AIE标记荧光聚甲基丙烯酸甲酯纳米颗粒的制备

Preparation of AIE-labelled Fluorescent PMMA Nanoparticles

摘要

研究制备两种不同尺寸的聚甲基丙烯酸甲酯纳米颗粒（PMMA NPs），分别命名为P100 NPs和P300 NPs，其平均粒径分别为（102±6） nm和（293±10） nm，Zeta电位分别为-34.3 mV和-27.5 mV，均呈单分散球形结构。通过溶胀法将具有聚集诱导发光特性的四苯基乙烯（TPE）荧光标记引入PMMA NPs中，确定了最佳溶胀剂四氢呋喃（THF）的体积分数为20%，荧光浓度为1 g/L，溶胀时间为3 h。结果表明，在氙灯照射60 min后，TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs荧光强度分别仅下降12.4%和10.1%，展现出优异的光稳定性。研究结果为高性能荧光纳米材料的发展提供参考，为生物成像和细胞示踪等生物医学领域的应用提供了新的可能性。

Abstract

Two types of poly(methyl methacrylate) nanoparticles (PMMA NPs) with different sizes were prepared, named P100 NPs and P300 NPs, respectively. Their average particle sizes were (102±6) nm and (293±10) nm, and their zeta potentials were -34.3 mV and -27.5 mV, respectively. Both types exhibited monodisperse spherical structures. Tetraphenylethylene (TPE). A compound with aggregation-induced emission characteristics was introduced into the PMMA NPs as a fluorescent label through the swelling method. The optimal volume fraction of the swelling agent tetrahydrofuran (THF) was determined to be 20%, with a fluorescent concentration of 1 g/L and a swelling time of 3 h. The results showed that after 60 min of irradiation by a xenon lamp, the fluorescence intensities of TPE@P100 NPs and TPE@P300 NPs decreased by only 12.4% and 10.1%, respectively, demonstrating excellent photostability. The research findings provide a reference for the development of high-performance fluorescent nanomaterials and offer new possibilities for applications in biomedical fields such as bioimaging and cell tracking.

Graphical abstract

关键词

纳米粒子 / 聚甲基丙烯酸甲酯 / 聚集诱导发光

Key words

Nanoparticles / PMMA / Aggregation-induced emission

全球塑料制品的广泛使用对生态系统和人类健康构成严重威胁^[1-3]。预计到2025年，全球将有大约110亿t塑料排放到环境中，对生态系统造成长期影响^[4]。这些塑料最终会转化为微塑料(MPs)和纳米塑料(NPs)，广泛存在于自然环境中。由于其较大的比表面积和易于穿透生物屏障的特性，这些微小塑料颗粒带来了更高的生态毒理风险^[5-6]。特别是NPs能够穿透生物屏障，进入血液，被细胞吸收，并可能在组织和器官中积累，由此引发的长期生态毒理效应已成为环境科学领域面临的重要挑战^[7]。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为一种无定型热塑性聚合物，因其优异的冲击强度、透光性和生物相容性而受到关注^[8-10]。PMMA在药物递送和环境监测等领域展现出巨大应用潜力，但其在环境介质中的长期行为及其潜在生态毒性仍是研究的未知领域^[11]。PMMA可能会通过生物侵蚀或机械磨损释放有毒物质，进而影响生态系统的平衡^[12]。深入研究聚甲基丙烯酸甲酯纳米颗粒(PMMA NPs)的环境行为和毒性，有助于丰富和深化对塑料污染机制的认识，对于评估其在实际应用中的安全性以及制定相应的环境政策具有重要意义。

传统荧光标记技术在聚集状态下易受聚集诱导猝灭(ACQ)效应的影响，导致荧光信号不稳定，限制其在复杂环境中的应用^[13]。相比之下，聚集诱导发光(AIE)材料基于分子内运动受限(RIM)机制，在聚集状态下可产生显著的荧光增强效应，有效克服了ACQ效应导致的信号衰减问题^[14-15]。在分散状态下，AIE分子因分子内运动受限而消耗能量，表现出弱荧光；而在聚集状态下，分子内运动受限使能量通过辐射跃迁释放，产生强烈的荧光信号。这种独特的发光特性使AIE材料在复杂环境中展现出卓越的稳定性和灵敏度^[16]。AIE标记技术凭借其独特的荧光性能和广泛的应用潜力，已成为纳米科学和生物医学领域的重要研究方向。

本研究旨在结合AIE特性和PMMA NPs，开发新型荧光纳米材料，用于生物成像和环境检测，以克服传统荧光标记技术在复杂环境中的应用限制。以往研究多聚焦于传统荧光标记材料的改性或新型荧光材料的开发，但将AIE特性与PMMA NPs相结合用于生物成像和环境检测的研究较少^[17]。本研究通过溶胀法将AIE荧光分子四苯基乙烯(TPE)引入PMMA NPs中，优化制备工艺，合成不同尺寸的AIE标记荧光PMMA NPs，并系统表征其尺寸分布、形貌特征及荧光性能，为高性能荧光纳米材料的设计提供了新的思路和方法，为开发新型生物成像和环境监测材料提供参考。

1 实验材料及方法

1.1 主要原料

甲基丙烯酸甲酯(MMA)，质量分数98%，上海中秦化学试剂有限公司；TPE，质量分数98%，上海阿拉丁化学有限公司；十二烷基硫酸钠(SDS)、过硫酸钾(KPS)、四氢呋喃(THF)，分析纯，天津市百世化工有限公司；偶氮二异丁腈(AIBN)，质量分数98%，上海阿拉丁化学有限公司；吐温-20，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；无水乙醇，分析纯，天津富宇精细化工有限公司；高纯氮气，体积分数99%，兰州裕隆气体股份有限公司；去离子水，自制。

1.2 仪器与设备

傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，FTIR-670，美国Nicolet公司；扫描电子显微镜(SEM)，ZEISS Supra 55，德国卡尔蔡司公司；纳米粒度及Zeta电位联用分析仪，Zetasizer Nano ZS90，英国Malvern公司；荧光光谱仪，F97pro，中国上海棱光技术有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 乳液聚合法制备P100 NPs​

本实验采用乳液聚合法，制备平均粒径为100 nm的PMMA NPs，命名为P100 NPs。实验在N₂保护的三口瓶中进行，将150 mL去离子水与0.001 1 g SDS混合，以300 r/min的速率搅拌5 min，随后加入10 g MMA，继续搅拌10 min使单体充分乳化。将体系加热至75 ℃，恒温搅拌30 min后，迅速加入0.1 g KPS作为引发剂，在75 ℃下反应5 h^[18]。

1.3.2 无皂乳液法制备P300 NPs

在三口烧瓶中加入140 mL去离子水，通入N₂ 30min以除氧。随后加热至70 ℃，加入15 g MMA，以300 r/min的速率搅拌30 min，进行预乳化。加入0.3 g AIBN作为引发剂，在70 ℃下反应24 h，制备出平均粒径为300 nm的PMMA NPs，命名为P300 NPs。

1.3.3 溶胀法制备荧光标记的TPE@PMMA NPs

将1.0 g P100 NPs或P300 NPs分散于0.3 g吐温-20中，超声10 min。将10 mg TPE溶于10 mL THF中，缓慢滴加至分散液中，在35 ℃下以300 r/min的速率搅拌，保证溶液的总体积为100 mL。反应结束后，多次洗涤和透析，直至上清液和透析液中检测不到TPE信号，最终获得荧光标记的TPE@PMMA NPs。基于P100 NPs和P300 NPs制备的样品分别命名为TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs。为确定最佳溶胀剂含量，将THF的体积分数从5%逐步提升至50%。调整TPE荧光浓度从0.05 g/L增加至1.00 g/L，设置1~5 h的不同溶胀时间，综合分析各因素对实验结果的影响，以实现实验条件的优化。

1.4 性能测试与表征

SEM测试：将分散液滴涂于导电胶铜柱，干燥后溅射镀膜(60 s，15 mA)。

动态光散射(DLS)测试：取一滴分散液，用2 mL蒸馏水稀释后置于比色皿中测试。在90°散射角、25 °C条件下测量粒径和多分散指数(PDI)。

Zeta电位测试：分散液稀释后，超声1~2 min后置于比色皿中测试。

FTIR测试：样品与溴化钾混合压片，扫描范围4 000~500 cm^-1，扫描16次，分辨率4 cm^-1。

荧光光谱测试：将5 μL样品分散于2 mL蒸馏水中。激发波长330 nm，发射波长460 nm。

2 结果与讨论

2.1 PMMA NPs的形貌分析

图1为PMMA NPs的SEM照片与粒径分布。从图1可以看出，P100 NPs和P300 NPs均呈规则的球形结构，表面光滑，颗粒之间无明显团聚现象，粒径分布均匀，展现出优异的单分散性，平均粒径分别为(102±6) nm和(293±10) nm。乳液聚合依赖表面活性剂来稳定乳胶粒子，而无皂乳液聚合则通过调整单体在水中的自组装行为和引发剂的分解动力学来实现粒子的成核和生长，不需要添加表面活性剂或乳化剂，从而避免了表面活性剂残留可能引发的生物毒性风险^[19]。两种方法的本质区别在于传统乳液聚合体系中表面活性剂的存在会引入界面活性位点，而无皂体系则通过引发剂分解产生的离子基团实现粒子的稳定化。

2.2 TPE@PMMA NPs的FTIR分析

图2为TPE、PMMA NPs和TPE@PMMA NPs的FTIR谱图。从图2可以看出，TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs中同时存在PMMA基体与TPE的特征吸收峰。1 730 cm^-1处的吸收峰对应PMMA中羰基(C=O)的伸缩振动；2 850~2 950 cm^-1的吸收峰对应甲基(—CH₃)和亚甲基(—CH₂—)的C—H伸缩振动；1 380 cm^-1附近的峰对应甲基的C—H弯曲振动^[8]。624 cm^-1和577 cm^-1处为TPE中苯环单取代C—H键的面外弯曲振动，表明TPE中苯环结构的特征振动模式^[20]。在TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs的光谱中，PMMA的特征峰完整保留，同时TPE的特征峰清晰可见，且未出现明显峰位偏移或新峰生成，表明TPE已成功掺入PMMA NPs中。

2.3 TPE@PMMA NPs的粒径及Zeta电位分析

表1为PMMA NPs和TPE@PMMA NPs的粒径分布与Zeta电位。从表1可以看出，P100 NPs和P300 NPs的平均粒径分别为127.4 nm和330.5 nm，PDI分别为0.292和0.261。溶胀后，TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs的粒径分别增至162.3 nm和430.3 nm，PDI分别为0.196和0.238。SEM与DLS结果对比表明，DLS的平均粒径大于SEM的几何尺寸，因为DLS测量的是包含溶剂化层的水动力直径，而SEM表征的是干燥样品的几何尺寸^[21]。P100 NPs和P300 NPs的Zeta电位分别为-34.3 mV和-27.5 mV，绝对值均大于25 mV，表明NPs在水中具有良好的稳定性^[22]。TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs的Zeta电位分别为-29.1 mV和-28.1 mV，可能是由于TPE分子的掺入改变了PMMA NPs表面的电荷分布。

2.4 溶胀剂的调控机制

纳米塑料在水相环境中通常呈稳定惰性态，但其功能性可通过溶剂诱导溶胀实现精准调控^[17]。Hansen溶解度参数(HSP)为溶胀剂筛选提供了定量化理论框架。HSP基于物质的内聚能密度，可预测塑料与溶剂的相容性。溶剂与聚合物的HSP越接近，相容性越高，溶胀效果越显著^[23]。两者的相容性可通过HSP距离(R_a)量化。

R_{\mathrm{a}}=\sqrt[]{\mathrm{4}({\delta }_{\mathrm{d},\mathrm{s}}-{\delta }_{\mathrm{d},\mathrm{p}}{)}^{\mathrm{2}}+({\delta }_{\mathrm{p},\mathrm{s}}-{\delta }_{\mathrm{p},\mathrm{p}}{)}^{\mathrm{2}}+({\delta }_{\mathrm{h},\mathrm{s}}-{\delta }_{\mathrm{h},\mathrm{p}}{)}^{\mathrm{2}}}(1)

式(1)中：δ_d,p、δ_p,p、δ_h,p分别为聚合物的色散力、偶极相互作用力和氢键参数；δ_d,s、δ_p,s、δ_h,s分别为溶剂的色散力、偶极相互作用力和氢键参数^[17]。

表2为常见溶胀剂及PMMA的Hansen溶解度参数。R_a越小，说明溶剂与聚合物的相容性越高，溶剂引发聚合物溶胀的可能性越大。在HSP理论框架中，可通过实验构建以聚合物参数为中心的溶剂相容性球体模型。相对能量差(RED)是来衡量溶剂与聚合物的相容性，即R_a与R₀的比值，R₀为该球体在Hansen空间中的相互作用半径。

当溶剂的Hansen参数与聚合物接近时，其R_a较低，落在球体内部，表明具有良好的相容性；反之，R_a较高的溶剂位于球体外部，表现为较差的相容性。基于相对能量差可对溶剂进行系统分类：RED<1的溶剂为良好溶剂；RED>1的溶剂为不良溶剂。表3为常见溶胀剂对PMMA NPs的RED。从表3可以看出，THF溶胀性最好，其相对能量差最小，表明与PMMA NPs的Hansen参数匹配度最高，是理想的溶胀溶剂。相比之下，H₂O与PMMA NPs的相容性最差，不适合作为溶胀介质。

2.5 溶胀剂含量对TPE@PMMA NPs的影响

TPE通过溶胀-内扩散机制负载至PMMA NPs。TPE溶解于THF后滴加至PMMA NPs悬浮液中，形成THF-H₂O溶胀体系，随后THF诱导PMMA NPs膨胀，TPE分子吸附在纳米颗粒表面，在吸附解吸平衡与溶剂亲和力作用下，TPE分子向颗粒内部扩散，溶剂去除后，PMMA NPs体积收缩，TPE分子被固定于颗粒内部。图3和图4为不同溶胀剂浓度下TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs的SEM照片。从图3和图4可以看出，对于TPE@P100 NPs，THF体积分数小于20%时，颗粒形貌规则、尺寸均匀；但体积分数超过30%时，出现球形度降低和颗粒黏连现象。在THF体积分数超过30%时，TPE@P300 NPs形貌不规则性显著增强，部分颗粒发生显著变形。当THF含量增加时，PMMA NPs的溶胀程度增大，TPE分子能够更充分地扩散到PMMA NPs内部，从而在聚集状态下产生更强的荧光信号。然而，当THF含量超过一定限度时，过多的溶剂会导致NPs的结构被破坏，使TPE分子在PMMA NPs内部的分布不均匀，影响荧光性能。

表4为THF体积分数对TPE@PMMA NPs平均粒径的影响。TPE@P100 NPs的平均粒径随THF含量的增加从(126±11) nm增至(157±56) nm，而TPE@P300 NPs从(301±8) nm增至(370±90) nm。THF含量是调控PMMA NPs形貌与尺寸一致性的关键参数。在溶胀过程中，过量的THF会破坏颗粒内部的交联结构，导致颗粒形态发生变化，最终影响PMMA NPs的稳定性^[24]。

2.6 溶胀剂含量对荧光强度的影响

图5为不同THF体积分数下TPE@PMMA NPs的荧光光谱。从图5可以看出，溶胀剂含量显著影响溶胀行为与荧光强度。在固定TPE含量条件下，随着THF含量增加，TPE@P100 NPs和TPE@P300 NPs的荧光强度均先增加后减少。当THF含量小时，PMMA NPs溶胀不充分，限制TPE分子聚集，荧光强度较弱。高THF含量下单分散性下降，过度膨胀的微球难以回缩，影响TPE分子在颗粒内的聚集状态，同时部分PMMA NPs溶解导致TPE重新分散至溶液，荧光强度降低。为确保形态稳定性与最优荧光性能，TPE@P100 NPs与TPE@P300 NPs的THF体积分数应为20%。

2.7 荧光浓度和溶胀时间对荧光强度的影响

图6为不同荧光浓度和溶胀时间下TPE@PMMA NPs的荧光光谱。从图6可以看出，溶胀平衡状态下，PMMA NPs内部的TPE含量趋于稳定^[13]。在固定TPE与THF含量条件下，TPE@P100 NPs与TPE@P300 NPs的荧光强度在3 h时达到峰值。溶胀时间小于3 h时，TPE分子未能充分渗透至NPs内部，导致AIE效应受限；相反，过长的溶胀时间可能导致NPs过度膨胀，难以恢复至原始状态，导致荧光强度降低，因此最佳溶胀时间为3 h。

2.8 TPE@PMMA NPs的光稳定性分析

图7为氙灯照射60 min TPE@PMMA NPs的荧光光谱。从图7可以看出，TPE@P100 NPs与TPE@P300 NPs的荧光强度分别下降12.4%与10.1%。TPE@P100 NPs与TPE@P300 NPs均表现出优异的光稳定性。

3 结论

本研究成功制备两种不同尺寸的PMMA NPs，证实了溶胀过程在调控纳米粒子尺寸和形态方面的有效性。通过优化溶胀剂含量和荧光浓度等参数，实现对TPE@PMMA NPs荧光性能的有效调控，为高性能荧光纳米材料的开发提供参考。所制备的TPE@PMMA NPs兼具优异的光稳定性和可控荧光性能，为活体生物成像提供高信噪比的标记材料。

参考文献

[1] YIN K, WANG Y, ZHAO H J, et al. A comparative review of microplastics and nanoplastics: Toxicity hazards on digestive, reproductive and nervous system[J]. Science of The Total Environment, 2021, 774: 145758.

[2] NIK MUT N N, NA J, JUNG J. A review on fate and ecotoxicity of biodegradable microplastics in aquatic system: Are biodegradable plastics truly safe for the environment[J]. Environmental Pollution, 2024, 344: 123399.

[3] BRAHNEY J, HALLERUD M, HEIM E, et al. Plastic rain in protected areas of the United States[J]. Science, 2020, 368(6496): 1257-1260.

[4] GEYER R, JAMBECK J R, LAW K L. Production, use, and fate of all plastics ever made[J]. Science Advances, 2017, 3(7): e1700782.

[5] CAI H W, XU E G, DU F N, et al. Analysis of environmental nanoplastics: Progress and challenges[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 410: 128208.

[6] GAYLARDE C C, NETO J A B, FONSECA E MDA. Nanoplastics in aquatic systems-are they more hazardous than microplastics?[J]. Environmental Pollution, 2021, 272: 115950.

[7] YONG C Q Y, VALIYAVEETTIL S, TANG B L. Toxicity of microplastics and nanoplastics in mammalian systems[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2020, 17(5): 1509.

[8] 陈国顺, 李雪坤, 尤雅芳, 等. 单分散羧基功能化聚甲基丙烯酸甲酯微球的制备及表征[J]. 上海塑料, 2021(4): 27-32.

[9] 王天佑, 范浩军, 陈意, 等. 分散聚合制备粒径可控的聚甲基丙烯酸甲酯微球[J]. 高分子材料科学与工程, 2019, 35(2): 41-46, 53.

[10] GAO Y F, ZHANG J M, LIANG J, et al. Research progress of poly(methyl methacrylate) microspheres: Preparation, functionalization and application[J]. European Polymer Journal, 2022, 175: 111379.

[11] MAHADEVAN G, VALIYAVEETTIL S. Comparison of genotoxicity and cytotoxicity of polyvinyl chloride and poly(methyl methacrylate) nanoparticles on normal human lung cell lines[J]. Chemical Research in Toxicology, 2021, 34(6): 1468-1480.

[12] YOU H J, JO Y J, KIM G, et al. Disruption of early embryonic development in mice by polymethylmethacrylate nanoplastics in an oxidative stress mechanism[J]. Chemosphere, 2024, 361: 142407.

[13] ZHANG L, LI G Z, XIN Q, et al. AIE-labeled fluorescent polystyrene nanoplastics for quantitative analysis in macrophages uptake[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2024, 413: 135878.

[14] 辛琦. AIE型聚苯乙烯纳米塑料制备及其细胞内荧光定量分析[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2023.

[15] LIANG X Q, HU Y X, CAO Z H, et al. Efficient synthesis of high solid content emulsions of AIE polymeric nanoparticles with tunable brightness and surface functionalization through miniemulsion polymerization[J]. Dyes and Pigments, 2019, 163: 371-380.

[16] YANG L P, TANG B Z, WANG W X. Near-infrared-II in vivo visualization and quantitative tracking of micro/nanoplastics in fish[J]. ACS Nano, 2023, 17(19): 19410-19420.

[17] STRICKER A, HILPMANN S, MANSEL A, et al. Radiolabeling of micro-/ nanoplastics via in-diffusion[J]. Nanomaterials, 2023, 13(19): 2687.

[18] 吴成. 聚甲基丙烯酸甲酯微球的制备、组装与性能研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2014.

[19] 唐宏科, 李婧. 新型无皂乳液聚合的研究与进展[J]. 化学世界, 2012, 53(10): 634-638.

[20] 罗一权, 冯亮, 郑仁林. 四苯乙烯制备及其应用研究综述[J]. 安徽化工, 2022, 48(4): 10-16.

[21] SAKULWECH S, LOURITH N, RUKTANONCHAI U, et al. Preparation and characterization of nanoparticles from quaternized cyclodextrin-grafted chitosan associated with hyaluronic acid for cosmetics[J]. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, 2018, 13(5): 498-504.

[22] AHMAD M Z, SABRI A H B, ANJANI Q K, et al. Design and development of levodopa loaded polymeric nanoparticles for intranasal delivery[J]. Pharmaceuticals, 2022, 15(3): 370.

[23] ALQASAS N, ESKHAN A, JOHNSON D. Hansen solubility parameters from surface measurements: A comparison of different methods[J]. Surfaces and Interfaces, 2023, 36: 102594.

[24] TEZUKA Y, MURAKAMI Y, SHIOMI T. Tailored synthesis and swelling control of polystyrene/poly (THF) two-component polymer networks[J]. Polymer, 1998, 39(13): 2973-2976.

基金资助

国家自然科学基金项目(22066015)