补丁胶束的超胶体链在其生长过程中触发F?rster共振能量转移用于胶体组装的宏观监测

《ACS Nano》：Supracolloidal Chains of Patchy Micelles Triggering Fo?rster Resonance Energy Transfer upon Their Growth for Macroscopic Monitoring of Colloidal Assembly

　　

由二嵌段共聚物的补丁胶束形成超胶体链，可为理解胶体和分子组装的机制与动力学提供有价值的信息。使用显微镜直接观察组装的超胶体链能够对组装进程进行统计评估，但样品制备和数据分析过程阻碍了溶液状态下链长的测定。在此，研究人员展示了由荧光二嵌段共聚物诱导的超胶体链，其可通过发射颜色的变化自报告链长的延伸。补丁胶束被设计为在胶体组装时自发响应地执行F?rster共振能量转移（FRET）相互作用。为此，研究人员设计并合成了荧光团功能化的二嵌段共聚物，以形成在补丁处选择性掺入荧光染料的补丁胶束。然后，制备了含有FRET供体或受体的两种不同补丁胶束，并将其共组装成超胶体链。相邻胶束之间补丁的合并使得FRET对在补丁内部接近，从而在超胶体共组装时通过FRET产生红发射增强。发射颜色从黄色到猩红色的转变提供了宏观证据，可通过简单观察光致发光来监测胶体组装的进程。此外，FRET相互作用的定量分析可用逐步聚合动力学解释，从而能够在胶体组装过程中方便地实时追踪链长。最后，FRET对在单个胶束内的共定位使得能够直接监测补丁胶束和胶体组装在溶液态的行为，而这是显微结构分析无法揭示的。

纳米粒子作为“人造原子”组装成类似晶体、聚合物或分子的超结构，是开发复杂纳米结构的一种强大而模块化的策略。补丁胶束作为一种代表性构筑基元，通过在其表面引入化学各向异性域，能够实现局域化、选择性的相互作用，并可通过调控嵌段共聚物的链长和嵌段比来理性设计其尺寸与补丁数量。然而，理解胶体组装的机制与动力学对于减少缺陷和聚集至关重要。传统的光学显微技术能够直接观察微米级粒子的行为，但对于纳米级粒子，即使借助液相电镜，也只能观测有限范围内的组装事件，难以反映溶液中的整体趋势。基于干燥产物的统计图像分析虽然能揭示逐步聚合动力学，却无法实时追踪溶液态超结构的演变和构筑基元的动态行为。光谱学方法因对纳米尺度事件敏感，尤其是F?rster共振能量转移（FRET），具有对距离高度敏感且伴随显著光致发光变化的优势，被认为是追踪胶体组装的潜在探针。然而，如何在纳米尺度上精确调控FRET并将其应用于补丁胶束组装过程，仍是一个挑战。为此，研究人员设计并合成了含绿色（G）或红色（R）荧光染料的二嵌段共聚物PSG-b-P4VP和PSR-b-P4VP（P4VP为聚4-乙烯基吡啶），通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合将BODIPY型荧光团引入聚苯乙烯段。这些共聚物能够形成球形胶束，交联P4VP核并转移至DMF后，转变为具有两个补丁的补丁胶束，且荧光染料选择性位于补丁区域。将G和R补丁胶束以1:1混合并加水触发共组装后，相邻胶束补丁之间的合并使供受体染料靠近，从而激活FRET，导致溶液发射颜色从黄色向橙红色乃至猩红色转变。时间分辨荧光（TRF）光谱证实随机共组装链的荧光寿命显著缩短，平均寿命从2.11 ns降至0.70 ns，FRET效率约为67%。共聚焦显微镜进一步显示，随机共组装链的绿色和红色发射在补丁连接处共定位，而单独形成的G链和R链混合物则不发生FRET，排除了链间染料相互作用的可能性。通过监测不同时间点的光致发光光谱，研究人员发现红/绿强度比随时间增大，并利用AB型逐步聚合的Carothers方程拟合FRET信号，得到速率常数为3.60×10³ M^?1 s^?1，与通过TEM直接测量链长获得的结果线性相关。这表明FRET信号能够定量反映超胶体链的生长进程。此外，研究人员将G和R染料同时掺入同一胶束的冠部，构建“混合胶束”，利用FRET追踪冠部在溶液中的构象重组。TRF结果显示，在甲苯和DMF中混合胶束的荧光寿命无明显差异，说明在DMF中冠部仍处于溶胀状态而非形成补丁；随着水含量从2.5%增至12.5%，荧光寿命逐渐下降，表明补丁形成是随溶剂极性增加而逐步发生的过程，而TEM无法区分这种溶液中的中间态。该研究的意义在于，通过在补丁中引入FRET供受体对，实现了对胶体组装进程的宏观、实时、原位监测，克服了显微技术局限于干燥态和观察范围有限的问题，为纳米尺度胶体组装的动力学和机理研究提供了互补的新工具。该成果发表在《ACS Nano》。

研究人员为开展研究主要采用以下关键技术方法：通过RAFT聚合合成含BODIPY染料的荧光嵌段共聚物；利用共聚物在选择性溶剂中的自组装制备球形胶束，并用1,4-二溴丁烷交联P4VP核，再经溶剂置换转化为双补丁胶束；将含FRET供体（G）和受体（R）的补丁胶束按1:1混合，通过加水诱导共组装形成随机超胶体链；采用光致发光光谱、时间分辨荧光光谱、共聚焦显微镜对FRET进行表征；利用逐步聚合动力学模型分析FRET信号获取链长；通过透射电子显微镜（TEM）观察形貌并测量链长；将供受体同时置于同一胶束冠部，监测溶液态补丁形成过程。样本来源为实验室自行合成的聚合物体系，无临床队列。

在合成与表征方面，研究人员通过RAFT聚合合成了PSG-b-P4VP和PSR-b-P4VP，其总分子量分别为41,400和43,300 g/mol，PSG(R)嵌段占比约0.73，每个聚合物链约含2个荧光基团。光致发光光谱显示G和R发射峰分别在544 nm和632 nm，且G的发射光谱与R的吸收光谱重叠良好，满足FRET条件。在胶束形貌转化方面，TEM显示球形胶束核心直径约20 nm，包含冠部总直径约30 nm；交联后加入DMF，冠部收缩形成两个相对补丁，呈哑铃型结构。将G和R补丁胶束按1:1混合并加水后，形成随机超胶体链，I₂染色显示P4VP核线性排列，RuO₄染色显示补丁融合串珠结构。在FRET荧光验证方面，混合补丁胶束的PL谱中红绿峰强度比约0.5，共组装9小时后红绿比反转为3.84，溶液颜色由黄变猩红；TRF衰减曲线显示共组装链平均寿命0.70 ns，出现0.31 ns的短寿命组分，归因于FRET通路；而单独形成的G链和R链混合后平均寿命为2.08 ns，无FRET发生。共聚焦成像中，随机链的绿色和红色信号在连接点重叠，而链混合物中两种颜色分离。在动力学监测方面，随时间从0.5 h到24 h，红/绿强度比从2.85升至4.38，CIE 1931色度坐标从黄色区域移动至猩红区域；将归一化后的FRET信号（P_FRET）代入逐步聚合动力学方程，拟合得到速率常数3.60×10³ M^?1 s^?1，与TEM直接测得的数均聚合度呈线性相关。在溶液态补丁形成监测方面，将G和R两种聚合物混合制备的“混合胶束”在甲苯和DMF中荧光寿命分别为2.85和2.96 ns，表明冠部未发生显著收缩；随着水含量增加至5 vol%以上，τ1（自发发射）组分显著减少，τ3（FRET）组分增至近80%，表明补丁逐渐形成，而TEM在任意水含量下均显示完整补丁形态，无法反映溶液态的部分分离状态。讨论部分指出，FRET信号的高效率超过统计最大值（50%），原因可能包括多个FRET和猝灭相互作用以及组装缺陷；速率常数的低估则与供受体对在1:1混合时仅有一半补丁融合形成有效FRET对有关。研究结论为：通过将FRET供受体对引入补丁胶束，能够以宏观颜色变化实时监测超胶体链的组装进程，并利用逐步聚合动力学定量获取链长信息；同时，将供受体置于同一胶束内可以直接观察溶液中补丁形成的中间态，揭示干燥态显微技术无法捕捉的溶液行为。该方法为纳米胶体组装研究提供了新的宏观原位监测途径，并有望结合补丁胶束的多功能性发展可控发射的发光纳米材料。