通过两步反应合成具有可调功能性的稳健型氟表面活性剂

《Advanced Science》：A Robust Synthesis of Fluorosurfactants with Tunable Functionalities via a Two-Step Reaction

氟化表面活性剂两步合成及其在微流控中的应用研究。通过混合酸酐反应和酰胺化反应制备可调功能的氟化表面活性剂，显著降低反应条件要求。研究证实新型表面活性剂能提高微滴热稳定性（达95℃）和生物相容性，抑制细胞间质传递。纳米滴实现荧光示差分离（误差<2.9%），可控自组装形成胶囊状（PFPE(H)-COOCOOC2H5）和球形超颗粒（PFPE(H)2-ED900）结构。该合成方法为微流控技术提供了高效稳定的氟化表面活性剂解决方案。

　　氟化表面活性剂稳定微滴在多个领域展现出广泛的应用潜力，例如生物医学、材料科学以及微流体技术等。它们之所以被重视，是因为其生物和化学惰性，能够在不干扰系统原有功能的情况下，为微滴提供稳定性和可调性。然而，传统的氟化表面活性剂合成方法通常需要多个反应步骤和苛刻的条件，例如高温和无氧环境，这在一定程度上限制了其合成效率和应用范围。为了解决这些问题，研究者们开发了一种新的两步合成策略，旨在简化氟化表面活性剂的合成过程，同时保持其功能性。这种方法不仅减少了反应时间，还降低了反应条件的强度，使得氟化表面活性剂的合成可以在温和的环境下完成，从而拓宽了其在实际应用中的可能性。

在这一研究中，合成的氟化表面活性剂主要包括两类：二嵌段和三嵌段结构。二嵌段氟化表面活性剂（PFPE(H)-COOCOOC?H?）是通过混合酐反应合成的，该反应利用了氟化尾部和亲水头部之间的化学连接。三嵌段氟化表面活性剂（如PFPE(H)?-ED???和PFPE(H)?-PEG???）则通过酰胺反应合成，将亲水段与氟化尾部结合。这两种方法的结合，使得氟化表面活性剂的合成更加高效，并且能够在较短的时间内获得高产率的产品。通过这种方法，研究团队成功地合成了多种氟化表面活性剂，并验证了其在不同应用场景下的性能。

合成的氟化表面活性剂在微滴稳定性方面表现出色。研究通过测量水与氟化油之间的界面张力，发现随着氟化表面活性剂浓度的增加，界面张力显著降低。这种降低的界面张力意味着氟化表面活性剂能够有效降低微滴之间的能量差异，从而提高其稳定性。此外，通过长时间的稳定性测试，研究发现这些微滴在常温下保持了其尺寸和荧光强度，几乎没有发生合并或破裂的现象。这种稳定性不仅适用于大分子荧光物质，如FITC-CM-Dextran，也适用于小分子荧光物质，如Rhodamine 110氯化物和Resorufin钠盐。相比之下，使用传统商业氟化表面活性剂（如Pico-Surf）的微滴在两天内就出现了荧光强度下降的现象，这可能是由于物质泄漏或荧光淬灭所致。因此，研究团队合成的氟化表面活性剂在微滴稳定性方面明显优于现有产品。

除了微滴的稳定性，这些氟化表面活性剂还展现出良好的生物相容性。通过将HepG2细胞和酵母细胞分别置于含有这些表面活性剂的微滴中进行培养，研究发现细胞的存活率与对照组和商业产品相比几乎没有差异。这表明这些氟化表面活性剂对细胞的毒性较低，且能够维持细胞的正常生长和功能。特别是，酵母细胞在微滴中保持了良好的活动性，未出现粘附于微滴界面的现象，其繁殖和生长模式也与正常环境下的细胞行为相似。这种生物相容性使得这些氟化表面活性剂在生物医学和生物工程领域的应用前景更加广阔。

此外，研究还揭示了这些氟化表面活性剂在功能调控方面的潜力。在某些条件下，这些表面活性剂能够促进纳米微滴的形成，这些纳米微滴能够选择性地富集和运输荧光物质。例如，在含有Rhodamine 110氯化物和Resorufin钠盐的微滴中，Rhodamine 110氯化物被优先转移到纳米微滴中，而Resorufin钠盐则保留在较大的微滴内。这种选择性富集现象可能是由于不同荧光物质的亲水性和亲油性差异所致，氟化表面活性剂的分子结构使其能够根据不同的物质特性进行适应性调整。这种特性在微系统中具有重要的应用价值，特别是在生物样本的浓缩和分析方面。

与此同时，研究还探索了氟化表面活性剂在纳米颗粒自组装中的作用。通过调控氟化表面活性剂与纳米颗粒之间的相互作用，研究团队成功地构建了具有不同形态的超级结构，如胶囊状的纳米颗粒集合体（Cu?O NP-CSs）和球状的纳米颗粒超粒子（Cu?O NP-SPs）。这些超级结构的形成不仅依赖于氟化表面活性剂的化学性质，还受到微滴蒸发速率的影响。在缓慢蒸发的微滴中，氟化表面活性剂能够引导纳米颗粒的自组装过程，形成稳定的结构。通过扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束-SEM（FIB-SEM）技术，研究团队进一步分析了这些结构的表面特征和内部形态，揭示了不同氟化表面活性剂对纳米颗粒自组装过程的调控作用。

研究还通过多种分析方法，验证了氟化表面活性剂在微滴中的作用机制。例如，通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和1?F核磁共振（NMR）技术，研究团队确认了氟化表面活性剂的化学结构和合成过程的正确性。此外，X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了氟化表面活性剂与纳米颗粒之间的化学相互作用。研究发现，不同氟化表面活性剂与Cu?O纳米颗粒之间的结合方式不同，这种差异直接影响了微滴内部结构的形成和稳定性。例如，PFPE(H)-COOCOOC?H?通过混合酐中的C＝O基团与Cu2?离子发生配位作用，从而引导纳米颗粒在微滴界面聚集，形成具有空腔结构的胶囊状集合体。而PFPE(H)?-ED???则主要通过酰胺键与Cu2?离子结合，这种较弱的相互作用导致纳米颗粒在微滴内部均匀分布，最终形成球状的超粒子。

研究团队还发现，氟化表面活性剂的化学性质对微滴的热稳定性有显著影响。在高温条件下，微滴的尺寸变化较小，表明氟化表面活性剂能够有效防止微滴在热处理过程中发生破裂或合并。这一特性对于需要高温处理的应用，如聚合酶链式反应（PCR）和某些化学反应过程，具有重要意义。此外，研究还发现，这些微滴在多次热循环处理后仍能保持其结构和功能，进一步验证了其在复杂环境下的适用性。

在实验方法上，研究采用了多种微流体技术，包括流聚焦和双T型结构，以生成和控制微滴的形成。通过调节流速和试剂浓度，研究团队能够精确控制微滴的尺寸和组成。此外，研究还使用了高分辨率显微镜和光谱分析技术，对微滴的形态和荧光特性进行了详细分析。这些实验手段不仅帮助研究者理解了氟化表面活性剂的作用机制，还为后续的优化和应用提供了数据支持。

综上所述，这项研究提出了一种新的氟化表面活性剂合成策略，为微滴微流体技术的发展提供了重要的工具。通过两步反应，研究团队成功地合成了多种氟化表面活性剂，并验证了其在微滴稳定性、生物相容性和功能调控方面的优越性能。这一方法不仅简化了合成过程，还拓宽了其应用范围，使得氟化表面活性剂在多种生物和材料科学应用中展现出巨大的潜力。未来，随着进一步的优化和应用探索，氟化表面活性剂有望在微滴微流体技术中发挥更重要的作用，推动相关领域的技术进步和创新。