應(yīng)時(shí)間精確可控，操作靈活；每個(gè)液滴都是一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器，大大降低了試劑對(duì)芯片通道的污染。根據(jù)液滴生成方式又可分為T型結(jié)構(gòu)法、流動(dòng)聚焦法和同軸流動(dòng)共聚焦法。

T型微通道結(jié)構(gòu)簡單，廣泛用于微液滴的生成。Thorsen等[64]采用縮徑T型通道微芯片（圖6（a）），從芯片端口引入油水兩相并在T型結(jié)構(gòu)交叉處混合形成油/水界面，當(dāng)界面張力不能維持油相剪切力時(shí)，水相就會(huì)斷裂成液滴。張志井等[65]在亞克力玻璃板上刻出400 μm×400 μm的T型凹槽，并利用高速攝像機(jī)研究微液滴形成過程和液滴長度變化規(guī)律。

其中，和分別為離散相和連續(xù)相的體積流量，W和H分別為截面的長和寬，μc為連續(xù)相的動(dòng)力黏度，σ為兩相表面張力，Cac為黏性力與表面張力的相對(duì)大小。當(dāng)連續(xù)相流速較低時(shí)，離散相在T型通道交匯處聚集后沿著通道方向流動(dòng)，經(jīng)拉伸、剪斷形成周期性的彈狀液滴；而體積流量較大時(shí)，離散相在連續(xù)相的剪切力及兩相的表面張力作用下，斷裂形成長度較小的滴狀流。

與T型結(jié)構(gòu)法相比，流動(dòng)聚焦法（圖6（b））是從兩側(cè)擠壓離散相，導(dǎo)致界面失穩(wěn)形成液滴[66]。韓丹丹等[67]基于流動(dòng)聚焦微結(jié)構(gòu)研究兩相流速、連續(xù)相粘度和縮徑孔口尺寸對(duì)微液滴生成的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)連續(xù)相流量固定時(shí)，微液滴尺寸隨分散相流量、粘度、孔口尺寸的增大而增加。

同軸流動(dòng)共聚焦法是使用嵌套毛細(xì)管使連續(xù)相從四周擠壓離散相流體導(dǎo)致前端失穩(wěn)生成液滴的方法（圖6（c））[68]。與上述兩種方法相比，該方法不需要借助光刻技術(shù)或超凈實(shí)驗(yàn)室加工反應(yīng)器，成本較低、工藝相對(duì)簡單。Bandulasena等[69]使用三相玻璃毛細(xì)管微流控裝置，通過改變?cè)噭┝魉?、毛?xì)管尺寸和毛細(xì)管形狀實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴和納米顆粒的精確控制。基于液滴的微流控裝置為實(shí)驗(yàn)提供更大的靈活性和穩(wěn)定性，在不停止輸入驅(qū)動(dòng)力或浪費(fèi)昂貴試劑的情況下可快速靈活地切換反應(yīng)條件。

圖6 （a）T型結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)油水界面［64］；（b）十字交叉流動(dòng)聚焦芯片示意圖［66］；（c）同軸毛細(xì)管共流/逆流合成液滴示意圖［68］。Fig.6（a）Oil-water interface in a T-structure chip［64］.（b）Schematic diagram of cross-cross flow focus chip［66］.（c）Droplet generation using cocurrent/countercurrent flow in coaxial capillaries［68］.

2.2 管式微反應(yīng)器

管式微反應(yīng)器比芯片微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、容易搭建，各個(gè)模塊間可靈活組裝，不僅提高了處理通量，還促使微流控系統(tǒng)向自動(dòng)化、集成化和功能化方向發(fā)展。目前，管式微反應(yīng)器已用于合成各種納米材料，如聚合物材料[70]、金屬有機(jī)框架（MOFs）[71]、金屬納米顆粒、半導(dǎo)體量子點(diǎn)等。

Li等[72-73]用三通管式微反應(yīng)器在等離子體作用下了合成了金、銀及其合金納米顆粒，并借助它們的表面增強(qiáng)拉曼散射性能成功檢測羅丹明、結(jié)晶紫、亞甲基藍(lán)等物質(zhì)。Song等[74]將石英針插入由T型聚醚醚酮（PEEK）混合器和全氟烷氧基毛細(xì)管組成的微通道反應(yīng)器中來引入分散相（圖7（a）），有效改善了因通道壁未潤濕造成的液液兩相流動(dòng)受限、管道堵塞問題。Yang等[75]在管式微反應(yīng)器中合成CdSe納米晶體（圖7（b）），并采用油胺作為配體增加了Cd的反應(yīng)性，促進(jìn)了反應(yīng)物的擴(kuò)散，合成的產(chǎn)物有非常窄的光致發(fā)光半峰全寬。Nightingale等[43]證明，與間歇反應(yīng)器相比，管式微反應(yīng)器有著更高的傳質(zhì)效率，反應(yīng)條件也更溫和。

具有微混合器或混合區(qū)的管狀反應(yīng)器已被應(yīng)用于合成各種納米材料，混合性能優(yōu)于芯片反應(yīng)器，表現(xiàn)出穩(wěn)定的流動(dòng)模式，不易結(jié)垢，但相比芯片微反應(yīng)器反應(yīng)的精度和可控性較低。

2.3 離心式微反應(yīng)器

多數(shù)芯片和管式微反應(yīng)器工作時(shí)是靜止的，反應(yīng)由流體運(yùn)動(dòng)或外界能量輸入來驅(qū)動(dòng)；而基于離心力驅(qū)動(dòng)的微反應(yīng)器則是利用微電機(jī)帶動(dòng)下作圓周運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力作為液流的驅(qū)動(dòng)力，與其他驅(qū)動(dòng)方式相比加工方便、驅(qū)動(dòng)流體范圍廣、流體流動(dòng)無脈動(dòng)以及易于進(jìn)行高通量分析等優(yōu)勢(shì)。

Czugala等[76]采用如圖7（c）所示的多層離心圓盤裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)水質(zhì)檢測。該裝置可同時(shí)將多個(gè)樣品移入采樣口，以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)圓盤，固體在離心力作用下被保留在上腔，液體則會(huì)流入別的腔室進(jìn)行pH或者濁度檢測。Kim等[77]設(shè)計(jì)了一個(gè)用于沙門氏菌檢測的離心式全自動(dòng)微反應(yīng)系統(tǒng)（圖7（d）），將病原體檢測、DNA提取、等溫重組酶聚合擴(kuò)增和檢測集成到一個(gè)圓盤上。整個(gè)過程在30 min內(nèi)完成，且檢測結(jié)果可視化。離心式微反應(yīng)器與各種檢測技術(shù)的集成可作為一種廉價(jià)且功能性強(qiáng)的檢測手段，在食品、化妝品風(fēng)險(xiǎn)物（如重金屬離子、亞硝胺、酚類化合物等）的分析中有著巨大的應(yīng)用潛力。

圖7 （a）用于苯胺聚合的微反應(yīng)器系統(tǒng)示意圖［74］；（b）合成CdS/ZnS納米晶的微通道示意圖［75］；（c）離心微流控系統(tǒng)分析監(jiān)測水質(zhì)［76］；（d）用于沙門氏菌檢測的全集成光盤實(shí)驗(yàn)室［77］。Fig.7（a）Schematic diagram of the microreactor system for the polymerization of aniline［74］.（b）Synthesis of CdS/ZnS nanocrystals in microchannels［75］.（c）Centrifugal microfluidic system for water analysis and monitoring［76］.（d）An automated labon-a-disc for Salmonella detection［77］.

3 微流控制備熒光納米材料典例

具有光熱穩(wěn)定性好、生物相容性好以及光學(xué)性能優(yōu)異[80]的熒光納米材料可作為替代傳統(tǒng)有機(jī)熒光材料的理想物質(zhì)。本節(jié)將根據(jù)熒光材料種類介紹有關(guān)微流控制備技術(shù)的典例。

3.1 半導(dǎo)體納米顆粒

半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為熒光納米材料的一種，發(fā)射波段覆蓋了從紫外到近紅外的范圍，在生物成像、發(fā)光二極管（LED）以及新型顯示器[81]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。迄今為止，微流控技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了多種半導(dǎo)體量子點(diǎn)的連續(xù)可控合成，包括Ⅳ-Ⅵ(PbS）[82]、Ⅵ(CuInS2）[83]、Ⅰ-Ⅳ-Ⅶ(CsPbBr3）[84]、Ⅱ-Ⅳ(CdSe）[85]、Ⅲ-Ⅴ(InP）[86]和Ⅰ-Ⅲ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅳ(Cu2ZnSnS4）[87]。

Liu等[85]采用管式微通道裝置合成CdSe量子點(diǎn)（圖8（a）），與間歇式反應(yīng)器相比，微通道內(nèi)傳質(zhì)傳熱效率更高，得到的CdSe量子點(diǎn)表面缺陷更少，量子產(chǎn)率更高。Singh等[88]使用芯片微反應(yīng)器在室溫下分別合成了ZnS和Mn摻雜的ZnS半導(dǎo)體納米顆粒（圖8（b）），Mn2+以四面體對(duì)稱形式摻雜在ZnS材料表面，大大改善了半導(dǎo)體顆粒的量子產(chǎn)率和光熱性能。Cheng等[89]首次使用磁熱微流控芯片快速合成了具有更高光學(xué)性能和連續(xù)生產(chǎn)的CdSe和CdSe@ZnS量子點(diǎn)（圖8（c）），所制備的CdSe@ZnS量子點(diǎn)表現(xiàn)出相對(duì)較高的光致發(fā)光量子產(chǎn)率(70%）。Baek等[90]將多個(gè)高溫高壓芯片微反應(yīng)器串聯(lián)成連續(xù)流合成系統(tǒng)（圖8（d）），分別加強(qiáng)混合、老化、連續(xù)生長、殼層形成和退火過程，成功合成了InP/ZnS、InP/CdS和InAs/InP等一系列核殼結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，且量子產(chǎn)率可達(dá)45%?？梢?，利用微流控技術(shù)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米材料的可控制備。

圖8 （a）微流控合成CdSe［85］；（b）微流控合成Mn摻雜ZnS納米顆粒［88］；（c）磁熱微流控制備CdSe和CdSe@ZnS量子點(diǎn)［89］；（d）多級(jí)微流控平臺(tái)連續(xù)合成核殼量子點(diǎn)［90］。Fig.8（a）Microfluidic synthesis of CdSe［85］.（b）Microfluidic synthesis of Mn-doped ZnS nanoparticles［88］.（c）Microfluidic preparation of CdSe and CdSe@ZnS quantum dots［89］.（d）Synthesis of core-shell quantum dots using a multi-stage microfluidic platform［90］.

3.2 碳點(diǎn)

碳點(diǎn)（CDs）是以sp2-sp3雜化疇結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的零維納米碳材料，由碳核和碳?xì)刹糠謽?gòu)成，與半導(dǎo)體納米顆粒有著相似的尺寸和熒光性能，但其生物毒性低，更適用于細(xì)胞成像[91]以及疾病監(jiān)測[92]、診療[93]等領(lǐng)域。Lu等[94]通過快速篩選制備碳點(diǎn)的反應(yīng)條件及研究光致發(fā)光機(jī)理證明微反應(yīng)器是高效合成碳點(diǎn)的理想工具。Rao等[95]使用三種不同通道形狀（直線型、蛇型和雙蛇型）的芯片微反應(yīng)器探索碳點(diǎn)的快速規(guī)?；铣晒に嚕▓D9（a）），隨著反應(yīng)物流速增大，碳點(diǎn)的濃度和尺寸會(huì)減小，紫外吸收峰和熒光強(qiáng)度下降。由紅外吸收可知碳點(diǎn)表面含有C—O、O—H等含氧官能團(tuán)，可與Fe3+作用發(fā)生熒光猝滅，可用作構(gòu)建檢測Fe3+的傳感平臺(tái)的理想材料。

圖9 （a）線性、蛇形和雙蛇形微反應(yīng)器合成碳點(diǎn)［95］；（b）泡沫銅微反應(yīng)器制備N-CDs用于檢測Hg2+示意圖［97］；（c）基于液滴的微反應(yīng)器結(jié)合在線檢測和端點(diǎn)檢測合成α-FAPbI3示意圖［101］。Fig.9（a）Synthesis of carbon dots in linear，serpentine and double serpentine microreactors［95］.（b）Preparation of N-CDs for the detection of Hg2+by copper foam microreactors［97］.（c）Droplet-based microreactor for the synthesis of α-FAPbI3 combining in-situ detection and endpoint detection［101］.

Lin等[96]使用管式微反應(yīng)器連續(xù)合成了具有窄尺寸分布的氮磷共摻雜碳量子點(diǎn)，表面豐富的官能團(tuán)（如C—N、C—P、P—O、—NH2、P—O—C等）可賦予碳點(diǎn)更多活性位點(diǎn)和更好的導(dǎo)電性。Tang等[97]以檸檬酸和乙二胺為原料在泡沫銅微反應(yīng)器上合成N-CDs（圖9（b）），檸檬酸的羧基和羥基與乙二胺的氨基首先發(fā)生反應(yīng)形成小分子熒光團(tuán)后聚集成大分子熒光團(tuán)，之后碳核生長，而碳點(diǎn)表面分子熒光團(tuán)的形成和碳核生長之間存在競爭關(guān)系，需要控制合適的反應(yīng)溫度以制備高量子產(chǎn)率的產(chǎn)物。在此基礎(chǔ)上，研究人員還將碳點(diǎn)做成熒光探針，利用亞硝胺-碳量子點(diǎn)增敏化學(xué)發(fā)光機(jī)理成功檢測出亞硝胺。這對(duì)碳量子點(diǎn)熒光探針設(shè)計(jì)及其在化妝品風(fēng)險(xiǎn)物檢測中的應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義。

3.3 鈣鈦礦納米顆粒

鈣鈦礦納米顆粒是一種新型的光電材料[98]，其 結(jié) 構(gòu) 通 式 為ABX3，通 常A為CH3NH3+、HC-或Cs+，B為Pb2+、Sn2+、Mn2+等，X為Cl-、Br-、I-。這類熒光材料具有高吸收系數(shù)、高載流子移動(dòng)率和低陷阱密度等特點(diǎn)，在光伏電池[99]、LED和激光器[100]等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

Maceiczyk等[101]使用液滴微流控反應(yīng)器合成了高純度的FAPbI3、FAPbBr3和FAPb(Br/I）3納米顆粒（圖9（c）），結(jié)合在線熒光檢測發(fā)現(xiàn)溴化物呈現(xiàn)片狀生長，碘化物呈現(xiàn)立方體形，具有精確的波長調(diào)諧（700～800 nm）、較窄的發(fā)射線寬（＜90 meV）以及高量子產(chǎn)率（約90%）。Lignos等[102]使用相同的反應(yīng)裝置制備FAPbX3（X=Br，Cl）納米顆粒，當(dāng)Br負(fù)載量在40%～95%連續(xù)變化時(shí)，光致發(fā)光（PL）光譜會(huì)在465～520 nm之間可控調(diào)諧，但高Cl負(fù)載量會(huì)因鹵化物離子的隔離使顆粒PL強(qiáng)度和量子產(chǎn)率顯著下降。

與有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料相比，全無機(jī)鈣鈦礦納米材料光學(xué)性能更優(yōu)異，合成工藝更簡便，但材料穩(wěn)定性相對(duì)較差?？赏ㄟ^降低材料的結(jié)構(gòu)維度或者混合不同晶體來改善穩(wěn)定性和光致發(fā)光量子產(chǎn)率。Bao等[103]在微通道內(nèi)制備零維結(jié)構(gòu)的Cs4PbBr6納米晶，獲得了高穩(wěn)定性和高PL量子產(chǎn)率的產(chǎn)品，并成功應(yīng)用于發(fā)光二極管中。之后，該課題組使用相同方法制備了PL量子產(chǎn)率高達(dá)86.9%的CsPbBr3/Cs4PbBr6復(fù) 合 納 米 晶 體[104]，并將其與辛烷己烷混合作為發(fā)光墨水打印出高分辨率圖案，展示了該材料在噴墨打印中的應(yīng)用潛力。

3.4 稀土摻雜納米顆粒

稀土元素是指包含鈧（Sc）、釔（Y）和15個(gè)鑭系元素在內(nèi)的一組金屬元素，具有豐富的4f能級(jí)，可提供從紫外區(qū)到近紅外區(qū)的光發(fā)射光譜，且熒光壽命長，在發(fā)光領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

宋雪霞等[105]使用PTFE毛細(xì)管微反應(yīng)器制備LaPO4∶Ce3+,Tb3+納米材料，停留時(shí)間會(huì)對(duì)材料的光致發(fā)光性能產(chǎn)生影響。Zhu等[106]采用紅外線控溫的微波爐精準(zhǔn)加熱微反應(yīng)器，在促進(jìn)納米粒子成核和生長的同時(shí)可保證粒徑的均一性。Che等[107]使用管式微反應(yīng)器在100～120℃條件下合成結(jié)晶度高、分散性好、且發(fā)光性能優(yōu)越的LaPO4∶Eu納米晶體，結(jié)合人類肺癌A549、肝細(xì)胞7721和乳腺癌231細(xì)胞進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物L(fēng)aPO4∶Eu具有極好的生物相容性。

NaYF4是目前發(fā)現(xiàn)的上轉(zhuǎn)換效率最高的基質(zhì)材料，具有立方相(α-）和六方相(β-）兩種晶體結(jié)構(gòu)。Li等[108]使用液滴微流控反應(yīng)器制備NaYF4∶Yb,Tm,Er稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換納米材料，通過調(diào)控主晶格、敏化劑Yb和活化劑Tm-Er的比例以及反應(yīng)溫度，合成出發(fā)白光的納米晶體。該材料在紅外光的激發(fā)下會(huì)發(fā)生顏色變化，可應(yīng)用于信息存儲(chǔ)、智能窗戶、全息防偽技術(shù)等領(lǐng)域。Wickberg等[109]利用微流控技術(shù)合成了NaYF4∶Yb3+，Er3+上轉(zhuǎn)換納米材料，該材料在500～580 nm的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著溫度依賴行為，可混合到含有光引發(fā)劑的光刻膠中制造微米級(jí)的光學(xué)溫度探頭，精確靈活地進(jìn)行局部溫度測量。

3.5 金屬及氧化物復(fù)合納米材料

金屬納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度或由它們作為基本單元構(gòu)成的金屬材料，兼具納米材料的特殊性能和金屬的物化性能，在電極表面改性和離子檢測領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。Bressan等[110]基于熔融沉積建模構(gòu)建了微流控3D打印裝置以連續(xù)流動(dòng)方式首次合成殼核Au@Ag納米粒子，發(fā)現(xiàn)隨著銀鹽濃度的增加，金屬核心的表面等離子體共振向銀殼藍(lán)移，溶液顏色從紅色變成黃色。Wu等[111]使用液滴微反應(yīng)器制備了粒徑均一的Ficin保護(hù)的金納米團(tuán)簇（F-AuNCs），F(xiàn)e3+可與F-AuNCs表面的氨基和羧基配位，降低其表面電子密度和熒光強(qiáng)度，可應(yīng)用于血清中Fe3+的檢測。

ZnO和Fe3O4具有帶隙大、光學(xué)透明度范圍廣和聲子能量低的特點(diǎn)，以其為基質(zhì)引入摻雜離子，可獲得多功能熒光氧化物復(fù)合材料。Roig等[112]使用微通道反應(yīng)器制備多配體修飾的ZnO納米材料，表面活性劑的存在可將納米粒子成核/生長過程與表面功能化過程分開，避免粒子團(tuán)聚，增強(qiáng)熒光性能。Yang等[113]使用PTFE管結(jié)合超聲輔助的方法在20～60℃范圍內(nèi)合成了ZnO納米顆粒，通過改變超聲波功率使得引入的氣泡數(shù)量變化，從而改變反應(yīng)面積，合成顆粒尺寸可控的ZnO納米顆粒。Lan等[114]使用液滴微流控反應(yīng)器制造熒光/磁性Janus微粒，將含有Fe3O4納米顆粒的藻酸鹽溶液注入微通道反應(yīng)器內(nèi)，在體系中加入Ca2+，液滴可固化成熒光/磁性Janus微粒。該產(chǎn)物可應(yīng)用于DNA檢測，在生物及臨床檢測中有良好的應(yīng)用潛能。

表2總結(jié)了一些微流控技術(shù)合成熒光納米材料的典型例子，以期給后續(xù)該領(lǐng)域的研究人員提供參考。

表2 微流控制備熒光納米材料典例Tab.2 Summary of fluorescent nanomaterials fabricated by microfluidics

表2 (續(xù))

4 結(jié)論與展望

綜上所述，微流控技術(shù)具有比表面積大、試劑耗量少、熱質(zhì)傳遞速率高、安全性能好、連續(xù)操作等特點(diǎn)，能有效解決傳統(tǒng)間歇合成過程中產(chǎn)物粒徑分布不均勻、批次重復(fù)性差、光熱穩(wěn)定性不好等問題，為熒光納米材料的制備提供了新策略。所合成的產(chǎn)物在生物醫(yī)學(xué)、傳感、檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。需要指出的是，雖然該技術(shù)擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，但仍需解決以下挑戰(zhàn)：（1）在微反應(yīng)器中單相或多相流體流動(dòng)和傳質(zhì)傳熱研究尚需更深入。流體本身的密度粘度以及物質(zhì)間的相互作用力都會(huì)對(duì)流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，需結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真模擬流體流動(dòng)過程，揭示微通道內(nèi)傳質(zhì)傳熱規(guī)律。（2）微反應(yīng)器內(nèi)熒光納米材料的形成機(jī)理尚不明晰，需借助先進(jìn)表征技術(shù)（如高分辨顯微鏡）在線監(jiān)測顆粒成長過程，結(jié)合數(shù)值模擬解析反應(yīng)機(jī)理，為納米材料的精準(zhǔn)制備提供指導(dǎo)。（3）微納結(jié)構(gòu)器件作為微流控系統(tǒng)的重要組成部分，微納制造技術(shù)的成熟度直接影響微流控技術(shù)的發(fā)展，而以光學(xué)玻璃為加工材料的加工過程繁瑣復(fù)雜、通道深寬比難以控制，故以熱塑性聚合物為基材開發(fā)微納結(jié)構(gòu)器件仍需進(jìn)一步發(fā)展。（4）實(shí)現(xiàn)工業(yè)放大。微流控合成納米材料的基礎(chǔ)研究已小有進(jìn)展，但產(chǎn)量較少，距工業(yè)化應(yīng)用仍有距離。單個(gè)反應(yīng)器的優(yōu)化及多個(gè)反應(yīng)器的并行放大研究能為熒光納米材料的規(guī)?；a(chǎn)提供理論依據(jù)。

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