【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】全氟碳化合物因具有優(yōu)異生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用價值顯著。其中，低沸點全氟碳(PFCs)微液滴在生理條件下穩(wěn)定，可在能量刺激下實現(xiàn)液滴-氣泡快速相變，不僅為腫瘤靶向超聲成像與藥物遞送提供新思路，也是研究微尺度相變的理想模型體系。然而，傳統(tǒng)技術(shù)難以實現(xiàn)多尺度、多相態(tài)、納米級分辨的原位觀測。同步輻射軟X射線譜學(xué)顯微技術(shù)的發(fā)展為此提供了全新解決方案。
近日，中國科學(xué)院上海高等研究院(以下簡稱“上海高研院”)納米氣泡研究團隊聯(lián)合上海應(yīng)用物理研究所，創(chuàng)新性利用同步輻射軟X射線譜學(xué)顯微技術(shù)，成功誘導(dǎo)單個亞微米級全氟己烷(PFH)液滴發(fā)生內(nèi)部相變，并實現(xiàn)相變后納米氣泡生長演化的高分辨率原位觀測。研究成果以"In Situ Observation of Soft X-ray-Triggered Nanoscale Phase Transitions in Perfluorocarbon Microdroplets"為題發(fā)表在《膠體界面化學(xué)雜志》(Journal of Colloid and Interface Science)。
本研究團隊前期研究已經(jīng)對PFH納米液滴的可控制備進(jìn)行了研究，成功制備了高濃度、約100 nm的液滴(Soft Matter 2022, 18, 425)。隨后進(jìn)一步系統(tǒng)研究了PFH微液滴在不同鹽和pH下的穩(wěn)定性(Langmuir 2024, 40, 9108)。上述結(jié)果為PFH微納米液滴相變研究奠定了重要基礎(chǔ)。研究依托上海光源BL08U1A線站的掃描透射軟X射線顯微鏡(STXM)，充分發(fā)揮其高達(dá)30 nm的空間分辨能力與氟元素近邊吸收譜分析優(yōu)勢。通過超聲制備不同尺寸PFH微液滴，利用X射線原位誘導(dǎo)相變，系統(tǒng)揭示了單個PFH微液滴內(nèi)納米氣泡的成核生長規(guī)律：納米氣泡優(yōu)先在液滴中心成核，呈現(xiàn)"成核-聚集-穩(wěn)定-二次成核"的獨特動力學(xué)過程；不同尺寸液滴(10 µm/6 µm/3 µm)分別呈現(xiàn)"S形"、"指數(shù)形"、"線性"生長模式；氣液界面處的納米氣泡密度較本體區(qū)域高數(shù)十倍，證實界面在相變中的關(guān)鍵作用；液滴變形存在尺寸效應(yīng)：>1 µm液滴表現(xiàn)為膨脹/塌陷，<1 µm液滴則發(fā)生整體相變。
圖1. 軟X射線誘導(dǎo)全氟己烷(PFH)微滴相變原位觀測示意圖。 (a)-(b) 通過超聲產(chǎn)生PFH微液滴。 (c) PFH微液滴溶液通過真空脂密封在兩個Si?N?窗口之間。 (d) 同步輻射軟X射線誘導(dǎo)PFH微液滴中產(chǎn)生PFH納米氣泡，并實現(xiàn)原位觀測。 (ZP: 波帶片; OSA: 級選光闌)。
圖2. PFH液滴的特征和相變。 (a) STXM圖像顯示了50 × 50 μm²區(qū)域內(nèi)PFH液滴的尺寸分布。 (b) STXM圖像在629 eV下捕捉到PFH液滴的部分相變，范圍為100 × 100 μm²。 (c) 相變前PFH液滴的STXM圖像，掃描范圍為25 × 25 μm²。 (d) 通過堆棧掃描進(jìn)行元素分布分析。 (e) 相變后PFH液滴的STXM圖像。 (f) PFH液滴在氟K邊附近的NEXAFS光譜，顯示出特征吸收。
圖3. 在689 eV下的原位STXM圖像顯示了PFH納米氣泡的形成，隨著時間推移PFH微滴和納米氣泡的尺寸變化。掃描區(qū)域：40 × 40 μm²。
論文第一作者為中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所季玉雯博士(現(xiàn)巴黎高等物理化工學(xué)院博后)、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所王耀博士生為共同第一作者，通訊作者為上海高研院光源科學(xué)中心的張立娟研究員和上海應(yīng)用物理研究所的張益研究員。本研究獲國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金資助。
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