脂质体纳米反应器中发光镧系配合物的时空可控形成：跨膜转运调控与结构演化研究

本研究发现合成离子转运体（T1）可精准调控苯二甲酸（BDC2–）在负载镧系离子（Ln3+）的脂质体（Liposome）中的跨膜转运，实现发光镧系配合物（LnBDC）在纳米反应器内的时空可控合成。通过低温透射电镜（Cryo-TEM）和小角X射线散射（SAXS）首次揭示配合物形成诱导脂质体从单层（Unilamellar）向双层（Bilamellar）囊泡的结构转变，为仿生膜材料设计与跨膜传输机制研究提供新范式。

　　

引言：仿生纳米反应器的跨膜传输挑战

生物细胞通过区室化结构高效执行复杂代谢过程，这种机制启发了人工纳米反应器的开发。脂质体因其与生物膜相似的结构特性成为理想载体，但其边界层的渗透性限制严重阻碍了物质传输。当前人工纳米反应器面临的质量传输瓶颈，制约了离子浓度梯度构建与化学反应时空调控的能力。本研究通过将合成阴离子转运体整合至脂质体膜，实现了带电有机分子的可控内化，为纳米尺度限域空间内的配位化学反应提供了新平台。

区室化Ln³⁺阳离子的脂质体纳米反应器构建

采用1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（POPC）与胆固醇（7:3摩尔比）制备脂质体纳米反应器（LNRs）。通过薄膜水化法将LnCl₃（7 mM）封装于200 nm脂质体内腔，经冻融循环和挤压处理后获得LnCl₃@LP囊泡。动态光散射（DLS）显示TbCl₃@LP和EuCl₃@LP流体动力学直径约为170 nm，低温透射电镜（Cryo-TEM）证实其呈单层球形结构，膜厚度分别为5.3±0.1 nm和5.5±0.1 nm。扫描电镜-能谱（SEM-EDX）证明镧系元素与脂质组分共定位，氯离子选择性电极（Cl-ISE）检测证实透析后外部Cl^–浓度低于0.05 mM，而脂质体裂解释放的Cl^–浓度达0.4 mM，验证了离子的有效封装。

BDC^2–跨膜传输与发光LnBDC@LP纳米系统形成

通过双脲基阴离子转运体T1介导BDC^2–/Cl^–交换机制，实现苯二甲酸阴离子的可控内化。发射光谱显示：在254 nm激发下，TbBDC@LP呈现特征性⁵D₄→⁷F_j（j=6,5,4,3）跃迁，542 nm处⁵D₄→⁷F₅发射最强；在312 nm激发下，EuBDC@LP显示⁵D₀→⁷F_j（j=0-4）跃迁，614 nm处⁵D₀→⁷F₂发射主导。动力学研究表明：当转运体与脂质比例从1:1000降至1:100000时，Ln(BDC)形成速率显著降低，证明反应时空可控性。值得注意的是，Eu³⁺的配位速率快于Tb³⁺，揭示了镧系元素反应性差异。DLS证实所得LnBDC@LP体系保持单分散性且 colloidal稳定性达7天以上。

脂质体纳米反应器的层状结构演化

Cryo-TEM成像发现：TbBDC@LP样品中单层囊泡（124±43 nm）转变为均匀双层结构（105±28 nm），膜厚度增至11.1±0.1 nm。小角X射线散射（SAXS）分析显示：TbCl₃@LP的散射曲线在0.03<>_HH）为4.1 nm；而TbBDC@LP在q₁=0.091 ?^?1和q₂=0.180 ?^?1处出现布拉格衍射峰，对应层间距（d_L）6.8 nm的多层结构（N=2.3）。时间分辨SAXS监测显示：在转运体:脂质=1:10000条件下，93 s内即出现双层特征峰，600 s达到平台期，与发射强度变化时程一致。这种结构转变源于两种协同效应：BDC^2–/2Cl^–反向转运造成的渗透压变化，以及Ln³⁺与BDC^2–配位导致的腔内溶质浓度降低。值得注意的是，EuBDC@LP样品虽呈现类似层状转变，但SAXS峰展宽且Cryo-TEM显示其层状有序度较低，表明铕配合物对膜结构的调控能力与铽体系存在差异。

结论与展望

本研究通过合成转运体介导的阴离子跨膜传输，实现了脂质体纳米反应器内金属有机配合物的时空可控合成。发光光谱与结构分析共同证明：Ln(BDC)形成速率受转运体浓度调控，且配合物组装诱导脂质体从单层向双层结构转变。这种仿生策略不仅为研究限域空间内的配位化学提供了新方法，而且制备的LnBDC@LP体系表现出优于相应MOF材料的胶体稳定性。该平台可扩展至多元金属配合物合成，通过定制脂质体腔内金属离子 stoichiometric组成，为生物成像、传感及自适应材料等领域提供新型仿生材料。脂质膜屏障在防止纳米颗粒团聚的同时，其可功能化特性为膜性质定制提供了广阔空间，有望推动催化、药物递送等领域的创新发展。