《Responsive Materials》：Photochemical fluorescence activation in arrays of microspherical containers
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具有光激活发射的合成染料能够对荧光空间分布进行光化学控制。当其扩散被限制在主体基质中时，图案化光照能够以持久荧光图案的形式光化学写入信息。然而，刚性环境可能阻碍光化学反应在分子层面所需的显著几何变化，而这些变化正是荧光激活所必需的。本文报道了为克服这些限制而进
具有光激活发射的合成染料能够对荧光空间分布进行光化学控制。当其扩散被限制在主体基质中时，图案化光照能够以持久荧光图案的形式光化学写入信息。然而，刚性环境可能阻碍光化学反应在分子层面所需的显著几何变化，而这些变化正是荧光激活所必需的。本文报道了为克服这些限制而进行的混合光响应材料的工程设计、制备与表征。这一前所未有的设计依赖于将光激活荧光团（photoactivatable fluorophores, PAFs）限制在液体微球形容器内，将所得微球在水溶液中组装成紧密堆积阵列，并将微球组装体固定在水凝胶基质中。在最终混合材料中，染料周围立即所处的液体环境使光化学反应能够以与本体溶液相同的动力学发生，而微球形容器则限制了光生荧光产物的扩散。在此条件下，对单个光响应微球的选择性光照能够在软基质中以微米分辨率光化学生成持久荧光图案。
光激活荧光团（PAFs）是一类在光照下可将弱发射或非发射的分子转化为强发射产物的合成染料。此类分子已被用于在掺杂基质中写入持久的荧光图案，但刚性基质往往阻碍光化学反应所需的分子构象变化，且不利于依赖产物扩散的激活机制。为解决这一瓶颈，研究人员设计了将PAFs限制在液体微球容器中，再通过微流控技术制备n-十六烷微滴，将其组装为紧密堆积阵列并固定于琼脂糖水凝胶基质中，从而在软材料中实现微米分辨率的持久荧光图案光化学写入与荧光读取。该研究发表于《Responsive Materials》。其意义在于为防伪标记、数据加密、信息存储和光学条形码等应用提供了新型智能涂层材料的可行方案。
关键技术方法主要包含：①微流控技术——利用带有交叉通道的微流控芯片，以n-十六烷为有机相、十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液为水相，通过精密注射泵控制流速，制备单分散n-十六烷微滴；②荧光显微成像——采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对掺杂染料或PAFs的微滴进行多通道成像，区分反应物与产物的荧光；③光谱学——利用紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱监测光化学反应进程及产物红移；④有限时差时域差分（FDTD）模拟——模拟微球内部电场分布与Purcell因子，解释微球表面荧光增强的物理机制。此外，通过将微滴悬浮液与温热的琼脂糖溶液混合冷却，形成固定微滴阵列的水凝胶。
### 2.1 悬浮在亲水性介质中的疏水性微滴的制备和形貌表征
研究人员利用微流控装置制备了悬浮于水中的n-十六烷微滴。通过调节水相流速（5–100 μL min
?1），微滴的平均半径可从62.8 ± 1.7 μm单调减小至28.0 ± 0.4 μm，且微滴尺寸分布窄，呈现单分散性。随时间推移（12小时内），只要防止水蒸发，微滴的形状和尺寸基本不变。向有机相中加入浓度低于100 μM的Nile red（NR）染料不影响微滴尺寸，表明疏水染料可被封装于微滴内部。
### 2.2 掺杂荧光染料的微滴荧光成像和光谱
将疏水染料NR溶于有机相制备掺杂微滴，CLSM图像显示微滴呈现明亮的球形荧光，且染料不泄漏到周围水相。将微滴沉积在玻璃基底上并去除水相后，荧光径向分布出现明显变化：在微滴内表面附近检测到显著荧光增强。结合FDTD模拟，该增强源于微滴暴露于空气（折射率1.000）时，n-十六烷（折射率1.433）与空气界面的全内反射形成回音壁模式（whispering gallery modes, WGMs），增强了内表面附近的电磁场。计算得到的Purcell因子增强倍数与实验观测一致，证明WGMs是荧光增强的物理原因。
### 2.3 掺杂光激活荧光团的微滴荧光成像和光谱
将代表性PAF（OX–BO）掺入微滴后，紫外光（300–400 nm）照射可激发ONB光裂解基团，使OX–BO转化为IN–BO，伴随BODIPY发色团的吸收和发射光谱发生红移。悬浮于水中的OX–BO掺杂微滴在光照下呈现与本体溶液相似的光转化动力学，表明微滴内液体环境未阻碍光化学反应。然而，自由悬浮的微滴在水中扩散明显，因此研究人员将微滴固定在琼脂糖水凝胶中。在凝胶内，单个微滴的位置稳定，用405 nm激光对选定微滴中心进行逐点照射后，绿色通道（OX–BO）荧光逐渐下降，红色通道（IN–BO）荧光逐渐增强，且整个微滴均匀变化，表明染料在液滴内快速扩散。通过这种逐滴照射方式，可以在绿色荧光微滴阵列中精确生成红色荧光图案，且图案在12小时内保持稳定。将微滴暴露于空气时，表面同样出现WGMs增强，但在光照下红绿通道的荧光变化趋势仍与凝胶内一致，证实光激活过程不受表面增强影响。
### 讨论与结论
上述结果表明，将PAFs限制在液体微球容器中，既保留了均相溶液的光化学反应动力学，又通过微球壁限制了产物扩散，从而实现了在软材料中对荧光信号的局域控制。WGMs效应可进一步增强检测灵敏度，且光激活过程可在表面增强条件下正常进行。总体而言，该混合材料为光化学写入和荧光读取提供了通用平台。
研究结论如下：利用微流控交叉芯片，可由n-十六烷和SDS水溶液生成悬浮于水的有机微滴，并精确控制其物理尺寸。微滴的平均半径可在25–65 μm范围内调节，尺寸分布小于3.5 μm，通过改变有机相与水相的流速比即可实现。向有机相中添加染料可将其封装入微滴，且浓度低于100 μM时不影响微滴尺寸和形状。荧光测量证明疏水染料不会泄漏到周围亲水介质中，微滴可自发组装成紧密堆积阵列。稀释后，染料掺杂微滴的水悬浮液可沉积在玻璃上，并在去除水相后暴露于空气。此时，n-十六烷/空气界面的全内反射建立WGMs，导致距微球内表面6 μm范围内荧光显著增强。基于相同的微流控方案，PAFs亦可被封装于n-十六烷微滴中。光谱测量表明，在相同光照条件下，微球容器内PAFs的光化学转化与本体溶液具有相似的光动力学。这一光化学转化使荧光发生红移，从而可在光谱分离的检测通道中同时监测反应物和产物。将染料掺杂微滴阵列固定于琼脂糖基质后，所得光致荧光变化可用于时空可控的光化学图案化，生成响应性荧光水凝胶。在软材料中，可选择性地照射单个微球，光化学转化其发光掺杂剂，从而生成荧光微滴图案。光生图案在长时间内保持结构完整性和荧光强度不变，表明这种光学写入与读取方案有望用于防伪标记、数据加密、信息存储和光学条形码等智能涂层。光响应微滴亦可沉积在玻璃基底上并暴露于空气，促进全内反射并建立WGMs，其内球面附近的电磁场增强可用荧光测量在独立检测通道中定量探测，同时诱导掺杂染料的光化学转化。
