纳米红外光谱分析技术在纳米药物递送系统研究中的应用

纳米颗粒的多形态结构正被广泛应用于纳米药物递送系统。大多数递送系统由核芯与壳层组成：壳层时而作为保护性封装层，时而充当活性化学组分。虽然药物递送系统的有效性可在制造完成后进行验证，但若能通过单颗粒分子指纹图谱对每个制造环节进行验证，将为质量控制带来重大突破。当前分子分析仪器体系难以对单个纳米药物递送颗粒进行研究（粒径通常≤100纳米）。

红外光诱导力显微镜（IR PiFM）成为监测此类纳米颗粒的理想工具。除金属核芯外，IR PiFM可提供配体、药物及其他系统组成化学物质的关键分子信息。图1展示的核-壳模型系统由两种聚合物材料构成：疏水性聚苯乙烯核芯与亲水性聚甲基丙烯酸酯壳层。原子力显微镜的形貌与相图虽能显示球形颗粒，却无法证实核-壳结构是否形成。FTIR测量可检测两种聚合物的存在，但无法呈现相分布细节。当采用1493 cm⁻¹和1720 cm⁻¹波数进行IR PiFM成像时，可清晰分别映射疏水性聚苯乙烯核芯与亲水性聚甲基丙烯酸酯壳层。截面分析（最右侧图像）显示壳层厚度约9纳米，核芯直径约18纳米。由于PiFM探测深度可达约15纳米，其能透过薄壳层对核芯成像。壳层呈现环形特征是因为探针整合了针尖下方约15纳米深度范围内的信号；当探针位于颗粒边缘时，会整合更多聚甲基丙烯酸酯分子的信号。

在下一案例（图2）中，我们不仅实现了纳米颗粒表面配体的成像，还同步映射出磁性氧化铁纳米颗粒（MNPs）功能化过程中产生的污染物。MNPs（特别是磁铁矿Fe₃O₄纳米颗粒）因其在MRI对比增强等人体诊断领域的广泛应用而备受关注。为使磁铁矿纳米颗粒从疏水性转变为亲水性以实现水相中的稳定单分散，需将初始表面活性剂油酸配体替换为多齿多巴胺基叔胺配体；图2a与2b分别展示了含多巴胺嵌段共聚物的叔胺配体合成流程与配体交换过程。透射电镜图像（图2c）显示核芯纳米颗粒尺寸约为5-7纳米。在进行IR PiFM测量时，功能化纳米颗粒通过旋涂法制备于硅基底。AFM形貌图（图2d）显示功能化纳米颗粒均匀分布，并存在少量被视为污染物的大型球状体。图2h展示了污染物与MNPs的PiF-IR光谱，以及体相DOPA-叔胺-MNPs的FTIR参考光谱（黑色虚线）与油酸FTIR光谱（红色点线）。污染物PiF-IR光谱与油酸FTIR光谱的高度吻合表明污染物来源于残留油酸。1260 cm⁻¹与1040 cm⁻¹波数的PiFM图像（均为DOPA-叔胺-MNPs的特征振动谱带）清晰凸显出具有环形特征的单个MNP，其形态与图1中聚甲基丙烯酸酯壳层类似。1120 cm⁻¹波数的PiFM图像（油酸红外特征带）则突出显示了污染物颗粒；其环形特征表明这些污染物同样具有核-壳结构，且油酸构成其壳层组分。

作为活性药物成分（API）成像的范例，我们研究了聚ε-己内酯（PCL）及其与L-抗坏血酸（AA）共混体系的相容性与形态特征。PCL是一种线性脂肪族聚酯，具有生物相容性、无毒和可生物降解的特性，已被广泛应用于制药与生物医学领域。PCL与AA复合可带来两大优势：（1）改善生物降解速率；（2）增强生物聚合物的亲水性。控制聚合物与复合材料的形态与结晶行为至关重要，因其直接决定材料的最终性能。图3展示了含5 wt% AA浓度样品的形貌图、1725 cm⁻¹波数PiFM图像（突出PCL）、两组复合PiFM图像及PiF-IR光谱（颜色对应形貌图中指定点位），并附体相FTIR光谱。通过形貌图及相关PiF-IR光谱，可见PCL/AA共混体系不相容，AA已结晶形成微米级晶体。两个PCL区域（晶体簇中心的深绿色区域与基体区域的蓝绿色区域）的PiF-IR光谱除1725 cm⁻¹附近C=O键的微小差异外几乎完全相同，且与体相FTIR高度吻合；1180 cm⁻¹与1250 cm⁻¹处的两个强度凹陷是激光器缺陷导致的伪峰。三组PiF-IR光谱则呈现不同特征：每组PiF-IR光谱与体相FTIR峰位基本一致，但相对强度存在差异。PiFM图像清晰显示出不相容性：1725 cm⁻¹的PiFM图像仅在AA晶体缺失区域突出PCL分子。如光谱所示，从PiFM图像中可见至少存在三个层次的C=O键强度梯度。1666 cm⁻¹、1119 cm⁻¹和821 cm⁻¹波数的PiFM图像分别用蓝、绿、红三色伪彩标注并合成（左下图），专门突出AA微晶。由于激发激光为p偏振（电场沿针尖轴向），我们认为不同的相对强度源于暴露的不同晶面。中下图用PCL谱带替换红色映射，更清晰显示不相容性。鉴于FTIR与PiF-IR光谱中丰富的峰位信息，红色虚线矩形区域经放大后示于图4。在FTIR光谱中，可观察到A、B两处明显的双峰；而在PiF-IR光谱中，不同位点对双峰的贡献各异：在A处，PiF-IR2和PiF-IR3分别几乎完全贡献于低波数峰与高波数峰，而PiF-IR1虽显示双峰但强度不均衡；在B处，PiF-IR1和PiF-IR2完全贡献于低波数峰，PiF-IR3则完全贡献于高波数峰。IR PiFM以低于10纳米的空间分辨率检测局部化学状态的能力，将为化学家理解纳米药物递送系统的制造工艺、质量控制及药物-机体相互作用涉及的化学过程提供强大工具。