一种交联辅助簇工程构建室温磷光聚合物微球的方法及其应用

本发明属于发光材料，尤其涉及一种交联辅助簇工程构建室温磷光聚合物微球的方法及其应用。

背景技术：

1、光致发光材料已成为现代生物分析和信息安全领域不可或缺的工具，在生物成像、免疫分析、光学加密和防伪等方面具有广泛应用。传统发光材料通常依赖大π共轭结构来实现高发射效率和可调发射颜色，但存在合成工艺复杂、成本高、产生污染物、不可避免的生物学毒性和免疫毒性等问题，这些因素限制了其实际应用。

2、簇发光（clusteroluminescence, cl）源于非共轭基团（如羰基、酰胺基、酯基和羟基等）的空间聚集，通过空间共轭（through-space conjugation, tsc），可在光激发下产生荧光/磷光发射。簇集触发发射（cte）机制表明，非传统发色团的聚集能够有效窄化能隙、增强电子离域并创造新的发射路径。受益于其无金属特性、结构多样性、制备简便和优异的生物相容性，簇发光材料已成为发光材料领域的新兴研究前沿。

3、早期簇发光体系大多表现出短寿命的荧光发射，使其在实际应用中容易受到背景荧光干扰。室温磷光（room-temperature phosphorescence, rtp）具有微秒至秒级的寿命，可通过时间分辨技术有效消除短寿命背景干扰，在生物传感和信息安全领域具有独特优势。高效rtp的产生依赖于有效的系间窜越（isc）过程和稳定的三重态激子，通常采用重原子效应和刚性限域等策略来增强自旋轨道耦合（soc）并抑制非辐射跃迁。

4、簇发光基室温磷光（cl-rtp）材料结合了长寿命磷光与非共轭体系结构简单的优势，为开发环境友好型、生物相容型磷光材料提供了新机遇。然而，cl-rtp材料的性能仍远不及传统rtp体系。特别是，簇演化、聚合物微观结构与三重态稳定化之间的关系尚不清楚，阻碍了高性能cl-rtp材料的合理设计。

5、聚合物微球为解决这一挑战提供了有吸引力的平台。由于其形貌明确、组成可调和优异的加工性能，聚合物微球已被广泛用于传感、催化和光学材料的制备。更重要的是，微球内限域的聚合物网络可以有效限制分子运动、抑制氧气扩散并稳定激发态，从而为rtp的产生创造有利条件。此外，微球结构还为表面功能化和生物分子偶联提供了丰富机会，使其对多功能发光系统具有特别吸引力。然而，现有的rtp微球主要通过客主掺杂策略构建，开发具有可控簇形成的cl-rtp微球并拓展其应用仍是一个巨大挑战。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种交联辅助簇工程构建室温磷光聚合物微球的方法及其应用。本发明通过交联辅助簇工程策略，提供了一种高效cl-rtp聚合物微球的制备方法，实现了对聚合物微球中发光簇和交联网络的协同调控，获得了具有长寿命室温磷光、高量子产率的多功能聚合物微球，并拓展了其在时间分辨防伪和生物检测领域的应用。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种交联辅助簇工程构建室温磷光聚合物微球的方法，包括以下步骤：

4、（1）将单体2-(3-(6-甲基-4-氧代-1,4-二氢嘧啶-2-基)脲基)甲基丙烯酸乙酯（upyma）和交联剂n,n'-亚甲基双（丙烯酰胺）（mba）溶解于反应溶剂中，加入引发剂，通过沉淀聚合和自由基聚合反应，制备聚合物微球前驱体（pum）；

5、（2）将步骤（1）得到的聚合物微球前驱体分散于溶剂中，进行水热处理，得到具有可调rtp发射的室温磷光聚合物微球。

6、进一步地，步骤（1）中，所述单体2-(3-(6-甲基-4-氧代-1,4-二氢嘧啶-2-基)脲基)甲基丙烯酸乙酯和交联剂n,n'-亚甲基双（丙烯酰胺）的摩尔比为1∶（5~10）。本发明通过系统调节交联剂mba的用量、微球尺寸、富电子密度和聚合物链柔性，进一步阐明簇发光的影响因素。

7、进一步地，步骤（1）中，所述单体2-(3-(6-甲基-4-氧代-1,4-二氢嘧啶-2-基)脲基)甲基丙烯酸乙酯和引发剂的摩尔比为1∶0.1。

8、进一步地，所述引发剂为偶氮二异丁腈（aibn）。

9、进一步地，步骤（1）中，所述反应溶剂为乙醇和水的混合溶液，反应温度为60~75℃，反应时间为12~24小时。

10、进一步地，步骤（2）中，所述水热处理的温度为100~160℃，时间为3小时。

11、进一步地，步骤（2）中，所述溶剂为水。

12、本发明还提供了一种根据上述方法制备的室温磷光聚合物微球。

13、本发明还提供了一种上述室温磷光聚合物微球在时间分辨防伪和制备检测心肌肌钙蛋白i（ctni）生物传感器中的应用。

14、本发明提供的室温磷光聚合物微球能够用于磷光共振能量转移（pret），进而能够用于时间分辨防伪，同时也能够对ctni实现生物检测。

15、本发明还提供了一种利用上述室温磷光聚合物微球检测心肌肌钙蛋白i（ctni）的方法，包括以下步骤：

16、（1）将抗ctni抗体偶联到室温磷光聚合物微球表面，通过抗体诱导的光诱导电子转移（pet）机制引起磷光猝灭；

17、（2）加入待测样品中的ctni抗原，通过抗原-抗体特异性识别竞争结合，形成ctni-抗ctni免疫复合物，使所述ctni-抗ctni免疫复合物从微球表面脱离，抑制pet过程，实现磷光恢复；

18、（3）根据磷光恢复程度定量检测ctni浓度，检测限为0.22 ng/ml，检测范围为0~80ng/ml。

19、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

20、（1）本发明建立了交联辅助簇工程策略，通过自由基聚合和水热处理构建有机rtp聚合物微球，系统研究了交联度、微球尺寸、杂原子密度和聚合物链柔性对磷光发射的调控规律，为簇触发rtp微球的构建提供了明确的设计原则。

21、（2）本发明制备的高交联rtp聚合物微球具有长寿命rtp发射（324.79 ms）和高量子产率（31.4%），性能优于现有簇发光rtp材料（比如，新加坡国立大学的刘斌教授（ y.yang, b. liu, long-lived room temperature phosphorescence from amorphous non-traditional intrinsic clusteroluminescence polymers, j. mater. chem. c, 2022,10, 16420.）制备得到的聚苯乙烯-马来酸酐的衍生物的磷光寿命仅为39.88 ms，总量子产率为11.4%）。

22、（3）本发明通过pret策略实现了高效能量转移（效率达84.49%），获得了可调多色余辉发射，可应用于时间分辨防伪。

23、（4）本发明开发的基于抗体诱导pet猝灭/抗原触发磷光恢复的"turn-on"型rtp免疫分析方法，实现了对心肌肌钙蛋白i的高灵敏度和高选择性检测（检测限为0.22 ng/ml），满足临床检测要求，在即时诊断领域具有应用前景。

24、（5）本发明的聚合物微球制备方法简单、成本低廉、无金属元素、生物相容性好，可批量生产。