卡脖子的荧光微球技术——亟待突破
2020-12-30 10:40:18
荧光微球一般指微球的表面标有荧光物质(包括表面包覆)或微球体内结构含有荧光物质(如包埋或聚合)的微球,受到外界能量刺激能激发出荧光。它是一种载有荧光分子的功能性微球,其外形一般为球形。近年来,随着荧光探针技术研究的深入,人们已经能够制备各种各样的粒径从纳米级到亚微米级的荧光微球。但在我国，荧光微球技术的发展处于一个滞后阶段，几乎所有高性能、高附加值的荧光微球材料都被国外垄断，为了解决这项卡脖子技术，急需中国的各位科研人员的努力跟重视。
荧光微球作为一类特殊的功能微球,以其稳定的形态结构、窄的粒径分布、好的单分散性和高效的发光效率,吸引了国内外研究者广泛的关注,且在许多领域尤其是生物医学领域有很重要的应用。首先，荧光微球的载体多为有机或无机聚合物材料,可以根据载体及荧光物质的不同,将荧光微球分为三大类:
①无机/有机荧光微球，其具体又可分为两种：
1）以无机材料为载体，荧光物质为有机化合物，比如以硅胶为无机载体，结合异硫氰酸荧光素制造的荧光微球；
2）以有机材料为载体, 荧光物质为无机化合物。比如：以带有活性基团的聚合物微球为载体，与带有活性基团 (如氨基酸、羧酸等)的无机荧光纳米晶体(半导体微晶或金属氧化物掺杂微晶)相结合。
②无机/无机荧光微球，如以硅胶为载体，结合带有活性基团的无机荧光纳米晶体形成的荧光微球。
③有机/有机荧光微球，如以带可自由基聚合官能团的荧光物质与带活性官能团（如-OH,-COOH）的丙烯酸类单体进行水相悬浮聚合,并用交联剂交联得到高光量子、高稳定性且生物相容的聚合物荧光微球。
一、荧光微球的制备方法
荧光微球的制备技术根据不同的分类依据,可以有多种制备方法，本文根据荧光物质与载体结合的方式不同而具体分成了以下5种方法。
1.物理吸附法
此方法主要靠载体与荧光分子之间通过分子间作用力结合形成荧光微球，如将非水溶性的荧光物质溶解在丙酮、乙醇等水溶性有机溶剂中,再将其与微球载体的水分散体系相混合,这时荧光物质即会析出并被吸附到微球表面,形成荧光微球。
2.自组装法
利用无机或有机微球为核,通过层层自组装法在其表面交替组装荧光聚电解质或荧光纳米粒子来制备荧光微球。这样得到的微球壳厚度可以很容易地通过改变循环的次数来控制,同时,壳的尺寸与形状可由所用核的尺度预先确定，而且这样得到的核壳微球具有与核显著差异的特殊性质(如不同的化学组成、良好的稳定性 、高比表面积、不同的磁和光学性质）。
3.包埋法
基本原理是将荧光材料均匀分散在介质中, 利用聚合反应、微胶囊化方法或分子自组装方法制备荧光微球。此方法制备出来的荧光微球一般都具有明显的核-壳结构，而且可以制备各种荧光微球,制备出的微球还可以包含多种荧光材料,因此可以发射出多个荧光信号。包埋法有两种制备方式:一种是荧光材料包覆在载体内部；一种是包覆在载体外部。
4.化学键合法
该方法也称为球外悬挂法。它是将表面带有功能基或是改性后的微球与表面有活性官能团的荧光分子发生化学反应,荧光物质以点状连接并分布到微球表面上。
5.共聚法
此法是指带有可聚合官能团的荧光物质与可聚合官能团的有机单体进行聚合反应。聚合方法主要有悬浮聚合、乳液聚合以及分散聚合方法,制得的荧光微球各方面性能较为稳定,荧光物质在微球中的分布基本上是均匀的。共聚法是目前制备荧光强度分布均匀的荧光微球的一种较理想的方法。
二、荧光微球的应用
①在标记和示踪方面的应用
通过在聚合物微球表面或内部引入一种或多种荧光物质制备的荧光微球,可应用到细胞标记、生物分子标记及在活性条件下的示踪,也可固定蛋白质分子等,并跟踪其功能化过程。
②在检测方面的应用
将表面带有能与被检测物结合的配体的荧光微球与放射标记的被检测物相混合,体系中能与微球结合的被检测物,其放射能激发荧光物质产生荧光,而不能与微球结合的被检测物,其放射能在水中淹灭,不能激发荧光,从而可以对被检测物进行检测。此外，荧光微球能够携带许多荧光分子,较弱的刺激就可以引发较强的信号,所以只需要少量的低能辐射就能产生荧光信号,避免了使用传统的放射性微球造成的辐射危险,并在不损失检测灵敏度的前提下降低了成本。
③在免疫分析、药物筛选方面的应用
1）荧光微球由于其可作为诊断试剂而应用于免疫分析。
荧光微球作为不同检测对象的固定化载体应用于生物样品检测中,不同荧光微球对应不同的捕获抗体,识别不同的抗原,从而实现多种待测抗原定性及定量检测。
2）荧光微球表面连接可与待测物结合的受体,将待测物(配体)进行放射性同位素标记,两者混合后,能与微球结合的待测物的放射性能激发荧光物质产生荧光,而不能与微球结合的待测物,由于距离微球较远,则不能激发荧光物质产生荧光,从而达到了筛选的目的。高通量药物筛选(HTS)是使用机器人和自动化系统,从大量的样本中鉴别出对确定的分子靶标有相互作用的少量活性化合物的一种现代药物筛选技术。荧光微球的发展促进了HTS的开发与发展。
④在固定化酶，基因研究方面的应用
1）酶可以通过物理吸附或化学键合方式固定在荧光微球上,由于酶的立体形态被固定,使其不但具有较高的pH稳定性、热稳定性和贮存稳定性,而且易与反应物分离，可以重复使用,提高使用效率。因此,在微球载体上固定化酶或其它生物活性物质, 更有利于其功能的发挥。
2）纳米级荧光微球的尺寸与生物分子如核苷酸、蛋白质等尺度相当,表面连接或包埋大量荧光分子聚合物。将此类微球连接在核苷酸链上,便可替代传统芯片杂交荧光标记技术,实现荧光信号的放大,从而大大降低了基因芯片的成本。
⑤在标准物和生物探针方面的应用
1）荧光微球在细胞流式记数测定方面有很重要的应用 ,如用做测定的标准物以及用来标定细胞流式记数仪。
2）制备含有Cd Te量子点的聚苯乙烯微球,其表面吸附兔的免疫球蛋白后，可以作为蛋白质灵敏检测探针,且这种生物功能性标记的量子点微球具有简单、快速和实用性强等优点。
四、小结
虽然荧光微球具有很广泛的用途,但目前国内在此方面的研究较少,且应用的荧光微球基本上依赖进口。因此,当务之急是迅速建立起在此领域的研究体系,通过对荧光微球的制备方法的研究,使荧光微球国产化，扩展荧光微球的品种,通过对载体与荧光物质的相互作用的研究,制备出更稳定及具有更高量子效率和光谱范围的荧光微球,都将对我国生物医学等领域的发展具有重要的意义。
参考文献：
1.杨飞,赵雄燕,王鑫,籍姣青,孙璐,路亚楠.聚合物荧光微球的研究进展[J].
2.张荣荣,徐自力.荧光微球的制备技术及其应用进展[J].
华子