Nature Chemistry：納米顆粒與帶相反電荷的小分子的靜電共組裝

背景介紹

納米化學（nanochemistry）主要研究原子以上、100nm以下的納米世界中的各種化學問題的科學。在一個被廣泛引用的例子中，配體保護的金屬納米團簇表現出量化的能級，常被稱為“超原子”。納米顆粒（NPs）也可以在類似于小分子聚合的過程中組裝成一維(1D)結構；事實上，研究人員經常利用電子顯微鏡觀察納米粒子的自組裝能力來驗證分子聚合理論模型。庫侖相互作用可以用來將帶電納米粒子組裝成更高階的結構，但這個過程需要尺寸相近的帶相反電荷的粒子。分子尺度和納米尺度顆粒之間的類比還延伸到化學反應。與分子類似，NPs可以與自身發生反應，受到氧化、陽離子和陰離子交換等作用，以及其他更復雜的反應，如電偶置換等。

同樣，由多個帶電基團(典型的是COO^-和NMe³⁺ )功能化的球形納米粒子在許多方面表現得像簡單離子的納米類似物。這些‘超離子’可以作為電中性固體相互吸引，從溶液中析出，類似于簡單的無機鹽，如AgI。然而，小離子與帶電納米顆粒的行為存在一些顯著差異。因此，尋找小分子來介導納米粒子組裝，將會對納米材料的制備以及其在催化、傳感和光子學等領域的應用提供便利。

成果簡介

進日，以色列魏茨曼科學研究所Rafal Klajn團隊發現帶3個(或更多)電荷的小分子可以介導帶相反電荷的納米粒子之間的吸引相互作用，這些相互作用可以引導帶電納米粒子組裝成以前只被認為是由它們與相同尺寸的帶電納米粒子共結晶形成的高質量膠體晶體。利用帶正電荷的納米顆粒和帶負電荷的陰離子結合，可以生成瞬時納米顆粒組裝體。MD模擬發現，將NPs聚集在一起的寡聚陰離子表現為一種‘動態離子膠’，從而有利于NP聚集體的結構轉變。本工作的研究結果為水環境中靜態和動態納米結構材料的制備和應用提供了方向。相關成果以題為“Electrostatic co-assembly of nanoparticles with oppositely charged small molecules into static and dynamic superstructures”發表在了Nature Chemistry上。

?圖文解析

一、帶正電荷的納米顆粒與小陰離子之間的相互作用。

考慮帶相反電荷的納米顆粒與分子之間的相互作用時需要解決的一個基本問題：一個小分子需要的最小電荷數是多少，才能與相反電荷的NPs在水中產生吸引作用，從而介導它們的自組裝?為此，作者合成了不同尺寸的(11-巰基十一烷基)-N,N,N-三甲基銨(TMA)功能化的球形金納米粒子；作者以帶正電荷的銨基終止，并研究了它們與簡單陰離子的相互作用。本工作使用I^-滴定Ag⁺，從滴定曲線可以看出，當達到溶解產物Ksp=[A⁺] [B^-]時，突然發生沉淀。相反，將帶正電荷的納米顆粒與帶負電荷的納米顆粒滴定，導致納米顆粒團聚體尺寸逐漸增大，直至電中性點發生沉淀(即加入的納米顆粒上帶正電荷的配體數量達到被滴定的納米顆粒上帶負電荷的配體數量)。進一步加入帶負電荷的NPs會導致沉淀物溶解并形成越來越小的顆粒NP聚集體，對于小的、非絡合的陰離子沒有觀察到。本工作發現，帶3個(或更多)電荷的小分子可以介導帶相反電荷的納米粒子之間的吸引相互作用，而帶1個或2個電荷的小分子則不能。作者發現，在整個模擬過程中，陰離子多次從NP表面結合和解離，這使得它們與NP相互作用的自由能剖面容易被發現。d≈5?處的極小值表明所有三種陰離子都與NP結合的配體發生了相互吸引，其極小值的深度與相互作用自由能成正比。

圖1. 帶正電荷的NPs和帶負電荷的小分子的靜電共組裝

圖2. 帶正電荷的NPs與小陰離子之間的靜電相互作用的MD模擬

二、納米顆粒-分子離子集合體內部小離子的動力學及其結構轉變為結晶集合體。

上述CG-MD模擬表明，檸檬酸根離子可以很容易地介導兩種帶正電荷的TMA包覆納米顆粒之間的吸引相互作用。接下來，本工作考察了兩種結合的Au·TMA NPs的團簇內檸檬酸鹽的遷移率。為此，作者對CG-MD模擬進行了擴展，分析了周期為0.9 μs到8.4 μs的軌跡。通過跟蹤CG-MD模擬過程中的單個檸檬酸鹽，可以監測它們在三種狀態之間的轉移概率。這些轉移概率是從一個簡化的CG模型中提取出來的，因此具有定性的價值。此外，作者計算了不同團簇中檸檬酸鹽的均方位移，發現‘灰色’檸檬酸鹽在NP表面的擴散速度比較穩定的‘紅色’檸檬酸鹽快一個數量級左右。因此，這些結果證明了系統的內部動力學，既其中兩個結合NP之間界面的檸檬酸比單個NP表面的檸檬酸更動態。MD模擬顯示，正電荷納米顆粒之間的低聚陰離子容易擴散，可能有利于初始聚集體轉變為規則的結晶聚集體。在溫度升高(50℃)時，“退火”過程在1小時內完成，形成200-300nm寬的膠體晶體，沒有進一步長大(圖3d)。總的來說，觀察到的Au·TMA/檸檬酸聚集物中NP順序的增加支持了低聚陰離子作為一種動態的觀點，而不是“冷凍的”離子膠。

圖3. 小陰離子的動力學和TMA功能化Au NPs的退火

三、帶相反電荷的納米粒子和小離子的結晶聚集體。?

本工作假設，帶正電荷的NPs與寡聚陰離子之間具有吸引力的靜電作用，可以用來構建大的膠體晶體(‘超晶體’)，最終得到納米結構材料。由于圖3c,d所示的退火實驗沒有提供大于~300nm的晶疇，作者尋求另一種方法來制備NPs的晶體組裝體。本工作做了大量研究后發現，碳酸銨的加入誘導了離子/上離子沉淀的重新溶解，(NH₄)₂CO₃的自發分解導致了膠體晶體的形成(大約24小時)。有趣的是，組裝體的結晶度并沒有因為陰離子上存在較大的未帶電基團而受到損害。不論陰離子和NP的大小是多少，如果調節NP在結晶過程中的濃度在0.16-10?mg?ml^-1之間，組裝成的緊密堆積的膠體晶體的平均粒徑會保持在1-50μm之間。就重復單元細胞數(> 4000個)而言，它們代表了迄今為止從小NPs中獲得的一些質量最高的膠體晶體。作者認為，這種長程有序是由TMA包覆的納米顆粒之間中介寡核苷酸的流動性所促成的。這種遷移率(特別是在聚集初期，當離子強度仍然比較高時)可以使納米粒子調整位置，優化聚集內的堆積，最終形成長程有序的結晶。

圖4. TMA功能化的Au NPs與小陰離子共晶體的自組裝

四、負電荷納米粒子與小陽離子的相互作用。

本工作接下來確定了觀察到的自組裝行為是否可以擴展到帶負電荷的NPs和寡聚的‘反向’系統。為了解決這一問題，作者合成了含有磺酸基團(11 -巰基十一烷磺酸鹽(MUS))的巰基的4.7nm Au NPs；值得注意的是，作者使用磺酸鹽而不是羧酸鹽端基，目的是保證最大程度的去質子化。作者在水中滴加OMA³⁺水溶液至MUS包覆的Au NPs (即Au·MUS)上，觀察到S形滴定曲線，類似于Au·TMA與寡聚陰離子的滴定曲線。同樣，用Au·MUS滴定OMA³⁺溶液也可以得到NP團聚體，且團聚體隨著Au·MUS加入量的增加逐漸分解(圖5d )。本工作在利用(NH₄)₂CO₃提高離子強度的基礎上，篩選出靜電相互作用溶解的Au·MUS/OMA³⁺聚集體；而且，隨之而來的是(NH₄)₂CO₃緩慢分解，形成了規整的膠體晶體。

圖5. 靜電共組裝帶負電荷的NPs和帶正電荷的小分子

擴展圖4. 由帶負電荷的納米顆粒和有機三聚陽離子共同組裝的膠體晶體的SEM圖

五、帶相反電荷的納米粒子和相反電荷的小離子的平衡外聚集體。

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上述結果表明，攜帶三個（或更多）負電荷的小陰離子可以介導帶正電荷的NPs之間的吸引相互作用，這些陰離子在單陰離子或二陰離子存在下仍然不組裝。這些發現的基礎上，作者假設，Au·TMA團聚體中“陰離子膠”電荷的自發減少應導致這些團聚體的解體。這種電荷減少可能是多電荷陰離子水解的結果。這樣一個過程的一個主要例子是ATP水解——由磷酸酶酶催化的高度外能反應。因此，作者推斷，在磷酸酶存在的情況下，ATP會作為短暫生成NP聚集體的刺激物。本工作發現，體系的平衡態對應ATP水解成AMP和HPO₄^2-，兩者均不誘導Au·TMA的自組裝。但是，由于ATP水解比ATP誘導的NPs自組裝慢，只要ATP濃度足夠高，NP團聚體就會暫時存在。為了進一步驗證NP聚物的分解是由吡啶酶的酶活性觸發的，作者使用了一種不可水解的ATP類似物進行了研究。本工作發現，雖然這種寡聚體誘導了類似于ATP的NP聚集，但在酶的存在下，這種聚集并未出現解體的跡象。此外，反復循環導致溶液的離子強度逐漸增加，最終由于Au·TMA與寡陰離子之間的靜電作用被屏蔽阻止NP的聚集。值得注意的是，在ALPase存在下，作者觀察到Au·TMA聚集體的拆分輪廓截然不同，這取決于所用的陰離子。ATP和無機三磷酸的加入均使納米粒子迅速聚集。然而，雖然Au·TMA/ATP聚集體在一定的時間內持續存在，之后迅速分解，但從P₃O₁₀^5-得到的聚集體在形成后不久就以穩定的速度進行開始崩解，直到幾小時后再生出游離納米顆粒的溶液。最后，作者假設非平衡NP聚集體的壽命可以通過外加刺激量來控制(圖6d中的綠色)。圖6k顯示了隨著ATP添加量的增加，λ_SPR值對Au·TMA的依賴性。NP聚集體在加入13.5 nmol ATP后約20 min開始快速拆解，而在加入刺激物后約180 min開始拆解(40.5 nmol)。結果發現，在某些組裝體內部，ATP被迅速水解，需要不斷地補充ATP，才能保持組裝的非平衡狀態。此外，本工作的系統允許一個獨立的方式來控制動態NP聚集體的壽命，這是基于改變酶的濃度(活性)。

圖6. 由ATP驅動的Au NPs的DSA

結論與展望

總的來說，本工作研究了分子和納米尺度上的靜電作用，重點研究了帶負電荷的小分子和帶正電荷的納米粒子的模型體系。本工作發現，帶3個(或更多)電荷的小分子可以介導帶相反電荷的納米粒子之間的吸引相互作用，而帶1個或2個電荷的小分子則不能。這些結果可以通過舒爾茨-哈代規則應用于小納米粒子體系來加以合理化。用帶相反電荷的小分子離子滴定帶電納米粒子，反之亦可以滴定，表明作者的體系結合了分子尺度和納米級體系的特征。MD模擬發現，將NPs聚集在一起的寡聚陰離子表現為一種‘動態離子膠’，從而有利于NP聚集體的結構轉變。作者的研究結果表明，帶相反電荷的小分子與帶正電荷的納米粒子共結晶，其尺寸小于一個數量級，可以形成以前只認為是由相同尺寸的帶相反電荷的小分子與帶正電荷的納米粒子共組裝形成的高質量的膠體晶體。基于以上發現，作者設想了一個DSA體系，即納米粒子只在多電荷陰離子的持續供應下才以聚集態存在，這些陰離子不斷水解成較小的陰離子。這些結果為進一步的研究開辟了幾個途徑。（1）作者預期，基于揮發性鹽自發分解的納米顆粒晶化方法將對潛在的晶化機制提供重要的見解。（2）NP/離子聚集體內部的分子離子表現出遷移性的發現表明這些聚集體可能表現為離子導體。（3）在NP/三陰離子聚集體體系中整合亞穩態光酸將會很有趣；光誘導的質子釋放可以用來質子化三陰離子，從而可逆地在三陰離子之間切換(在黑暗條件下)；誘導NP聚集和分解，從而拆卸和重組多個循環的NP聚集體。（4）ATP介導的DSA系統代表了一個由生物相容性組分和在水中運行的系統的獨特例子，從而使研究者更接近于動態自組裝NPs與生物環境的接口。

第一作者：Tong Bian

通訊作者：Rafal Klajn

通訊單位：以色列魏茨曼科學研究所

論文doi：

https://doi.org/10.1038/s41557-021-00752-9

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00752-9

本文由溫華供稿。