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氟表面活性剂（fluorosurfactant）的稳健合成及其可调功能研究

一、研究作者、机构与发表信息

该研究由华南师范大学（South China Normal University）国际光流控技术与系统联合实验室（International Joint Laboratory of Optofluidic Technology and System, LOTS）及先进光电子研究院的王达（Da Wang）研究员、水玲玲（Lingling Shui）研究员团队，联合荷兰特文特大学（University of Twente）BIOS Lab-on-a-Chip Group的Loes Irene Segerink与Sergii Pud等人共同完成。第一作者为Jiyuan Yao。该论文发表于 Advanced Science，于2025年6月26日投稿，2025年9月24日修订，2025年11月3日在线发表，DOI为10.1002/advs.202511811。

二、研究背景与目的

液滴微流控（droplet microfluidics）是一种在微芯片上生成并操控皮升至纳升级隔离液滴的通用技术。含氟油（fluorinated oil）因其优异的气体渗透性以及与聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）芯片的良好兼容性，常被用作连续相，用于生成油包水（water-in-fluorinated oil, w/of）微液滴。这类微液滴在类器官构建、单细胞分析、基因工程和自组装结构调控等方面具有广泛应用。

氟表面活性剂由疏水疏油的“氟尾”和亲水“头基”组成，在含氟油中表现出优于传统表面活性剂的界面稳定能力。然而，传统氟表面活性剂合成路径复杂，常需多步反应及高温、无氧等苛刻条件。例如，基于静电相互作用的合成策略易受多阳离子生物分子干扰；而酰胺键合、点击化学和活性自由基聚合等共价合成方法则步骤繁琐，且常使用对湿气敏感的试剂。此外，具有刺激响应或界面调控等功能可调的定制化氟表面活性剂合成仍未被充分探索。因此，亟需一种更简单、高效的氟表面活性剂合成路线，以推动液滴模板微流控技术的发展。

本研究旨在提出一种两步合成策略，在温和条件下制备具有可调功能的氟表面活性剂，并系统评价其在微液滴稳定性、生物相容性、选择性荧光富集以及胶体自组装等方面的性能。

三、研究流程与实验方法

1. 氟表面活性剂的两步合成与表征

研究首先以羧基化全氟聚醚（PFPE-COOH）为氟尾原料，在0 °C下与氯甲酸乙酯（ethyl chloroformate）经混合酸酐反应0.5小时，生成二嵌段氟表面活性剂PFPE(H)-COOCOOC₂H₅。随后，该中间体与亲水链段Jeffamine ED900（NH₂-ED900-NH₂）在室温（25 °C）下经酰胺化反应0.5小时，得到三嵌段氟表面活性剂PFPE(H)₂-ED900。此外，研究还使用聚乙二醇二胺（PEG-diamine，分子量600）替代Jeffamine ED900，合成了PFPE(H)₂-PEG600，产率约90%。同时，研究将PFPE(H)₂-ED900的合成规模放大至25.7 g，产率达94.0%，验证了该路线的工业放大潜力。

合成产物通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和¹⁹F核磁共振（¹⁹F-NMR）进行表征。结果显示，混合酸酐中C═O伸缩振动峰位于1795和1785 cm⁻¹，酰胺键形成后该峰消失并在1693 cm⁻¹处出现新的酰胺C═O峰；¹⁹F-NMR中相邻羧基碳上的氟信号从−133.25 ppm位移至−133.00 ppm，并在酰胺化后消失，证实了两步反应的成功。

2. 微液滴稳定性与生物相容性评价

为评估表面活性剂的界面活性，研究使用悬滴法（pendant drop）测量了去离子水与Novec HFE 7500油之间的界面张力。结果显示，随三种氟表面活性剂浓度增加，界面张力从约45.43 mN·m⁻¹分别降至约29.64、19.90和16.83 mN·m⁻¹，并计算得到三者的临界胶束浓度（CMC）。

研究在流动聚焦型PDMS微流控芯片中以5.0 mM表面活性剂浓度生成含FITC-CM-dextran（3.0 mg·mL⁻¹）的w/of微液滴，并在室温下连续孵育5天。液滴尺寸保持基本不变，荧光强度在第一天下降约5.2%，随后在±1.4%范围内波动。对于罗丹明110氯化物和试卤灵钠盐等低分子量荧光团，PFPE(H)₂-ED900和PFPE(H)₂-PEG600稳定的液滴在室温下亦能保持荧光稳定，而商用表面活性剂Pico-Surf稳定的液滴中试卤灵钠盐荧光在两天内衰减。此外，研究还测试了液滴在多次热循环（最高95 °C）后的完整性，结果表明两种三嵌段表面活性剂稳定的液滴在PCR相关热循环后仍保持尺寸稳定。

为评估抗液滴间质量传递能力，研究使用双T型结（double T-junction）发生器同时生成含荧光团液滴和空白液滴。在5天孵育中，高分子量FITC-CM-dextran未发生可检测的液滴间扩散；而低分子量试卤灵钠盐则发生质量传递。该现象归因于氟表面活性剂的化学惰性以及荧光团分子量的差异。

生物相容性评价包括：将HepG2细胞与含氟油共同孵育6小时后，CCK-8实验显示各合成氟表面活性剂处理组的细胞活性与对照组及Pico-Surf组无统计学差异（p>0.05）；酵母细胞在氟表面活性剂稳定的w/of微液滴中培养24小时，保持运动能力且未粘附于液滴界面；HepG2细胞在基于这些表面活性剂生成的藻酸盐微凝胶（microgel）中培养3天，成功聚集形成细胞团簇，表明其适用于三维细胞培养。

3. 可调功能研究：纳米液滴与选择性荧光富集

研究发现，在5.0 mM PFPE(H)-COOCOOC₂H₅稳定的w/of微液滴形成后，母液滴中会立即自发产生大量纳米液滴（nanodroplets）；而PFPE(H)₂-ED900或PFPE(H)₂-PEG600在相同浓度下产生的纳米液滴显著减少。时间分辨实验证实，纳米液滴的形成源于自发乳化（spontaneous emulsification）。研究推测，PFPE(H)-COOCOOC₂H₅中混合酸酐基团的高电负性使其与水分子形成氢键，从而驱动纳米液滴生成。

更为重要的是，在同时含有罗丹明110氯化物与试卤灵钠盐的二元体系中，罗丹明110氯化物被选择性地分配到纳米液滴中，而试卤灵钠盐则保留在母液滴中。研究者推测该选择性是由荧光团的亲疏水性差异所决定，展示了该体系在生物系统中进行选择性富集的潜力。

4. 可调功能研究：纳米颗粒自组装与超结构调控

研究合成了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）稳定的铜氧化物（CuₓO）纳米颗粒，并将其分散于水-乙醇（1:1, v/v）混合相中，在含氟油中生成混合相/含氟油（m/of）微液滴。在环境条件下缓慢干燥后，CuₓO纳米颗粒自组装形成层次化超结构。

扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束-SEM（FIB-SEM）结果显示：当使用PFPE(H)-COOCOOC₂H₅稳定时，得到具有褶皱表面的胶囊状胶体体（colloidosome），记为CuₓO NP-CSs；而使用PFPE(H)₂-ED900时，得到由纳米颗粒紧密堆积形成的实心超粒子（supraparticle），记为CuₓO NP-SPs。FT-IR和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，两种组装体表面均存在氟表面活性剂。在CuₓO NP-CSs中，Cu 2p结合能发生了更显著的化学位移（Cu 2p₃/₂位移约0.9 eV，Cu 2p₁/₂位移约0.73 eV），表明PFPE(H)-COOCOOC₂H₅中的混合酸酐C═O基团与铜离子发生了较强的配位作用；而PFPE(H)₂-ED900中酰胺C═O与铜离子的作用较弱（Cu 2p₃/₂位移约0.22 eV，Cu 2p₁/₂位移约0.28 eV）。研究提出：强配位驱动CuₓO纳米颗粒向液滴界面聚集，干燥后形成空心胶囊状结构；弱相互作用则使纳米颗粒在液滴内部均匀分布，最终形成实心超粒子。

四、主要结果及其逻辑关联

两步合成策略的成功验证为后续所有功能研究奠定了基础。FT-IR与¹⁹F-NMR结果提供了化学结构层面的直接证据，证明混合酸酐和酰胺键的形成符合预期。界面张力测量从物理化学角度确认了三种氟表面活性剂的高界面活性，为液滴稳定性测试提供了合理的浓度依据（5.0 mM高于CMC）。

液滴稳定性实验表明，所合成的氟表面活性剂对高分子量荧光团具有优异的保留能力，同时对低分子量荧光团的保留也优于商用Pico-Surf。热循环测试进一步拓展了其在PCR等高温生化应用中的适用性。液滴间质量传递实验揭示了分子量对荧光团跨界面扩散的关键影响，同时也证明了氟表面活性剂本身并不促进非特异性跨液滴传递。

生物相容性数据将研究从物理化学表征推进至生物体系验证。HepG2细胞活性、酵母细胞培养和微凝胶内细胞聚集三个层面的结果一致表明，合成氟表面活性剂具有良好的生物惰性和细胞相容性。

纳米液滴与选择性荧光富集实验揭示了二嵌段氟表面活性剂独特的功能性。该发现将研究从传统的液滴稳定性评价提升至功能性微系统构建，并为选择性富集生物分子提供了新的平台。

CuₓO纳米颗粒自组装研究进一步将氟表面活性剂的功能从液相界面调控拓展至固态超结构构建。通过改变氟表面活性剂头基的化学性质（混合酸酐 vs 酰胺键），实现了对纳米颗粒-表面活性剂相互作用强度的调控，从而在缓慢干燥过程中主导了组装路径的选择。FT-IR、XPS和FIB-SEM等多尺度表征手段共同支持了配位作用驱动组装机制的解释。

五、研究结论与意义

本研究提出了一种基于混合酸酐反应和酰胺化反应的两步合成策略，在室温、常压条件下高效制备具有可调头基的氟表面活性剂。该方法显著缩短了反应时间，降低了对苛刻合成环境的依赖，并成功实现了克级规模放大，展示了工业应用潜力。所合成的氟表面活性剂在室温和高温热循环下均能保持w/of微液滴稳定，且对多种荧光团具有良好的保留性能。生物相容性实验证实其适用于酵母和哺乳动物细胞培养。基于二嵌段表面活性剂的纳米液滴体系能够实现荧光分子的选择性富集，为微量物质浓缩和生物分析提供了新思路。通过改变表面活性剂头基的配位能力，研究还成功调控了CuₓO纳米颗粒在挥发性液滴中的自组装路径，分别获得空心胶囊状胶体体和实心超粒子两种截然不同的超结构。该工作拓展了功能性氟表面活性剂的合成工具箱，为液滴微流控在生物学和材料科学中的应用开辟了新途径。

六、研究亮点

该研究的突出亮点包括：第一，两步反应在温和条件下快速完成，避免使用对湿气敏感的试剂，显著降低了合成门槛；第二，所合成的氟表面活性剂在高低温条件下均表现出优异的液滴稳定性和荧光保留性能，优于部分商用产品；第三，发现了由二嵌段氟表面活性剂驱动的自发纳米液滴形成及其选择性荧光富集效应；第四，通过氟表面活性剂头基的化学调控实现了纳米颗粒自组装超结构的形态学控制，揭示了配位作用强弱对组装路径的影响机制。这些发现为功能性氟表面活性剂的设计与液滴微流控平台的拓展提供了系统性实验依据。