南京大学鼓楼医院赵远锦课题组：微流控技术原位合成钙钛矿量子点封装的编码微载体

南京大学鼓楼医院赵远锦课题组采用毛细管液滴微流控技术，一步法原位生成了钙钛矿量子点封装的编码微载体。通过改变钙钛矿前驱体溶液中卤化物的比例，成功制备出一系列不同颜色的钙钛矿量子点，使其成为理想的编码材料。由于树脂的稳定包封，包裹在内部的钙钛矿量子点不易泄漏并具有良好的抗淬灭性。这些特点表明微流控封装的钙钛矿量子点编码微载体在生物医学领域具有广阔的应用前景。

钙钛矿量子点因其在发光二极管、太阳能电池和其他光电器件中的应用潜力而受到了广泛关注，并成为最受欢迎的纳米材料之一。与传统半导体量子点相比，钙钛矿量子点具有成本低、色纯度高、光致发光量子产率接近100%的优点。常见的钙钛矿量子点合成方法主要有模板合成、配体辅助再沉淀、热注入、湿法球磨等。然而这些方法难以精确、实时地同时合成多种具有不同光电性质的钙钛矿量子点。此外，由于其表面配体的疏水性及其化学成分的潜在毒性，钙钛矿量子点在生物医学领域的实用价值受到了限制。最近，赵远锦教授课题组提出了一种新的策略，在毛细管液滴微流控技术的帮助下原位制备钙钛矿量子点封装的编码微载体，并验证了钙钛矿量子点编码微载体在生物医学应用中的潜在价值。

以七孔毛细管阵列为主体，作者首先构建了毛细管液滴微流控装置。将三种铅盐(PbX2, X=Cl, Br, I)和三种甲胺盐(MAX, X=Cl, Br, I)泵入装置中，通过改变各个通道的流速制备出含有不同类型钙钛矿的DMF溶液，随后这些DMF溶液被分散于EGDMA树脂中。由于EGDMA的溶解度较低，钙钛矿会在树脂中析出形成纳米晶。此外，树脂内部的网状结构进一步限制了钙钛矿晶体的过度生长。通过聚乙烯醇(PVA)水溶液将含有钙钛矿量子点的EGDMA树脂剪切成尺寸均一的液滴，再经过紫外固化灯的照射制备出钙钛矿量子点编码微载体（图1）。通过改变流速可以调节微载体的大小，当内相的EGDMA树脂溶液流速固定时，液滴直径随着外相PVA水溶液流速的增加而减小。同样，在固定的外相流速下，随着内相流速的增加，液滴直径也随之增大。

图1 钙钛矿量子点封装的编码微载体制备示意图及微流控流速与微载体尺寸的关系。 

为了使编码微载体具有磁响应能力，将Fe₃O₄@SiO₂纳米颗粒分散于树脂溶液中。在形成液滴模板的过程中，这些纳米颗粒会自发迁移到水-油界面。由于总界面能的降低，这些Fe₃O₄@SiO₂纳米颗粒将被锚定在水-油界面上，不会通过热运动从界面中逸出（图2）。内部的Fe₃O₄核心赋予了编码微载体磁性响应的能力，在钕磁铁的帮助下可以将编码微载体与反应物进行快速有效的分离。外部的SiO₂壳层(约60 nm)含有丰富的硅羟基(Si-OH)，在硅烷偶联剂的作用下可以与其他基团进行修饰，用于后续的生物医学探针偶联。此外，硅壳层提供了足够的距离，防止钙钛矿量子点与Fe₃O₄核心之间发生荧光共振能量转移(FRET)使荧光淬灭。

图2 具有磁性响应能力的钙钛矿量子点封装的编码微载体。

作者进一步采用多通道并行的策略制备多组分编码微载体，从而拓展编码数量，使其具备多元检测的能力。将含有不同发射波长钙钛矿量子点的EGDMA树脂溶液分别注入到三个分散的毛细管通道中，随后，三种不同的钙钛矿树脂在毛细管的末端汇合，并被外部PVA水溶液剪切成液滴模板（图3）。由于含有钙钛矿量子点和Fe₃O­₄@SiO₂纳米粒子的EGDMA树脂具有很高的黏度，在光固化过程中，三个不同的组分之间没有明显的扩散或混淆。此外，通过选择性关闭其中一个树脂通道，在同一装置中获得了双组分条形码粒子，称为“Janus结构”。

图3 多组分钙钛矿量子点封装的编码微载体的制备。 

随后，作者探究了该编码微载体的检测性能和应用潜力。将不同直径(517 nm、608 nm、721 nm)的编码微载体与不同浓度的荧光探针共同孵育，清洗后测量荧光强度以验证探针的装载能力（图4）。在一定范围内，荧光强度随荧光探针浓度的增加而增加。此外，大直径的编码微载体可以装载更多的探针，从而产生更强的荧光信号并呈现出指数相关的关系。之后采用探针抗体、靶抗原和报告抗体的经典三明治结构验证钙钛矿量子点的生物医学检测应用。结果表明，该编码微载体可用于抗原的多元检测，具有较高的灵敏度和特异性，在肿瘤筛查等实际应用中具有广阔的应用前景。

图4 编码微载体用于生物医学检测。 

综上所述，作者通过一种创新的原位合成策略，利用微流控技术生成钙钛矿量子点封装的编码微载体。通过改变原料配比，形成一系列不同颜色的钙钛矿量子点；通过EGDMA树脂的封装，防止钙钛矿量子点的泄漏和淬灭；通过Fe₃O­₄@SiO₂纳米粒子的集成，赋予编码微载体磁性响应的能力。该研究结果表明，钙钛矿量子点封装的编码微载体具有良好的实际应用前景，有望在生物医学领域开启新的篇章。

论文第一作者为南京大学医学院附属鼓楼医院博士后卞非卡，通讯作者为南京大学医学院附属鼓楼医院赵远锦教授。详见: Feika Bian, Lingyu Sun, Yu Wang, Dagan Zhang, Zhiyang Li, Yuanjin Zhao. Microfluidic generation of barcodes with in situ synthesized perovskite quantum dot encapsulation. Sci. China Chem., 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1007-6. 

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通讯作者简介

赵远锦，南京大学/鼓楼医院教授，博导，科技部重点专项首席科学家，国家“万人计划”科技领军人才，国家优青，英国皇家化学会（RSC）Fellow。主要从事组织工程与人造器官、微流控编码芯片、仿生智能医用材料等研究，以第一作者及通讯作者在Sci. Robotics, Sci. Adv., Nature Protocols, PNAS, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc. 等杂志发表论文230 余篇，论文被引10000 余次（H 因子52）；申请专利140 余项，获授权60 余项。先后获得中国化学会青年化学奖、中国新锐科技人物、中国化学会-杰出青年科学家、军队科学技术进步奖一等奖等奖项及荣誉。受聘中国科协旗舰刊 Research、工程院院刊Engineering、中科院Science Bulletin、Bioactive Materials、Advanced Materials Technology、Science China-Materials、Bio-Design and Manufacturing等权威期刊的副主编或编委。

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