PEG化量子点编码高性能多电解质微囊用于先进生物成像

摘要

荧光成像是现代诊断基石，实现分子、细胞、组织动态的实时可视化。半导体纳米晶体—量子点（QDs）兼具尺寸可调发射、宽吸收和优异光稳定性，是标记生物分子和编码微粒子的理想荧光团。本研究提出一种简化的无溶剂法，通过层层自组装将水溶性PEG功能化CdSe/ZnS QDs掺入多电解质微囊多层膜中。所得中空微囊尺寸均一（平均4.45±0.65 μm），表面电荷控制稳健，荧光峰590 nm与游离QDs相同。流式细胞术和荧光显微镜证实微囊形成均一群体，信号强度高（~10⁴ PE单元），可在标准实验室仪器轻松检测。这些PEG化QD编码微囊作为明亮、光稳定的生物成像和诊疗一体化剂极具前景，可进一步功能化实现刺激响应递送。

引言

靶向药物递送和高分辨率成像需要可在体内精确追踪的载体。静电层层自组装组装的多电解质微囊为掺入磁性、金属、荧光纳米粒子等功能剂提供多功能平台。量子点凭借随粒径变化的窄对称发射谱，可用单一激发波长实现多重检测。其光稳定性和量子产率（~40%）媲美有机染料，更大的消光系数赋予单粒子更高亮度。

传统微囊荧光标记通常依赖共价偶联或染料物理混合，易发生淋溶和光漂白。将QDs嵌入微囊膜提供更稳健的光学编码策略，前提是QDs保持水溶性和稳定锚定。本文报道羧基末端PEG化CdSe/ZnS QDs的合成、其掺入多电解质多层壳层，及所得荧光微囊的全面表征。

方法

目的、设计与研究设置

QD编码多电解质微囊制备

CdSe/ZnS核壳QDs（590 nm峰）由P. Samokhvalov博士（NRNU MEPhI, Moscow）合成，经氯仿重复萃取和半胱氨酸沉淀纯化。QDs用巯基末端PEG12-COOH衍生物（1:4.6质量比）PEG化，凝胶过滤纯化。动态光散射（DLS）和激光多普勒微电泳（Zetasizer Nano ZS）测得流体动力学直径18.7-23.3 nm，ζ电位-26.7±0.8 mV。

层层自组装在碳酸钙（CaCO₃）微粒上进行。先组装五层初始多电解质层（PAH/PSS），随后PEG化QDs吸附在末端PAH表面。额外PAH/PSS层封盖QDs，0.2 M EDTA（pH 6.5）除去CaCO₃核。所得中空微囊在50 mM磷酸盐缓冲液（pH 7.4, 1% BSA）中4 °C孵育12小时，用牛血清白蛋白（BSA）表面修饰。最终悬液洗涤五次，4 °C避光保存。

光学与荧光显微镜

用Axio Observer 3（Zeiss）40×/0.55物镜观察微囊形貌和尺寸分布。荧光成像用HBO 100汞灯、FITC长通滤光片组和100×/1.30油镜（Immersol 518F）。环氧树脂包埋超薄切片（150 nm，Leica EM UC6）用TexasRed滤光片组（560/40 nm激发，630/75 nm发射）记录荧光。

荧光表征

Infinite 200 PRO多模酶标仪（Tecan）用480 nm激发记录游离和封装QDs发射光谱。测量前样品离心（2630×g, 20 min）。

流式细胞术

样品（10⁶ beads/mL）在FACSCanto II（BD）488 nm激光下分析。记录前向散射（FSC）、侧向散射（SSC）和PE（585/42 nm）信号。FACSDiva处理数据。

材料

羧基PEG12-HS（Thermo Fisher）、PAH（Mw≈15 kDa, Sigma-Aldrich）、PSS（Mw≈70 kDa, Sigma-Aldrich）、PAA（Mw≈15 kDa, Sigma-Aldrich）、CaCl₂、Na₂CO₃、EDTA、BSA及所有试副均购自Sigma-Aldrich。溶液用MilliQ水（18.2 MΩ·cm）配制。

统计分析

数据用MS Excel 2007和Origin Pro 2015分析；结果报告为三次独立实验的均值±标准差。

结果与讨论

QD编码多电解质微囊开发

层层自组装策略提供无溶剂、生物相容路线将QDs封装于可控多电解质壳层内。碳酸钙微粒先获PAH层，交替PSS和PAH构建10层壳层。带负电荷的PEG化QDs吸附于末端PAH层，额外多电解质层封盖。EDTA除去CaCO₃核得中空微囊；最终BSA涂层赋予生物相容性并减少非特异性聚集。

图1展示层叠序列、ζ电位演变及最终微囊代表性荧光显微照片。扫描电镜横截面确认中空结构及QDs在膜中均匀分布（图5）。动态光散射显示窄尺寸分布，平均直径4.45±0.65 μm（图2），接近红细胞大小，适合静脉注射不破坏血组织屏障。在渗透性增强区域（如肿瘤），微囊可外渗实现靶向成像。

荧光与结构特性

封装微囊发射光谱保留游离QDs的590 nm峰值（图3），表明多电解质基质不淬灭荧光。流式细胞术显示QD编码（橙色）和安慰剂（灰色）微囊在PE通道清晰分离，荧光强度~10⁴ PE单元，而FSC/SSC分布重叠，确认尺寸和颗粒度相同（图4）。

QDs高光稳定性结合~40%量子产率，产生媲美或超越常规有机染料的亮度且避免光漂白。通过尺寸调控编码多种颜色，提供几乎无限的光谱多重复用能力。

结论

展示了一种可重复、无溶剂的制备路线，获得尺寸均一、表面电荷稳定、荧光明亮的PEG化QD编码多电解质微囊。微囊可被标准流式细胞仪和共聚焦显微镜轻松检测，成为体外和体内生物成像的有力候选者。未来工作将探索刺激响应功能化及整合进诊疗一体化平台。

缩略语

BSA：

牛血清白蛋白

EDTA：

乙二胺四乙酸二钠

PAA：

聚丙烯酸

PAH：

聚阳离子烯丙胺盐酸盐

PEG：

聚乙二醇

PSS：

聚阴离子苯乙烯磺酸钠

QD：

量子点

TOPO：

三正辛基膦氧化物