Nat.Common.|水环境中单个脂质囊泡毫秒级光开关变化过程的红外纳米光学观测

投稿：张天宇

近日，来自德国慕尼黑大学（LMU）物理系的A. Tittl、T. Lohmüller、F. Keilmann研究团队，联合开发了一种基于散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的瞬态红外纳米成像技术，实现了对水性环境中单个脂质囊泡（最小176nm）光异构化动态的无标记、非破坏性观测，时间分辨率达30ms，空间分辨率达20nm。首次在单囊泡水平揭示了偶氮苯类光开关脂质（azo-PC）的瞬态/延迟异构化动力学，并量化了其形态变化（面积增加10%、圆形度降低8%）与化学结构转变的关联。

该研究成果以“Transient infrared nanoscopy resolves the millisecond photoswitching dynamics of single lipid vesicles in water”为题发表在国际知名学术期刊《Nature Communications》上。论文通讯作者为A. Tittl、T. Lohmüller、F. Keilmann，论文第一作者为T. Gölz。c'cccccccccc

研究背景

1、脂质纳米载体的重要性：脂质囊泡（如脂质体、脂质纳米颗粒LNPs）是纳米医学的核心平台，可包载疏水药物实现靶向递送，已应用于mRNA疫苗（如新冠疫苗）等临床场景。其性能优化依赖于外部触发的精准释放机制（如光控释放），但需解决动态过程的高时空分辨率观测难题。

2、现有技术的局限性：1）荧光标记法：偶氮苯类分子会淬灭荧光，干扰异构化过程。2）传统显微镜：远场红外光谱空间分辨率低（~1μm），无法区分单囊泡；AFM、TEM等虽能观察形态，但缺乏化学特异性。3）动态监测缺口：光异构化发生在毫秒级，现有技术难以捕捉单囊泡的实时结构-化学耦合变化。

3、关键挑战：需开发一种无标记、高时空分辨率、化学特异性的技术，在生理环境中实时追踪单个纳米载体的动态行为。

主要创新点

1、技术突破-水相环境中单囊泡的高分辨化学成像：1）空间分辨率：20nm（比传统远场红外提升50倍），首次观察到176nm囊泡的形态细节。2）时间分辨率：30ms（比同类近场技术快100倍），捕捉到毫秒级异构化动态。

2、方法创新-无标记动态监测：1）无需荧光或同位素标记，通过MIR指纹峰（如1602cm⁻¹）直接区分trans/cis态，避免标记干扰。2）结合形态（AFM topography）与化学（红外光谱）数据，实现“结构-功能”同步分析。

3、发现创新-异构化动力学的非线性特征：1）突然加速现象：trans→cis异构化在延迟10-15s后出现1 s内的快速跃迁，可能源于膜内脂质的协同效应（H-聚集体解体）。2）形态-化学耦合：cis态囊泡面积增加10%、圆形度降低8%，与分子堆积密度降低（cis体积增加25%）直接相关。

研究内容和结果

图1 系统展示了基于散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的实验方法与原理验证。

图1a 为膜基原位s-SNOM技术的工作示意图：10nm厚的SiN膜将AFM探针与水相环境中的脂质囊泡分离，既避免了探针污染，又通过范德华力固定囊泡以维持长期稳定性。MIR激光（红色区域）聚焦于探针尖端产生局域近场，穿透SiN膜探测下方100nm深度的囊泡；UV/蓝光LED（蓝色区域）则均匀照射膜表面，诱导脂质光异构化。图1b 补充了实验装置细节，包括抛物面镜聚焦光路、Michelson干涉仪检测散射光振幅（s2）和相位（φ2）的设计。

图1c 呈现了囊泡的化学组成：50：50混合的DOPC（常规脂质）与trans-azo-PC（光开关脂质），并通过分子结构示意图展示了azo-PC在365nm（trans→cis）和465nm（cis→trans）光照下的构象转变——cis态苯环由反式变为顺式，分子体积增加约25%。图1d 的UV-VIS光谱验证了切换波长的选择：trans态在365nm有强吸收，cis态在465nm有特征峰。

图1e 和 图1f 为核心实验结果。图1e 是trans态囊泡的光谱平均MIR振幅图像（s2），清晰显示直径约500nm的囊泡轮廓（比例尺500nm）。图1f 对比了同一囊泡在trans（蓝色）和cis（紫色）态的纳米FTIR相位光谱，发现1606cm⁻¹处的苯环呼吸峰强度在cis态显著降低，与ATR-FTIR结果一致，证实了该技术区分分子异构态的化学特异性。此外，1742cm⁻¹处的羰基峰强度无变化，排除了激光功率或 alignment 偏差的干扰。

图2 聚焦于s-SNOM对多个囊泡的高分辨率成像能力，验证了技术的空间分辨极限。

图2a 和 图2b 分别为15μm×15μm区域内囊泡的MIR振幅（s2）和相位（φ2）图像，探测波长1730cm⁻¹（羰基共振）。结果显示，即使在水相环境中，不同尺寸的囊泡（直径176nm至数微米）仍可被清晰识别，且相位信号（φ2 > 25°）在囊泡内部均匀分布，边缘呈现约100nm宽的fringe（白色环）。

图2c 为四个代表性囊泡的放大相位图像（比例尺300nm），图2d 提取了沿囊泡中心的相位轮廓并通过高斯拟合计算半高全宽（FWHM）。数据显示，最小囊泡的FWHM为176nm，接近系统的空间分辨率极限（100-150nm），远优于传统远场红外显微镜（~5μm）。

这一结果证实，s-SNOM可在生理环境下对亚200nm的纳米载体进行形态表征。此外，通过对比实验相位轮廓与非变形球体的理论模型，发现囊泡在SiN膜上发生扁平化——膜向上位移1-2nm（机械图像佐证），这与近场探测深度（~100nm）仅敏感于4nm厚的吸附脂质膜一致，为后续动态研究中囊泡形态变化的量化奠定了基础。

图3 通过时间序列成像，直观展示了光异构化诱导的囊泡形态动态变化。

图3a（振幅s2）和 图3b（相位φ2）记录了同一囊泡在1603cm⁻¹（偶氮苯特征峰）处的多次切换循环：初始trans态囊泡呈圆形，经365nm光照后（cis态）形态显著变形，再经465nm光照恢复（trans态），此过程可重复至少4个循环（1小时内），证实了切换的可逆性与测量稳定性。

图3c 定义了形态量化指标：面积（A）和圆形度（4πA/p²，p为周长），其中圆形度=1表示理想圆形，值越小越不规则。通过设定s2=7.8 arb.units的阈值分割囊泡边界，图3d 量化了两个切换循环中的形态变化：trans→cis转变导致囊泡面积增加10%，圆形度降低8%（从0.85降至0.78）。

这一结果与azo-PC分子cis态体积增加（20-25%）导致膜堆积密度降低的物理机制一致，同时支持了“cis态膜弯曲刚度更低易变形”的假设。值得注意的是，形态变化与光谱信号变化同步，表明s-SNOM可同时捕捉化学结构（红外光谱）与物理形态（图像）的动态关联，为研究光控纳米载体的构效关系提供了直接证据。

图4 通过瞬态信号记录，揭示了光异构化的毫秒级动力学特征，突破了扫描成像的时间分辨率限制。

图4a 和 图4d 为实验前囊泡的振幅/相位图像（1603cm⁻¹），探针固定于囊泡中心（红叉）以避免位置偏差。图4b 和 图4e 展示了8次切换循环（365nm/465nm交替光照）的信号时间轨迹，采样时间500ms：trans→cis时，振幅（s2）下降8%，相位（φ2）降低1.6°；cis→trans时信号对称恢复，重复精度>95%。

对信号轨迹进行sigmoidal函数拟合（红色曲线），提取关键动力学参数：延迟时间td=10.3-15.7s（光照开始至信号突变的时间），生长参数τ=0.7-3.9s（信号突变的速率）。其中τ与采样时间（500ms）处于同一量级，提示实际异构化速率可能更快。此外，信号突变常发生在3-4个数据点（1.5-2s）内，暗示膜内脂质存在协同效应——trans态H-聚集体解体后，cis态分子快速重排，导致“延迟-爆发”式动力学行为。

图4c 和 图4f 为实验后囊泡的成像验证，确认其位置和信号强度无漂移，排除了机械 artifacts。控制实验（D2O背景、硅片表面）进一步证实信号变化源于脂质异构化而非光照干扰。该方法最终实现了30 ms的采样时间（信噪比4σ），为毫秒级生物动态过程的研究开辟了新途径。

总结与展望

本研究为纳米尺度动态过程的观测提供了“可视化工具”，其技术创新（水相近场红外瞬态成像）和生物学发现（脂质膜协同异构化）对纳米医学、生物物理和材料科学领域具有交叉启发意义。

1、核心结论：1）技术验证：s-SNOM瞬态红外纳米成像可在水性环境中实现单囊泡的无标记、高时空分辨分析。2）机制阐明：光异构化诱导脂质膜从有序（trans-H聚集体）到无序（cis-松散堆积）的转变，导致囊泡形态重塑与动力学非线性。3）量化数据：空间分辨率：20nm；时间分辨率：30ms；异构化延迟时间：10.3-15.7s；响应速率：0.7-3.9s；囊泡面积变化：+10%（trans→cis）；圆形度变化：-8%（trans→cis）。

2、局限性：1）膜支撑影响：SiN膜可能导致囊泡扁平化（实验观察到1-2nm膜位移），需进一步优化样品体系。2）时间分辨率瓶颈：30ms仍受限于探测器响应速度，未来可通过更亮的MIR光源（如同步辐射）突破至微秒级。

3、未来展望：1）生物医学应用：拓展至mRNA-LNPs的释放动力学研究，优化光控药物递送系统。2）技术拓展：结合微流控芯片实现动态环境（pH、温度变化）下的实时监测。3）跨学科价值：为金属有机框架（MOFs）、2D材料等纳米系统的动态研究提供通用平台。

论文信息：Gölz, T., Baù, E., Zhang, J. et al. Transient infrared nanoscopy resolves the millisecond photoswitching dynamics of single lipid vesicles in water. Nat Commun 16, 6033 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61341-9