Nature Chemistry：纳米颗粒与带相反电荷的小分子的静电共组装

背景介绍

纳米化学（nanochemistry）主要研究原子以上、100nm以下的纳米世界中的各种化学问题的科学。在一个被广泛引用的例子中，配体保护的金属纳米团簇表现出量化的能级，常被称为“超原子”。纳米颗粒（NPs）也可以在类似于小分子聚合的过程中组装成一维(1D)结构；事实上，研究人员经常利用电子显微镜观察纳米粒子的自组装能力来验证分子聚合理论模型。库仑相互作用可以用来将带电纳米粒子组装成更高阶的结构，但这个过程需要尺寸相近的带相反电荷的粒子。分子尺度和纳米尺度颗粒之间的类比还延伸到化学反应。与分子类似，NPs可以与自身发生反应，受到氧化、阳离子和阴离子交换等作用，以及其他更复杂的反应，如电偶置换等。

同样，由多个带电基团(典型的是COO^-和NMe³⁺)功能化的球形纳米粒子在许多方面表现得像简单离子的纳米类似物。这些‘超离子’可以作为电中性固体相互吸引，从溶液中析出，类似于简单的无机盐，如AgI。然而，小离子与带电纳米颗粒的行为存在一些显著差异。因此，寻找小分子来介导纳米粒子组装，将会对纳米材料的制备以及其在催化、传感和光子学等领域的应用提供便利。

成果简介

进日，以色列魏茨曼科学研究所Rafal Klajn团队发现带3个(或更多)电荷的小分子可以介导带相反电荷的纳米粒子之间的吸引相互作用，这些相互作用可以引导带电纳米粒子组装成以前只被认为是由它们与相同尺寸的带电纳米粒子共结晶形成的高质量胶体晶体。利用带正电荷的纳米颗粒和带负电荷的阴离子结合，可以生成瞬时纳米颗粒组装体。MD模拟发现，将NPs聚集在一起的寡聚阴离子表现为一种‘动态离子胶’，从而有利于NP聚集体的结构转变。本工作的研究结果为水环境中静态和动态纳米结构材料的制备和应用提供了方向。相关成果以题为“Electrostatic co-assembly of nanoparticles with oppositely charged small molecules into static and dynamic superstructures”发表在了Nature Chemistry上。

图文解析

一、带正电荷的纳米颗粒与小阴离子之间的相互作用。

考虑带相反电荷的纳米颗粒与分子之间的相互作用时需要解决的一个基本问题：一个小分子需要的最小电荷数是多少，才能与相反电荷的NPs在水中产生吸引作用，从而介导它们的自组装?为此，作者合成了不同尺寸的(11-巯基十一烷基)-N,N,N-三甲基铵(TMA)功能化的球形金纳米粒子；作者以带正电荷的铵基终止，并研究了它们与简单阴离子的相互作用。本工作使用I^-滴定Ag⁺，从滴定曲线可以看出，当达到溶解产物Ksp=[A⁺] [B^-]时，突然发生沉淀。相反，将带正电荷的纳米颗粒与带负电荷的纳米颗粒滴定，导致纳米颗粒团聚体尺寸逐渐增大，直至电中性点发生沉淀(即加入的纳米颗粒上带正电荷的配体数量达到被滴定的纳米颗粒上带负电荷的配体数量)。进一步加入带负电荷的NPs会导致沉淀物溶解并形成越来越小的颗粒NP聚集体，对于小的、非络合的阴离子没有观察到。本工作发现，带3个(或更多)电荷的小分子可以介导带相反电荷的纳米粒子之间的吸引相互作用，而带1个或2个电荷的小分子则不能。作者发现，在整个模拟过程中，阴离子多次从NP表面结合和解离，这使得它们与NP相互作用的自由能剖面容易被发现。d≈5Å处的极小值表明所有三种阴离子都与NP结合的配体发生了相互吸引，其极小值的深度与相互作用自由能成正比。

图1. 带正电荷的NPs和带负电荷的小分子的静电共组装

图2. 带正电荷的NPs与小阴离子之间的静电相互作用的MD模拟

二、纳米颗粒-分子离子集合体内部小离子的动力学及其结构转变为结晶集合体。

上述CG-MD模拟表明，柠檬酸根离子可以很容易地介导两种带正电荷的TMA包覆纳米颗粒之间的吸引相互作用。接下来，本工作考察了两种结合的Au·TMA NPs的团簇内柠檬酸盐的迁移率。为此，作者对CG-MD模拟进行了扩展，分析了周期为0.9 μs到8.4 μs的轨迹。通过跟踪CG-MD模拟过程中的单个柠檬酸盐，可以监测它们在三种状态之间的转移概率。这些转移概率是从一个简化的CG模型中提取出来的，因此具有定性的价值。此外，作者计算了不同团簇中柠檬酸盐的均方位移，发现‘灰色’柠檬酸盐在NP表面的扩散速度比较稳定的‘红色’柠檬酸盐快一个数量级左右。因此，这些结果证明了系统的内部动力学，既其中两个结合NP之间界面的柠檬酸比单个NP表面的柠檬酸更动态。MD模拟显示，正电荷纳米颗粒之间的低聚阴离子容易扩散，可能有利于初始聚集体转变为规则的结晶聚集体。在温度升高(50℃)时，“退火”过程在1小时内完成，形成200-300nm宽的胶体晶体，没有进一步长大(图3d)。总的来说，观察到的Au·TMA/柠檬酸聚集物中NP顺序的增加支持了低聚阴离子作为一种动态的观点，而不是“冷冻的”离子胶。

图3. 小阴离子的动力学和TMA功能化Au NPs的退火

三、带相反电荷的纳米粒子和小离子的结晶聚集体。

本工作假设，带正电荷的NPs与寡聚阴离子之间具有吸引力的静电作用，可以用来构建大的胶体晶体(‘超晶体’)，最终得到纳米结构材料。由于图3c,d所示的退火实验没有提供大于~300nm的晶畴，作者寻求另一种方法来制备NPs的晶体组装体。本工作做了大量研究后发现，碳酸铵的加入诱导了离子/上离子沉淀的重新溶解，(NH₄)₂CO₃的自发分解导致了胶体晶体的形成(大约24小时)。有趣的是，组装体的结晶度并没有因为阴离子上存在较大的未带电基团而受到损害。不论阴离子和NP的大小是多少，如果调节NP在结晶过程中的浓度在0.16-10 mg ml^-1之间，组装成的紧密堆积的胶体晶体的平均粒径会保持在1-50μm之间。就重复单元细胞数(> 4000个)而言，它们代表了迄今为止从小NPs中获得的一些质量最高的胶体晶体。作者认为，这种长程有序是由TMA包覆的纳米颗粒之间中介寡核苷酸的流动性所促成的。这种迁移率(特别是在聚集初期，当离子强度仍然比较高时)可以使纳米粒子调整位置，优化聚集内的堆积，最终形成长程有序的结晶。

图4. TMA功能化的Au NPs与小阴离子共晶体的自组装

四、负电荷纳米粒子与小阳离子的相互作用。

本工作接下来确定了观察到的自组装行为是否可以扩展到带负电荷的NPs和寡聚的‘反向’系统。为了解决这一问题，作者合成了含有磺酸基团(11 -巯基十一烷磺酸盐(MUS))的巯基的4.7nm Au NPs；值得注意的是，作者使用磺酸盐而不是羧酸盐端基，目的是保证最大程度的去质子化。作者在水中滴加OMA³⁺水溶液至MUS包覆的Au NPs (即Au·MUS)上，观察到S形滴定曲线，类似于Au·TMA与寡聚阴离子的滴定曲线。同样，用Au·MUS滴定OMA³⁺溶液也可以得到NP团聚体，且团聚体随着Au·MUS加入量的增加逐渐分解(图5d )。本工作在利用(NH₄)₂CO₃提高离子强度的基础上，筛选出静电相互作用溶解的Au·MUS/OMA³⁺聚集体；而且，随之而来的是(NH₄)₂CO₃缓慢分解，形成了规整的胶体晶体。

图5. 静电共组装带负电荷的NPs和带正电荷的小分子

扩展图4. 由带负电荷的纳米颗粒和有机三聚阳离子共同组装的胶体晶体的SEM图

五、带相反电荷的纳米粒子和相反电荷的小离子的平衡外聚集体。

上述结果表明，携带三个（或更多）负电荷的小阴离子可以介导带正电荷的NPs之间的吸引相互作用，这些阴离子在单阴离子或二阴离子存在下仍然不组装。这些发现的基础上，作者假设，Au·TMA团聚体中“阴离子胶”电荷的自发减少应导致这些团聚体的解体。这种电荷减少可能是多电荷阴离子水解的结果。这样一个过程的一个主要例子是ATP水解——由磷酸酶酶催化的高度外能反应。因此，作者推断，在磷酸酶存在的情况下，ATP会作为短暂生成NP聚集体的刺激物。本工作发现，体系的平衡态对应ATP水解成AMP和HPO₄^2-，两者均不诱导Au·TMA的自组装。但是，由于ATP水解比ATP诱导的NPs自组装慢，只要ATP浓度足够高，NP团聚体就会暂时存在。为了进一步验证NP聚物的分解是由吡啶酶的酶活性触发的，作者使用了一种不可水解的ATP类似物进行了研究。本工作发现，虽然这种寡聚体诱导了类似于ATP的NP聚集，但在酶的存在下，这种聚集并未出现解体的迹象。此外，反复循环导致溶液的离子强度逐渐增加，最终由于Au·TMA与寡阴离子之间的静电作用被屏蔽阻止NP的聚集。值得注意的是，在ALPase存在下，作者观察到Au·TMA聚集体的拆分轮廓截然不同，这取决于所用的阴离子。ATP和无机三磷酸的加入均使纳米粒子迅速聚集。然而，虽然Au·TMA/ATP聚集体在一定的时间内持续存在，之后迅速分解，但从P₃O₁₀^5-得到的聚集体在形成后不久就以稳定的速度进行开始崩解，直到几小时后再生出游离纳米颗粒的溶液。最后，作者假设非平衡NP聚集体的寿命可以通过外加刺激量来控制(图6d中的绿色)。图6k显示了随着ATP添加量的增加，λ_SPR值对Au·TMA的依赖性。NP聚集体在加入13.5 nmol ATP后约20 min开始快速拆解，而在加入刺激物后约180 min开始拆解(40.5 nmol)。结果发现，在某些组装体内部，ATP被迅速水解，需要不断地补充ATP，才能保持组装的非平衡状态。此外，本工作的系统允许一个独立的方式来控制动态NP聚集体的寿命，这是基于改变酶的浓度(活性)。

图6. 由ATP驱动的Au NPs的DSA

结论与展望

总的来说，本工作研究了分子和纳米尺度上的静电作用，重点研究了带负电荷的小分子和带正电荷的纳米粒子的模型体系。本工作发现，带3个(或更多)电荷的小分子可以介导带相反电荷的纳米粒子之间的吸引相互作用，而带1个或2个电荷的小分子则不能。这些结果可以通过舒尔茨-哈代规则应用于小纳米粒子体系来加以合理化。用带相反电荷的小分子离子滴定带电纳米粒子，反之亦可以滴定，表明作者的体系结合了分子尺度和纳米级体系的特征。MD模拟发现，将NPs聚集在一起的寡聚阴离子表现为一种‘动态离子胶’，从而有利于NP聚集体的结构转变。作者的研究结果表明，带相反电荷的小分子与带正电荷的纳米粒子共结晶，其尺寸小于一个数量级，可以形成以前只认为是由相同尺寸的带相反电荷的小分子与带正电荷的纳米粒子共组装形成的高质量的胶体晶体。基于以上发现，作者设想了一个DSA体系，即纳米粒子只在多电荷阴离子的持续供应下才以聚集态存在，这些阴离子不断水解成较小的阴离子。这些结果为进一步的研究开辟了几个途径。（1）作者预期，基于挥发性盐自发分解的纳米颗粒晶化方法将对潜在的晶化机制提供重要的见解。（2）NP/离子聚集体内部的分子离子表现出迁移性的发现表明这些聚集体可能表现为离子导体。（3）在NP/三阴离子聚集体体系中整合亚稳态光酸将会很有趣；光诱导的质子释放可以用来质子化三阴离子，从而可逆地在三阴离子之间切换(在黑暗条件下)；诱导NP聚集和分解，从而拆卸和重组多个循环的NP聚集体。（4）ATP介导的DSA系统代表了一个由生物相容性组分和在水中运行的系统的独特例子，从而使研究者更接近于动态自组装NPs与生物环境的接口。

第一作者：Tong Bian

通讯作者：Rafal Klajn

通讯单位：以色列魏茨曼科学研究所

论文doi：

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

原文链接：

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

本文由温华供稿。