Nature nanotechnology: 反常理，同电荷物质在特定溶剂中相互吸引
文摘
科学
2024-07-11 15:44
浙江
编辑 | 小杨
撰文 | 小杨
文献信息：
A charge-dependent
long-ranged force drives tailored assembly of matter in solution
本周要介绍的文章是来自于牛津大学化学系的Madhavi Krishnan教授。Madhavi的研究方向主要是结合实验、理论和模拟来测量、解释、理解和控制流体中纳米尺度的分子级相互作用和传输。主要关注的是电荷间的静电相互作用，这种作用在流体中既强又长，并广泛存在于化学和生物系统中。采用平衡热力学方法，利用同电荷实体间的排斥力，实现在溶液中三维稳定捕获单个分子的能力。而在过去一个世纪中，控制和操纵从离子到大颗粒的物质主要依赖外部电磁场来实现。本文主要关注的是在溶剂中粒子与离子之间的电荷相互作用。一般来说，在溶液中，带电物体之间的相互作用通常符合电磁学的两个基本原则：(1) 同电荷物体相互排斥; (2) 这种排斥不受电荷符号影响。然而实验表明，溶剂在粒子间相互作用中起到了至关重要但之前未被重视的作用，特别是在液相中，这种相互作用可以打破电荷反转对称性。在水溶液中，带负电的粒子在长距离内会相互吸引，而带正电的粒子则相互排斥。而在具有界面分子偶极反转的溶剂（如醇类）中，情况则相反：带正电的粒子可能相互吸引，而带负电的粒子则相互排斥。这一现象在各种表面化学环境下均成立：从无机硅胶和聚合物粒子到水溶液中带有聚电解质和多肽涂层的表面。本文的研究通过构建基于溶剂的界面结构化理论，揭示了溶剂分子在纳米尺度界面上产生强大且长距离力的机制，对多种粒子和分子过程有直接影响，如自组装、凝胶化和结晶、生物分子凝聚、复凝和相分离等。The interaction between charged objects in
solution is generally expected to recapitulate two central principles of
electromagnetics: (1) like-charged objects repel, and (2) they do so regardless
of the sign of their electrical charge. Here we demonstrate experimentally that
the solvent plays a hitherto unforeseen but crucial role in interparticle
interactions, and importantly, that interactions in the fluid phase can break
charge-reversal symmetry. We show that in aqueous solution, negatively charged
particles can attract at long range while positively charged particles repel.
In solvents that exhibit an inversion of the net molecular dipole at an
interface, such as alcohols, we find that the converse can be true: positively
charged particles may attract whereas negatives repel. The observations hold
across a wide variety of surface chemistries: from inorganic silica and
polymeric particles to polyelectrolyte- and polypeptide-coated surfaces in
aqueous solution. A theory of interparticle interactions that invokes solvent
structuring at an interface captures the observations. Our study establishes a
nanoscopic interfacial mechanism by which solvent molecules may give rise to a
strong and long-ranged force in solution, with immediate ramifications for a
range of particulate and molecular processes across length scales such as
self-assembly, gelation and crystallization, biomolecular condensation,
coacervation, and phase segregation.流体中物体之间相互作用的微妙平衡影响了从纳米尺度到宏观尺度系统的行为、组织和性质，并因此支撑了大量自然现象。我们对溶液中带电粒子相互作用的理解基于经典电磁学的一个核心原则：同号电荷之间的力不仅在所有距离上都是排斥的，而且与电荷符号无关。例如，因为在真空中同号带电物体无论带正电还是负电都预期会相互排斥，因此在溶液中同号带电粒子也必须单调地相互排斥，特别是在范德华吸引力太弱而不足以显著影响总体相互作用的长距离下。这种观点是Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek（DLVO）理论的标志，这是胶体科学的基石。然而，在存在多价离子的情况下，特别是在高电荷量和低介电常数介质中，确实存在一些明确且有根据的例外。但几十年来，持续的报告显示在含有低浓度单价盐的水介质中，如核酸、脂质体、聚合物和胶体粒子，从纳米到微米尺度，同号带电粒子之间的吸引现象未能得到解释。这种实验与理论之间的持久分歧在理论文献中引起了相当大的关注。现有理论采用溶剂的连续体描述，忽略了分子溶剂的细微特征及其结构和相互作用，特别是在与分子或粒子接触的界面处。尽管经典平均场、连续体理论取得了普遍成功，但越来越清楚的是，水的分子特性在水相中的一系列界面现象中起到了决定性作用。我们最近提出，分子溶剂在界面的行为可以对两个带电物体接近时的总相互作用自由能产生重大影响(图1a)。具体来说，对于水中的带电物质，我们的模型表明，这种贡献不仅可以抵消粒子间的库仑排斥力，甚至可以超过它，改变粒子间力的符号，使负电粒子间的力变为净吸引。界面溶剂的取向行为因此可以被视为一种自由能的储存，可以被粒子间的相互作用利用，甚至在较大距离上也是如此。我们进一步提出，这种界面自由能贡献产生的力的符号和大小可以通过一个界面电位φ0来表示，这取决于溶剂的性质，对于界面处的水来说，φ0 < 0。图1：溶液中的粒子间相互作用可以打破电荷反转对称性。本文界面溶剂模型提出的主要实验趋势如下： (1) 粒子间相互作用中电荷反转对称性的破坏，例如，带负电的粒子在水中可能相互吸引，而带正电的粒子则相互排斥； (2) 使用不同的溶剂可能会逆转这一趋势，即带正电的粒子可能相互吸引，而带负电的粒子则相互排斥； (3) 溶剂对粒子间相互作用的贡献强度应与溶液的pH值密切相关。在此，我们报道了对界面溶剂对溶液中长程相互作用贡献的全面实验测试。我们证明了溶剂可以对粒子间相互作用做出巨大贡献，并且可以反直觉地推动同电荷粒子在溶液中自发形成有序的组装。此外，这种自由能贡献的符号和强度对粒子系统自组装的能力具有决定性影响，我们展示了它们可以通过各种依赖粒子和溶液的参数进行精细调控。我们对二维悬浮体系中胶体颗粒的相互作用进行了一系列实验，并研究了这些相互作用与系统属性的依赖关系，如溶液的pH值和电解质的离子强度，颗粒的电荷和化学性质，以及溶剂的分子结构。我们使用明场光学显微镜观察悬浮体系的空间结构（见补充信息1.5节和补充图3），并根据一系列图像中颗粒的空间坐标构建径向概率密度分布函数g(r)。为了推断潜在的颗粒间相互作用形式，我们进行了布朗动力学（BD）模拟，考虑了各种输入势能U(x)，假设相互作用是成对可加的，并生成了模拟的径向分布函数g(r)（见补充信息2.1节和3.4节）。在这里，r表示两个半径为R的球体之间的间距，位于间隙x处（图1a）。通过迭代过程，我们确定了与实验数据定性一致的成对势能（图1b）。我们还将这些从实验推断出的成对势能与使用界面溶剂模型计算得出的一对相同粒子的总相互作用自由能Utot(x)进行了比较。正如补充信息方程（5）-（9）所示，理论模型中参数p = pK - pH的变化可能导致计算得出的Utot(x)纯粹是排斥的、纯粹是吸引的，或者是一个非单调函数，显示出间隙xmin处的深度w的最小值。本研究中所有计算曲线的参数值均列于补充表1中。我们首先研究了分散在去离子水中的胶体二氧化硅粒子体系，其名义直径为4.82μm，估计的背景离子强度为c0 = 5μM。粒子表面附近的测量电位（ζ电位）约为-40mV，表明其表面带有高密度的离子化硅烯烷基团，表现出强烈的负电荷特性。根据DLVO理论，在这些条件下预计会出现强烈的粒子间排斥作用，暗示粒子将呈现随机分布的二维结构。然而，与此直觉相悖的是，我们观察到粒子自发地组装成稳定的、缓慢重组的六方密堆（hcp）簇，其间隔约为x ≈ 0.5μm ≈ 5κ^-1，与之前的报道相似（见图1b，中部面板和补充视频1）。这里，κ^-1是德拜长度，是电荷间静电相互作用强度衰减的空间速率，在单价离子溶液中可以用公式表示为，其中c0为摩尔浓度。簇的空间结构及簇之间的大空隙表明，带电粒子之间存在强烈且长程的吸引相互作用。这种吸引作用在较短的距离内受到排斥的抵消，导致在比较大的间隔处形成稳定的成对势能最小值。测量的g(r)曲线显示出周期性递减的峰值，反映了溶液中吸引性粒子间有限尺寸簇的有序内部结构（图1c）。粒子间相互作用的模拟（图1b）以及相应推断出的U(x)与计算得出的Utot(x)曲线一致，捕捉了实验推断出的最小值位置和深度（图1d）。在c0 = 5μM至1mM范围内进行的实验，对带负电的硅胶和羧基化粒子显示出了类似的趋势。对于孤立成对粒子的测量相互作用势显示出与集合实验推断的w和xmin值良好的一致性（扩展数据图1a-d，补充图12和补充信息4.2节）。这证实了观察到的簇形成源自于具有实质性吸引成分的成对势能，而不是来自于纯粹排斥粒子系统中的集体相互作用。此外，与先前关于同电荷吸引的建议相反，我们发现长程吸引力不受基础盖玻片表面特性的影响，这与以往在溶液中测量的吸引性成对相互作用和来自界面溶剂模型的理论预期相吻合。请注意，光学图像处理的偏差在我们对成对相互作用最小值的测量中没有起到作用。转向在相同条件下对带正电氨基化硅胶粒子进行的实验，我们发现粒子在溶液中仍保持随机分散的状态，这与纯粹排斥的粒子间相互作用预期一致（图1b，和补充视频1）。测得的g(r)曲线相对平坦，明显缺乏有序簇特征的周期结构（图1c）。相应的U(x)曲线表明，在正粒子中不存在长程最小值，呈现出单调递减的排斥效应，与从界面溶剂模型计算得出的曲线一致（图1d）。正粒子U(x)曲线中缺乏长程最小值与负粒子观察到的强吸引形成鲜明对比，表明溶剂是导致这种与电荷反转对称性预期显著偏离的原因。延伸图1：直接测量水中孤立的负电荷粒子对的对相互作用势。二氧化硅表面带有多种可电离的硅醇基团，其特点是在pK值在2到11之间具有高度不均匀的分布，这意味着在广泛的pH范围内，表面可电离基团可能会发生α值变化，即它们的电离程度。我们在固定离子强度下研究了在pH从4到10变化时二氧化硅的簇形成情况，并推断了每种情况下的w值。在这里，w
< 0表示吸引性成对势能的最小值深度，而对于纯粹排斥的成对势能我们取w = 0。对于二氧化硅，我们发现随着pH值增加，w的大小显著减小，但即使在高于9的高pH条件下，它仍然相当可观（|w| ≈ 2kBT）（图2d和补充视频2）。尽管电荷间的静电相互作用∆Fel随着pH的增加而增强，逐渐抵消我们预期同时减弱的界面溶剂贡献。这里ψs表示粒子的电表面电位（详见补充信息3.1节）。重要的是，我们发现这些观察结果可以在界面溶剂模型内得到定性解释（图2a、d，补充信息3.5节和补充视频2）。为了定量探索pH值的影响，我们研究了带有羧基化脲醛树脂（COOH）粒子的行为，其电荷来源于羧基团，其名义pK值约为4.5。我们观察到在pK < pH < pK + 3的范围内，存在明显的最大|w|值，这与预期的趋势在定性上是一致的，根据补充信息中的方程式(9)给出，并在补充信息中进一步讨论（图2a，d,信息3.5节和补充视频3）。接下来，我们研究了带有氨基化硅胶（NH2）粒子的行为，其表面带有高密度的氨基团（NH2），名义pK值约为9.5。我们在整个pH范围内未观察到正电粒子的簇形成（图2a和补充视频4）。事实上，g(r)曲线显示出大距离处的强烈粒子间排斥作用，尤其在低pH值约为4时最为明显（图2b）。在更碱性的条件下，即7 < pH < pK约为9时，由于氨基团的逐渐去质子化，粒子的净电荷逐渐减少。氨基团的去质子化与测得的ζ电位降低及粒子间排斥作用的减弱相关（图2b），但从未观察到稳定的有序簇的形成（图2a-c）。这些pH值范围（7 < pH < 9）可以与羧基粒子的等效pH范围（5–7）进行对比，我们实际观察到了具有最稳定簇结构的情况，其相互作用能最小值（|w|最大值）由长程吸引力生成。我们对带有正电聚电解质（如聚乙烯亚胺（PEI））涂层的二氧化硅粒子获得了类似的结果（补充图16）。因此，我们发现，对粒子电荷符号和一系列表面化学特性的测量pH依赖性相互作用具有溶剂自由能贡献的关键特征，为在固体-液体界面处涉及电荷依赖溶剂结构的相互作用机制提供了关键验证。进一步探索表面化学对粒子间相互作用的影响，我们研究了负电荷聚苯乙烯磺酸盐（PSS）表面的行为。孤立的苯乙烯磺酸基团在自由溶液中具有很高的酸性（pK < -0.5），但在聚合物主链背景下预期其pK约为3^38。我们使用逐层聚电解质膜沉积方法制备了PSS涂层的二氧化硅粒子^39。首先，我们将二氧化硅粒子涂覆一层带正电的聚二乙烯二甲基氯化铵（PDADMAC）聚合物，将ζ电位从ζ ≈ -50 mV转变为ζ ≈ +40 mV。在溶液中，PDADMAC涂层的二氧化硅粒子不再形成簇（图3）。然后，我们进一步在PDADMAC涂层的二氧化硅粒子上涂覆一层PSS，将ζ电位从约+40 mV改变为-70 mV。我们发现，在pH 5-6（≈ pK + 2.5）的条件下，PSS涂层粒子的体系在溶液中形成了稳定的簇，表明出现了类似未涂层二氧化硅粒子的长程粒子间吸引力。接着，我们依次在这些PSS粒子上涂覆PDADMAC和PSS的交替层，通过ζ电位测量确认每次涂层过程后粒子电荷的符号。我们始终发现，长程粒子间吸引力可以根据最新表面涂层的电荷符号开关打开和关闭。图3展示了四层顺序涂层的数据（补充视频5）。使用正电PEI和负电PSS交替涂层也得到了类似的结果（补充图23和25）。所有聚电解质涂层实验均在c0 = 15 μM条件下进行（图3和补充图23）。为了继续探索“同电荷自组装”现象的普遍性，我们转向研究多肽表面涂层在二氧化硅粒子上的相互作用。聚-L-赖氨酸盐酸盐（poly-K）和聚-L-谷氨酸钠盐（poly-E）多肽常用作表面涂层，由于其离子化的氨基（NH3+；pK ≈ 10）和羧基（COO−；pK ≈ 4.5）侧链而生成正电和负电表面。我们再次发现，与预期的正电赖氨酸表面相斥的情况相比，聚谷氨酸表面显示出类似我们的羧基粒子的长程吸引力（见图3d）。通过依次涂层聚-K和聚-E层，我们能够在粒子悬浮液中重复切换吸引和排斥状态，这对于蛋白质相互作用具有重要意义。上述实验显示，负电二氧化硅表面（pK ≈ 2–11）、羧基化三聚氰胺树脂粒子（pK ≈ 4.5）、磺酸苯乙烯盐（pK ≈ 3）和聚谷氨酸（pK ≈ 4.5）涂层的多肽表面在溶液pH约比可离子化基团的pK值高3个单位时表现出长程粒子间吸引力。相比之下，无论表面化学如何，正电粒子均显示出强烈的排斥作用，在测试的整个pH范围内未观察到长程吸引现象。接下来，我们对不同表面化学性质的粒子混合物进行了实验，观察了形成的晶体特性。在高pH值下，包含COOH粒子和SiO2粒子的悬浮液未显示出簇形成，类似于每种纯物质的预期（图4a）。在已知每种纯物质在纯状态下形成簇的pH值下（见图2），我们发现混合物也形成了由两种粒子组成的六方紧密堆积（hcp）簇，其g(r)的特征反映了两种粒子的尺寸（图4a和图4d）。在pH ≈ 4时，纯COOH粒子不形成簇，但SiO2粒子形成簇。有趣的是，我们发现系统并没有排除不形成簇的COOH粒子，而是显示出包含两种粒子的稳定hcp簇（图4a和补充视频6）。所有这些观察结果都可以在提出的界面溶剂化模型内进行解释（补充信息，3.6节）。具体来说，只要一种粒子处于电荷调节状态，就足以使化学性质不同的同电粒子之间表现出吸引力（图4b,c）。因此，我们展示了相似或相同的化学性质并不是粒子间吸引的必要条件，粒子表面的电荷状态才是这一普遍且可调特性背后的力量。简单来说，粒子的化学性质通过电离基团的pK值进入相互作用的物理过程。这些观察结果可能对生物相分离问题具有重要意义。例如，在强酸性RNA分子与其他带电分子如蛋白质的混合物中参与簇状形成的情况中，这一现象尤为显著。为了强调与生物分子凝聚问题的联系，簇中的二氧化硅粒子（图4a）可以看作‘scaffolds’，而羧基粒子则扮演‘clients’的角色。我们自然会提出一个问题：水中观察到的粒子间的电荷不对称性是否会因为在不同溶剂中界面分子的定向行为差异而发生改变。我们首先确认，悬浮在乙醇和异丙醇（IPA）中的带正电胺基化二氧化硅粒子显示出正的电位（图5c）。回顾一下，这些粒子在水中悬浮时保持良好的分散状态（图1和图2）。然而，在乙醇和IPA中，我们发现带正电的粒子形成了稳定的晶体簇，显示出g(r)分布，这种分布类似于在水中带负电二氧化硅粒子通常遇到的吸引相互作用（图5b,c 和补充视频7）。相反，带负电的羧基化粒子在两种醇中均保持良好分散，不形成簇，表现出与带正电粒子在水中相似的行为。乙醇和异丙醇的分子模拟显示，在中性表面上，这些分子的平均分子偶极矩的垂直分量可以相对于水分子发生反转，即界面分子取向使它们相对疏水的甲基（–CH3）基团指向中性表面（图5a和补充图8b；补充信息2.2节）。这种分子取向使得零表面电荷下的界面溶解势具有正号，即φ0 > 0，这表明在我们的模型中带正电的粒子之间会有吸引力。实验探测界面电势的尝试确实表明，与水相比，酒精在界面的取向行为和φ0的符号发生了反转。此外，实验推断的U(x)曲线在定性上与计算的Utot(x)一致，如图5d所示，得到的模型参数在物理上是合理的（补充视频7，补充信息3.3节和补充表1）。最后，受到相同电荷微球在溶液中自发形成可调集群的启发，我们研究了这种长程溶剂化力在生理条件下对分子尺度可逆凝聚体形成的影响，这在生物学中的液-液相分离问题中广泛存在。我们构建了一个简单的模型，将蛋白质视为带有表面可电离基团的球体暴露于溶剂中（图6a），并研究了两种带电分子在单价盐浓度范围为c0 = 10 mM至1 M，pH范围为5.5至8的电解质中相互作用能u(x)（图6，补充图10和补充信息，部分3.7）。我们分析了补充信息方程（5）给出的在分子间名义表面距离为x = 1 nm时总相互作用势的符号和大小图6：电荷依赖的溶剂化力可以驱动生物分子凝聚物的形成我们注意到，在考虑的pH和盐浓度范围内，由于分子带有相同符号的大量净电荷，导致粒子间的静电斥力ΔFel预计将是显著的（图6b）。有趣的是，在添加界面贡献到总自由能后，我们发现相互作用在无限分离时相对于无穷远处可能变得明显吸引（即，对无穷远相对），特别是在较低的离子强度和高于带电基团pK的pH值条件下（补充图10和补充信息3.7节）。然后，我们估算了一个共存曲线的轮廓，标志着可能发生相分离的参数空间部分，以及分子保持良好分散的区域。我们发现，界面模型表明在盐浓度高达c0∼0.5 M和pH值约为≈6.5的条件下，可能发生相同电荷分子的凝聚体形成，这种行为实际上已经报道了带有净负电荷的蛋白质，例如带有六个酸性氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）超过控制其相分离响应域的碱性侧链（赖氨酸和精氨酸）数量的野生型酵母蛋白Sup35（补充图10）（47）。然而，相同相互作用的DLVO类型模型无法捕捉Sup35的实验趋势（图6c和补充信息3.7节）。这项研究提供了深刻不同的视角，关于粒子间和分子间相互作用，具有广泛的自组装和溶液中物质聚集的意义，甚至涉及到生命起源的问题。在溶液中，电荷在界面上的协同作用和局部的界面溶剂化结构可以产生一种“电溶解力”在物体之间产生作用。作为一个经验法则，当特定溶剂中的界面电位φ0的符号与粒子电荷的符号相匹配时，可以预期相同的名义上互斥的粒子之间会发生相互吸引。观察结果要求重新评估生物分子相互作用的典型观念，例如，蛋白质中的带负电的poly-E区段在溶液中明确地排斥，这取决于溶液中的pH条件，并非绝对成立（图2）。溶液中的相同电荷分子实际上可能会在生理条件下经历反直觉的强烈和远距离的吸引力。这些结果进一步影响了溶剂混合物中的相互作用，以及包含诸如氨基酸盐、渗透剂、多醇或其他总体电中性分子的溶液，这些分子并不预期会强烈影响静电相互作用本身。溶液中的净中性分子种类可能由于纯电解质改变界面溶剂化结构，从而修改带电粒子间的总体相互作用。在此引用的概念可能同样适用于长程粒子间和分子间相互作用，并与纳米尺度过程（如生物分子折叠）相关的分子内相互作用和构象变化。最后，我们的发现提供了探索由溶剂引起的界面电位符号和大小的证据，这些电位以前被认为是无法测量的。
