强酸性和弱酸性聚阴离子刷的水溶液构象对阴离子和阳离子的特异性响应

《Langmuir》：Anion- and Cation-Specific Response of the Aqueous Conformation of Strong and Weak Polyanionic Brushes

本研究系统考察了强阴离子聚电解质刷（PSPMA）和弱阴离子刷（PAA）在多种二价阳离子及阴离子溶液中的肿胀行为，利用椭偏ometry和XPS分析表明，离子水合焓、离子半径及pH值显著影响刷的构象和离子保留特性，揭示了离子特异性响应机制，为智能涂层和药物递送应用提供了新见解。

　　聚电解质刷（Polyelectrolyte brushes, PEBs）是一种通过表面键合的聚合物链，其结构和行为对环境刺激高度敏感。这种材料因其在溶液中的离子响应特性，而被广泛应用于药物输送、传感和智能涂层等领域。在本研究中，我们系统地探讨了不同种类的二价阳离子和反离子对强酸性和弱酸性PEBs的膨胀行为的影响，特别是聚(3-磺丙基甲基丙烯酸酯)（PSPMA）和聚丙烯酸（PAA）刷。这些刷子通过表面引发的原子转移自由基聚合（Surface-initiated atom transfer radical polymerization, Si-ATRP）合成，并使用原位椭偏仪和X射线光电子能谱（XPS）来评估其膨胀行为和离子保留情况。我们考察了多种参数，包括刷子厚度、电解质化学性质、离子强度和pH值等。研究发现，不同离子对刷子的膨胀行为产生了显著差异，建立了膨胀行为与关键离子参数之间的相关性，如水合焓、离子半径、pH值和离子强度等。这些发现为理解PEBs的离子特异性响应提供了新的视角，并有助于设计和优化用于选择性离子结合、可调水合和表面功能化的先进响应材料。

聚电解质刷因其独特的物理化学性质和广泛的应用前景，受到了广泛关注。它们在药物和基因输送系统、膜技术、色谱、抗菌涂层和响应性表面等方面展现出巨大的潜力。大量研究致力于揭示PEBs的响应特性，以应用于传感、机械化学和驱动等领域。同时，一些研究也关注了离子和分子相互作用如何影响负载分析物或治疗剂的能力。如今，PEBs的物理化学性质及其与分析物的（宏观）分子相互作用仍然是研究重点，旨在提升性能并拓展功能性界面的设计范围。

在水性应用中，PEBs的离子化重复单元对其环境条件（如pH、离子强度和反离子类型）表现出高度敏感性，这些因素对刷子的构型和行为有显著影响。根据链上带电残基的化学性质，PEBs可以分为阴离子型、阳离子型或两性型（即能够电离为阴离子和阳离子）。此外，它们通常被分为强型和弱型PEBs，分别根据其是否表现出永久电荷（如季铵化刷）或pH依赖性电荷来区分。对于强型PEBs，静电相互作用的屏蔽和刷子的膨胀主要受溶液离子强度的影响，而不是pH值。相反，弱型PEBs的膨胀或收缩则由离子强度和pH值共同决定，影响着带电单体单元的比例。

PEBs在复杂环境中的构型响应引起了广泛关注，研究人员发展了理论和实验方法来研究和解释其特定行为。在盐化环境中，强型和弱型PEBs表现出不同的膨胀响应。根据溶液的离子强度，强型PEBs通常表现出渗透和盐化两种模式，而弱型PEBs则可能经历中性、渗透、盐化或准中性状态。这些膨胀模式反映了每个系统中相互作用的复杂性，包括刷子-离子、刷子-溶剂、离子-溶剂和自相互作用等，这些相互作用共同决定了刷子的构型和响应。

电解质的化学性质在PEBs的构型中起着关键作用。特定离子效应，也称为霍夫迈斯特效应，常用于理解不同离子如何调节分子间的相互作用和稳定性。霍夫迈斯特序列根据离子稳定或破坏蛋白质和聚合物溶液的能力对离子进行分类。亲水性离子（kosmotropes）强烈与水相互作用，维持有序的水环境，通过减少溶剂对生物分子的暴露来稳定它们。相反，疏水性离子（chaotropes）会破坏水的结构，导致蛋白质展开和溶剂对它们主链的暴露增加。尽管霍夫迈斯特相关的现象通常作为解释这些效应的基础，但其背后的原则在不同PEBs中仍需进一步研究，有时甚至理解得不够深入。

PEBs的离子响应行为主要在多价阳离子和温敏系统的研究背景下被探讨。例如，聚(2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵)（PMETAC）、聚(二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯)（PDMAEMA）和聚(2-乙烯基吡啶)（P2VP）等阳离子刷在面对阴离子化学时均表现出显著的构型变化，这些变化与这些阴离子在霍夫迈斯特序列中的位置有明显相关性。多价阳离子刷在存在疏水性阴离子（如高氯酸盐和硫氰酸盐）时会塌缩，这一现象通过椭偏仪、动态光散射、原子力显微镜（AFM）和中子反射测量得到了确认。这些构型变化也与刷子的水合和粘弹性特性显著变化有关，如通过石英晶体微天平与耗散（QCM-D）实验所证实的那样。确实，结合QCM-D和椭偏仪的测量显示，弱碱性刷子如PDMAEMA、聚(2-二乙基氨基乙基甲基丙烯酸酯)（poly(DEAEMA)）和聚(2-二异丙基氨基乙基甲基丙烯酸酯)（poly(DPAEMA)）均表现出离子特异性膨胀和塌缩行为。相比之下，聚两性离子刷在存在疏水性硫氰酸盐离子时表现出相反的趋势，刷子膨胀增加。这种行为被归因于对强偶极-偶极相互作用的破坏，这些相互作用通常限制刷子的构型自由度。

同样地，温敏聚合物刷（如聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）和乙二醇基刷）在霍夫迈斯特序列中的阴离子表现出显著的响应，它们在存在疏水性阴离子时膨胀，而在存在亲水性阴离子时塌缩。这种行为也在PDMAEMA刷中被观察到。此外，聚甲基丙烯酸（PMAA）刷在存在疏水性阳离子时表现出膨胀和变硬，这种现象基于原子模拟的实验结果提出，认为有效盐桥的形成是其关键机制。另一项研究发现，聚苯乙烯磺酸（PSS）刷在单价（Na?, Cs?）和多价（Ca2?, La3?）阳离子存在下表现出不同的膨胀、塌缩和再溶行为，这些行为受到溶剂组成和电荷反转效应的影响。

在聚阴离子刷中，PSPMA和PAA刷因其对电解质的独特响应而受到关注。PSPMA是一种强型聚阴离子刷，已被研究用于其响应性抗污、仿生生长因子捕获和摩擦学性能，应用于组织工程、微流体设备和生物传感器等领域。例如，与PSPMA相关的反离子被发现影响了气溶胶的异质冰成核温度和水合动力学。PSPMA刷的润滑性能也被发现受到反离子驱动的相互作用的影响，这些相互作用与刷子的膨胀曲线和离子响应有关，通过结合AFM和QCM-D实验进行了研究。相比之下，Kou等人发现，当暴露于一系列单价反离子（Na?, K?, Cs?）时，PSPMA刷表现出的阳离子特异性不如多价阳离子刷明显，其刷子水合的变化主要归因于结合的摩尔质量差异，而不是离子特异性相互作用。

尽管离子价态和配位对刷子-离子相互作用至关重要，但引入功能性的反离子也能实现不同的行为。例如，基于偶氮苯的光响应反离子使强型PEBs在紫外和可见光照射下表现出可逆的刷子水合和构型调节。通过改变偶氮苯与钾离子的比例，可以精细调节刷子对外部刺激的响应，突显了反离子在调节强型PEBs响应性方面的潜力。

PAA刷则属于弱型聚阴离子系统，因其能够在局部pH条件下释放治疗药物而被用于药物输送应用。例如，它们在酸性肿瘤微环境中用于控制化疗药物的释放，从而减少治疗毒性。此外，PAA刷也被用于金属离子修复，利用其与阳离子的配位能力进行选择性离子吸收。最近的椭偏仪和FTIR研究表明，多价阳离子（如Ca2?, Ce3?）可以显著改变PAA刷的构型，通过改变羧酸基团的pKa和解离行为，即使在酸性条件下也能导致膨胀。这些相互作用不仅限于pH或金属配位，离子强度也发挥着关键作用。例如，Hollmann等人发现，蛋白质在PAA刷上的结合受到盐浓度的强烈调控：在低离子强度下，正负电荷蛋白质均容易吸附，而在高离子强度下，吸附被大大抑制，这表明了它们在选择性蛋白质固定中的潜力。

因此，理解PSPMA和PAA刷与不同电解质的相互作用尤为重要，因为离子诱导的构型变化能够产生多样化的性能，从控制药物释放到表面附着。在本研究中，我们系统地研究了弱型和强型阴离子聚电解质刷的离子响应，特别评估了PSPMA和PAA刷在多种生物和药理学相关的二价阳离子（如Mg2?, Ca2?, Mn2?, Fe2?, Ni2?, Cu2?, Zn2?, Sr2?, Sn2?）存在下的膨胀行为和离子保留情况。同时，还研究了一小部分阴离子（如ClO??, F?, NO??, Cl?）的响应，以进行对比。为此，采用了椭偏仪和XPS来表征PEBs对这些物种的响应，从而确定和解释其相互作用及结构变化。

为了评估强型和弱型阴离子PEBs在不同条件下的行为，PAA和PSPMA刷在硅基底上通过表面引发的原子转移自由基聚合（SI-ATRP）合成。PAA和PSPMA刷的合成过程参考了之前报道的协议。通过改变反应混合物中甲醇/去离子水的比例和聚合时间，获得了不同厚度的PSPMA刷。PSPMA样品呈现出从银橙色到浅/深蓝色的特征颜色，这取决于刷子的厚度。这种颜色变化源于厚度依赖的光折射和来自ATRP过程的光学活性铜复合物的存在。相比之下，PAA刷的合成需要先聚合聚叔丁基丙烯酸酯（PtBA），然后通过去保护步骤去除叔丁基基团。为了去除PtBA中使用的抑制剂（单甲基醚氢醌），单体经过基本氧化铝柱纯化后，在真空条件下（78 mbar）在61–63 °C下蒸馏。蒸馏后的试剂（30 mL，205 mmol）被加入到含有PMDETA（122 μL，584 μmol）、CuBr?（3 mg，13 μmol）、CuBr（6.5 mg，45 μmol）和丙酮（16 mL）的溶液中，该溶液经过氩气脱气并加热至60 °C。将1 × 1 cm的等离子处理硅片插入密封反应瓶中，该反应瓶经过三次高真空和氩气循环脱气后，进行聚合反应。聚合结束后，样品被浸入丙酮，用乙醇和去离子水冲洗，然后在氮气流下干燥。为了去除PtBA刷的保护基团，样品被浸入DCM/TFA（10:1体积比）溶液中，并在室温下过夜处理。之后，样品用乙醇和去离子水洗涤并干燥。

为了去除聚合后剩余的铜催化剂残留，样品被用10 mM的EDTA溶液洗涤。EDTA溶液的pH值通过Mettler Toledo FiveGo F2 pH计测定，室温下为9.30。经过EDTA处理的样品在溶液中浸泡30秒后，用大量去离子水和乙醇冲洗，并在氮气流下干燥。通过XPS确认，铜催化剂残留在刷子中，这表明EDTA处理是必要的，以防止因残留离子引起的膨胀误差。

为了评估不同厚度的PSPMA刷对膨胀行为的影响，进行了原位椭偏仪测量。通过改变反应混合物中甲醇/去离子水的比例和聚合时间，获得了不同厚度的PSPMA刷。观察到，随着刷子厚度的增加，其膨胀比逐渐降低，这与PAA、PSS和PNIPAM等其他聚合物的行为一致。可能影响这种行为的因素包括残留催化剂杂质、聚合链的分散度以及可能的链脱附。通过分析椭偏仪数据并引入粗糙度参数进行拟合，我们探讨了刷子在x-y平面中的形态变化，如簇的形成，这可能导致增加的粗糙度（如Mg2?的情况，参见图S21的椭偏仪拟合结果）。此外，需要注意的是，Sn2?和Zn2?溶液中观察到的膨胀趋势偏离预期，这可能与锌氧氯化物和锡羟基氯化物盐的形成有关。

PAA刷的膨胀厚度也通过原位椭偏仪监测，不同二价阳离子对PAA刷膨胀比的影响被量化并绘制在图5A中。观察到，PAA刷在Sn2?、Zn2?和Mn2?溶液中表现出更强的塌缩行为，而Fe2?、Sr2?和Mg2?则导致较小的塌缩。这种行为可能与羧酸基团的水合能差异有关，其中较高的水合能使得它们更容易脱水和离子诱导收缩。此外，Sn2?和Zn2?溶液中观察到的膨胀趋势偏离预期，这可能与锌氧氯化物和锡羟基氯化物盐的形成有关。

PSPMA和PAA刷在10 mM溶液中与相应盐溶液孵育后的离子吸收和保留情况通过XPS进行了确认和分析。结果显示，所有离子在两种刷子中均被明显检测到，即使在样品用去离子水和乙醇充分洗涤后。对于PSPMA刷，除了Mg外，所有离子的高分辨率光谱均显示出自旋轨道分裂（或j-j耦合）。这种现象通常出现在2p光谱中，表现为两个自旋轨道峰（2p?/?和2p?/?），其面积比通常为1:2（对应于2p?/?层的2个电子和2p?/?层的4个电子）。Sr光谱中的双峰重叠，而Cu、Fe、Mn和Ni的高分辨率光谱则显示出主峰旁边的强烈卫星特征，通常与摇摆、能量损失、等离子体或其他未识别的峰相关。这些不对称峰形状，其在较高结合能处的尾部和摇摆特征，源于一个去激发过程，其中出射的内壳电子与价电子相互作用，使其激发到更高能量水平。由于隐藏的卫星和较大的背景，这些光谱的拟合过程更为复杂，但这些特征通常出现在II和III价物种中。

Sn 3d、Zn 2p和Ca 2p的光谱表现出对称峰，没有卫星特征。然而，通过查看它们的Auger参数，可以帮助识别可能的隐藏信号。样品的宽扫描光谱（图S1–S18）也显示出与每个吸附阳离子的电子构型相关的几个强峰。从PSPMA样品的宽扫描原子百分比（表1）来看，吸附阳离子与SO??基团的原子比例始终约为1:2或更高（除了Sn）。这表明每个吸附的离子很可能同时与至少两个SO??基团相互作用，支持了之前关于链间交联或在溶液中减少链运动的假设。

考虑到PSPMA和PAA刷在不同条件下的膨胀和塌缩行为（与水合能差异有关），我们进一步探讨了电解质中引入的反阴离子对刷子行为的影响。尽管阴离子刷通常以阳离子的影响为主要研究对象，但假设反阴离子可能比通常认为的更具影响力。因此，使用原位椭偏仪评估了不同反阴离子对PSPMA和PAA刷构型的影响（图7），使用了一系列钠盐，其反阴离子涵盖了霍夫迈斯特序列（ClO??, NO??, Cl?, F?）。观察到，随着电解质浓度的增加，两种刷子逐渐塌缩，反映了逐步增强的静电屏蔽和相关的盐析效应。对于PSPMA刷，其膨胀在去离子水中略高于盐溶液，即使在低离子强度（10 mM）下也是如此。这种行为符合预期，因为PSPMA具有永久电离的磺酸基团，其反离子已存在于刷子中并部分分布在周围扩散层。此外，PSPMA刷在存在单价阳离子如Na?时表现出更大的膨胀，这与Kou等人的研究一致。这种膨胀增加可以归因于Na?（单价）无法静电地交联聚合物链段，因此链段的约束较少，更容易扩展。因此，钠离子对刷子膨胀的影响被认为仅源于电荷屏蔽。然而，与Na?相关的阴离子对PSPMA刷的行为也产生了可测量的影响。含有ClO??（疏水性阴离子）的溶液比含有亲水性阴离子如Cl?和F?的溶液导致更大的膨胀，顺序为ClO?? > NO?? > Cl? ～ F?。这可能与水合差异有关：弱水合阴离子如ClO??增加了刷子接触水的可用性，间接增强了其膨胀。

然而，在PAA刷中，低盐溶液下的膨胀比高于去离子水，这种行为被归因于羧酸基团与阳离子的质子交换，从而增加刷子的电离度和内部渗透压。这种效应在NaClO?系列中尤为明显，而在NaCl中则最弱，观察到在低离子强度下膨胀显著增加，随后在较高浓度下逐渐塌缩。因此，阴离子的身份对PAA的膨胀产生了影响，总体趋势为ClO?? > F? > NO?? > Cl?，尽管F?、NO??和Cl?之间的差异不明显，这可能与它们相似的水合特性有关。

最后，XPS确认了PAA和PSPMA刷能够显著吸收和保留所有研究的九种阳离子物种，这增强了它们在离子吸收、选择性结合和表面后功能化应用中的相关性。这些结果不仅深化了我们对PEBs离子响应机制的理解，也为设计具有特定功能的智能材料提供了理论依据和实验支持。