一种光学透明的聚合物‑二氧化钛核‑壳微球及制备和应用的制作方法

本发明涉及材料科学以及光学超分辨成像领域，具体涉及一种光学透明的聚合物-TiO₂核-壳微球及制备和在白光显微镜下的超分辨成像应用。

背景技术：

传统的光学显微镜受到衍射极限的限制，其分辨率只能达到照明波长的1/2，为了突破这一衍射极限，科学家们开发出各种各样的超分辨成像技术，包括近场扫描光学显微镜（NSOM）技术、荧光超分辨成像技术（受激发射损耗显微镜技术、随机开关与读取显微技术、结构光照明显微镜技术）、超材料透镜技术等，然而NSOM技术扫描速度慢而不能用于实时成像，荧光超分辨成像技术只能用于观察荧光标记的样本，超材料透镜制备过程复杂而且其所采用的贵金属材料往往有不可忽略的光学损耗，这些缺点限制了其进一步应用。

近年来，商业上光学透明的介质微球如SiO₂、BaTiO₃、聚苯乙烯（PSt）等也被用来和光学显微镜相结合，在白光下可获得非荧光标记样本的实时超分辨图像，然而这些单一组分的微球加工性差或者折射率低，此外其和底部样本小的点接触面使得来自于样本的倏逝波不能充分耦合进微球，造成超分辨成像对比度较低，从而使其在实际中的应用受到限制。

本文通过一个简单的Pickering分散聚合，将高折射率的TiO₂纳米粒子和PSt结合起来制备了一种光学透明、高折射率、具有良好加工性能的聚合物-TiO₂核-壳微球，并采用硅油填充微球和底部样本之间的空隙，在白光显微镜下实现了对蓝光碟上100nm亚衍射条纹的超分辨成像，与纯聚合物微球相比，聚合物-TiO₂核-壳微球的超分辨成像对比度有了明显的提高。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种光学透明的聚合物-TiO₂核-壳微球及制备和在白光显微镜下的超分辨成像应用。

为了实现这一目的，本发明技术方案中采用无水法制备了4 nm的锐钛矿TiO₂纳米粒子，并以其为Pickering分散剂，苯乙烯（St）和甲基丙烯酸甲酯（MMA）为单体，偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，通过分散聚合制备了聚合物-TiO₂核-壳微球，并在白光显微镜下通过二甲基硅油半浸没的杂化微球实现了对蓝光碟上亚衍射条纹的超分辨成像。

本发明的方法具体为：

一种光学透明的聚合物-二氧化钛核-壳微球的制备方法，其特征在于：

将5.97~35.85 g TiO₂/无水甲醇分散液，固含6 wt%、4.55 g 苯乙烯（St）、2.62 g甲基丙烯酸甲酯（MMA）、0.12 g 偶氮二异丁腈（AIBN）、15~44 g无水甲醇加入到一个配备有回流冷凝管、磁力搅拌、N₂入口的二口圆底烧瓶中，向体系中通N₂ 30 min后升温至70℃反应10 h得到P(St-co-MMA)/TiO₂核-壳结构微球。

所述TiO₂/无水甲醇分散液的制备过程如下：

磁力搅拌下，将1mL TiCl₄逐滴加入到盛有5 mL无水乙醇的敞口圆底烧瓶中，待生成的HCl气体挥发完后，向上述反应瓶中加入20 mL无水苯甲醇以及135微升γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS），加热至80℃反应9 h，将反应液用无水乙醚沉淀并离心分离，重复3次后将所得TiO₂纳米粒子分散于一定量的无水甲醇中得到一个透明的TiO₂分散液，其固含量为6%。

一种光学透明的聚合物-二氧化钛核-壳微球，其特征在于，根据上述所述方法制备得到。

一种光学透明的聚合物-二氧化钛核-壳微球在白光显微镜下的超分辨成像应用。

所述的微球，其对蓝光碟的超分辨成像操作方法如下：

用剪刀将蓝光碟剪成1cm×1cm的小块，并剥去其表面上100 μm厚的介电保护层，取一滴微球分散液滴至蓝光碟表面，室温干燥后向基底滴一滴硅油并于2000 rpm转速下旋涂2 min使微球半浸没于硅油中，然后在白光（λ ~ 550 nm）照明的光学显微镜下通过调焦到基底表面以下的特定位置，获得蓝光碟表面条纹的超分辨图像。

所述的成像实验中采用的奥林巴斯显微镜型号为BX63，物镜数值孔径NA为0.8，放大倍数为100×。

作为对照，我们在类似的反应条件下，不加入TiO₂而采用0.5g 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为分散剂制备了纯的P(St-co-MMA)微球，编号为M0。

首先通过无水法制备了锐钛矿MPS/TiO₂纳米粒子，并以其为分散剂，甲醇为分散介质，通过Pickering分散聚合制备了核-壳结构的聚合物-TiO₂杂化微球，并在白光显微镜下实现了对蓝光碟表面间距为100nm的亚衍射条纹的高对比度的超分辨成像。

本发明的优点在于：

采用TiO₂纳米粒子为Pickering分散剂，不仅避免了采用聚合物分散剂对微球的污染，而且所制备的微球单分散性良好。TiO₂纳米粒子在微球表面均匀包覆使得微球具有良好的光学透明性和高折射率。超分辨成像采用硅油为半浸没介质，填充了微球与衬底之间的空气间隙，使得更多的倏逝波耦合进微球，从而提高了超分辨成像对比度，在光学超分辨成像领域有潜在的应用前景。

附图说明

图1为M1微球的SEM图像。

图2为M2微球的SEM图像。

图3为M2微球的超薄切片TEM图像。

图4为蓝光碟表面的SEM图像。

图5为为蓝光碟在光学显微镜下的图像。

图6为纯聚合物球M0对蓝光碟的超分辨成像。

图7为M2微球对蓝光碟的超分辨成像。

图8为M3微球的SEM图像。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作详细的描述。

实施例1

磁力搅拌下，将1mL TiCl₄逐滴加入到盛有5 mL无水乙醇的敞口圆底烧瓶中，待生成的HCl气体挥发完后，向上述反应瓶中加入20 mL无水苯甲醇以及135 μL MPS，加热至80 °C反应9 h。将反应液用无水乙醚沉淀并离心分离，重复3次后将所得TiO₂纳米粒子分散于一定量的无水甲醇中得到一个透明的TiO₂分散液，其固含量约为6%。

取上述TiO₂分散液5.97 g、4.55 g St、2.62 g MMA、0.12 g AIBN、44 g无水甲醇加入到一个配备有回流冷凝管、磁力搅拌、N₂入口的二口圆底烧瓶中，向体系中通N₂ 30 min后升温至70 °C反应10 h得到P(St-co-MMA)/TiO₂核-壳结构微球，编号为M1。

通过热重分析测得M1微球中TiO₂含量约为2.62 wt%。

图1为所制备的M1微球的SEM图像，其粒径约为2.7 μm。

实施例2

磁力搅拌下，将1mL TiCl₄逐滴加入到盛有5 mL无水乙醇的敞口圆底烧瓶中，待生成的HCl气体挥发完后，向上述反应瓶中加入20 mL无水苯甲醇以及135 μL MPS，加热至80 °C反应9 h。将反应液用无水乙醚沉淀并离心分离，重复3次后将所得TiO₂纳米粒子分散于一定量的无水甲醇中得到一个透明的TiO₂分散液，其固含量约为6%。

取上述TiO₂分散液17.9 g、4.55 g St、2.62 g MMA、0.12 g AIBN、32 g无水甲醇加入到一个配备有回流冷凝管、磁力搅拌、N2入口的二口圆底烧瓶中，向体系中通N₂ 30 min后升温至70 °C反应10 h得到P(St-co-MMA)/TiO₂核-壳结构微球，编号为M2。类似的反应条件下，我们不加入TiO₂纳米粒子并采用0.5 g PVP作为分散剂

将蓝光碟剪成1cm×1cm的小块并剥去其表面上100 μm厚的介电保护层。取一滴杂化微球M2的分散液滴至蓝光碟表面，室温干燥后向基底滴一滴硅油并于2000 rpm转速下旋涂2 min使微球半浸没于硅油中，然后在白光（λ ~ 550 nm）照明的光学显微镜下通过调焦到基底表面以下的特定位置，获得蓝光碟表面条纹的超分辨图像。

通过热重分析测得M2微球中TiO₂含量约为4.35 wt%。

附图2为所制备的M2微球的SEM图像，其粒径约为1.8 μm；附图3为M2微球的超薄切片TEM图像，可以看出TiO₂包覆层的厚度约为20 nm。

附图4为蓝光碟表面的SEM图像，可以看出其表面亚衍射条纹宽度为200 nm，间距为100 nm；附图5为蓝光碟在光学显微镜下的图像，蓝光碟表面的亚衍射条纹不能被显微镜分辨；附图6为纯聚合物球M0对蓝光碟的超分辨成像，附图7为M2微球对蓝光碟的超分辨成像，可以看出M2微球能清晰分辨蓝光碟表面100 nm间距的条纹，且比纯聚合物球显示出更高的对比度。

实施例3

磁力搅拌下，将1mL TiCl₄逐滴加入到盛有5 mL无水乙醇的敞口圆底烧瓶中，待生成的HCl气体挥发完后，向上述反应瓶中加入20 mL无水苯甲醇以及135 μL MPS，加热至80 °C反应9 h。将反应液用无水乙醚沉淀并离心分离，重复3次后将所得TiO₂纳米粒子分散于一定量的无水甲醇中得到一个透明的TiO₂分散液，其固含量约为6%。

取上述TiO₂分散液35.85 g、4.55 g St、2.62 g MMA、0.12 g AIBN、15 g无水甲醇加入到一个配备有回流冷凝管、磁力搅拌、N₂入口的二口圆底烧瓶中，向体系中通N₂ 30 min后升温至70 °C反应10 h得到P(St-co-MMA)/TiO₂核-壳结构微球，编号为M3。

通过热重分析测得M3微球中TiO₂含量约为9.9 wt%。

附图8为所制备的M3微球的SEM图像，其粒径约为1.2μm，由于M3微球表面包覆了较多的TiO₂纳米粒子使其在聚合过程中能抵抗胶粒与溶剂界面处不平衡的拉普拉斯压力而不能自动回复到球形形态，因此得到了偏离球形的颗粒。