作为通用荧光纳米载体的Quatsomes：稳定的伊红Y负载及其与膜染料的F?rster共振能量转移

《Nanoscale Advances》：Quatsomes as versatile fluorescent nanocarriers: stable Eosin Y loading and FRET with a membrane dye

　　

荧光纳米探针是先进生物成像和光学传感的关键组成部分，能够实现超越分子染料单独使用所能达到的增强亮度、光稳定性和多功能性。在单一纳米载体中使用多种染料可以增强信号并实现单系统内的多色成像。然而，开发能够稳定结合具有不同溶解度和理化性质的多种荧光探针的纳米平台仍然是一个重大挑战。在这项工作中，研究人员证明了将亲水性染料（伊红Y）和疏水性染料（DiD）高效共包封于Quatsomes（QSs）中的可行性，QSs是一类由离子表面活性剂和甾醇组成的稳定非脂质体纳米囊泡。QSs是具有药物递送和生物成像应用前景的多功能纳米载体，因为它们可以包封具有不同功能的分子。研究人员提出了两种不同的伊红Y负载策略：（a）在制备纳米囊泡过程中的预组装负载，以及（b）纳米囊泡与染料溶液的后组装负载（孵育）。虽然疏水性探针DiD凭借其长烷基链易于插入QSs膜中，但研究结果表明，像伊红Y这样的亲水性染料也可以被高效且稳定地结合，甚至在囊泡形成之后。这为按需调节QSs的发射特性开辟了可能性，前提是采用具有与QSs系统适当结构亲和力的合适亲水性染料。此外，伊红Y和DiD是与F?rster共振能量转移（FRET）兼容的染料。同一载体上两个荧光团之间的FRET提供了纳米尺度相互作用的灵敏读数，将分子邻近性转化为可测量的光学信号。总之，这些结果将QS定位为一种用于多色生物成像和光学传感的多功能和模块化纳米平台，结合了稳定性与其发射特性的按需可调性。

论文解读：《Nanoscale Advances》——Quatsomes作为多功能荧光纳米载体的研究

研究背景与意义

荧光探针在生物成像、化学传感和光电子学领域扮演着核心角色。下一代探针不仅需要具备高亮度和光稳定性，还需在复杂环境中保持化学稳定性，并能报告纳米尺度的局部结构与相互作用。传统的分子染料难以同时满足这些多重需求，而纳米结构的荧光平台为解决这一问题提供了有效策略。Quatsomes（QSs，由离子表面活性剂和甾醇衍生物组成的热力学稳定非脂质体纳米囊泡）因其结构完整性、均匀性及阳离子表面特性，成为极具潜力的候选材料。然而，如何在QSs中同时稳定包封具有不同溶解度（如亲水性与疏水性）的多种染料，并实现其功能协同，仍是该领域面临的重大挑战。本研究旨在探索QSs作为多功能纳米平台的潜力，特别是针对亲水性染料负载及双染料共包封体系的构建与表征。

关键技术方法

研究人员采用了两种主要的负载策略来制备伊红Y（EoY）负载的QSs：预组装负载（在纳米囊泡形成过程中通过DELOS-SUSP方法引入）和后组装负载（囊泡形成后与染料溶液孵育）。对于双染料体系，则同时引入了疏水性膜染料DiD。所有样品均经过切向流过滤（TFF）纯化以去除游离染料。随后，利用动态光散射（DLS）和电泳光散射（ELS）分析胶体尺寸与ζ电位；采用冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）观察形貌；通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱（包括量子产率、寿命测量）进行光物理表征；并利用双光子显微镜进行成像验证。FRET效率通过分析供体（EoY）荧光寿命的变化进行评估。

研究结果

1. 理化性质表征

DLS结果显示，两种制备方法得到的QSs流体力学直径均在80至100 nm之间，多分散指数（PdI）相似，表明EoY的引入并未显著改变纳米颗粒的整体尺寸。后组装负载的QSs Z-平均直径略大，可能源于染料在表面的吸附。所有配方均表现出高度正的ζ电位（>+25 mV），证实了胶体稳定性。EoY的负载导致ζ电位较空白QSs略有下降，这归因于阴离子染料与阳离子QSs表面的静电相互作用。后组装样品ζ电位降低更明显，提示其外部表面吸附了更多染料。Cryo-TEM图像确认了QSs保持了预期的、具有均匀尺寸分布的球形单层囊泡形态，无显著聚集。

2. 光物理表征

光谱分析表明，无论采用何种负载方法，EoY在QSs中均经历比本体水极性更低微环境，其吸收和发射光谱与在乙醇中相似，较水溶液略有红移。EoY在QSs中的荧光量子产率超过30%，高于在水中的25%，且两种方法的荧光寿命无显著差异，证实EoY在两种情况下处于相似的微环境中。对于同时负载EoY和DiD的QSs，当选择性激发EoY时，检测到了强烈的DiD发射，证实了FRET的发生。预组装负载QSs的FRET效率（41%）高于后组装负载QSs（26%）。这归因于预组装方法中EoY可分布于双层的内外叶，增加了供体-受体相互作用的机会，而后组装方法主要限于外叶相互作用。此外，预组装样品中DiD浓度略高也可能贡献了更高的FRET效率。荧光激发光谱进一步支持了FRET的存在，并显示可能存在非发射性的DiD H-聚集体。高浓度EoY会导致荧光量子产率和寿命下降，提示染料聚集，但FRET过程仍能维持。

讨论与结论

本研究首次证明了亲水性染料伊红Y能高效融入CTAB/胆固醇Quatsomes，实现了高包封率（80-90%）和优异的滞留性。两种负载策略（预组装与后组装）均能成功实现EoY的稳定负载，且不损害QSs的理化性质。光谱结果表明EoY定位于极性较低的微环境，与界面或膜相关定位一致。双染料共包封体系成功实现了高效的FRET，验证了QSs作为多功能光学纳米平台的潜力。后组装负载的成功尤为重要，它展示了一种灵活、可扩展的QSs按需功能化途径。这项研究确立了QSs作为先进光学应用的通用平台，能够实现亲水和疏水染料的模块化结合，为设计定制化荧光探针铺平了道路。