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在大分子电泳研究中，中性两性离子基团对电泳迁移率的贡献尚未明确。研究人员以聚两性离子（PSBMA 和 PMPC）为对象，开展单分子电泳研究。结果发现中性聚两性离子存在电荷对称破缺（CSB）现象，该发现为理解偶极聚合物提供新思路，具有重要理论与应用价值。
在微观的分子世界里，带电大分子在水溶液中的运动一直是科研人员关注的焦点。以往研究大多聚焦于均匀带电的聚电解质，而对于中性聚两性离子中中性基团在电场中的行为，以及它们对分子电泳迁移率的影响，却知之甚少。这就好比在一片未知的海域，虽然我们对一些大型岛屿（均匀带电聚电解质）有所了解，但对于众多隐藏在海面下的暗礁（中性聚两性离子的中性基团）却一无所知。然而，这些中性基团在生物和合成领域中极为重要，它们独特的性质，如反聚电解质效应和抗污染功能，使其在基础研究和实际应用中都有着不可忽视的地位。为了揭开这片未知领域的神秘面纱，来自美国马萨诸塞大学聚合物科学与工程系（Department of Polymer Science and Engineering, University of Massachusetts）的研究人员 Yeseul Lee 和 Murugappan Muthukumar 开展了相关研究，其成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要采用了单分子电泳技术，通过将聚两性离子分子单个地穿过纳米孔，来观察其在电场中的行为。实验中使用了氮化硅固态纳米孔（SSN），避免了聚两性离子与膜之间复杂的相互作用。同时，结合理论计算，深入探讨了中性聚两性离子的离子状态以及电荷对称破缺（CSB）现象背后的机制。
1. 电荷对称破缺的发现
研究人员以聚（甲基丙烯酰氧乙基磺基甜菜碱）（PSBMA）为研究对象，在实验 pH 为 7 时，PSBMA 从其 pH 滴定曲线可知呈中性。在正向配置实验中，向供体室添加 PSBMA 后，测量到的离子电流与无 PSBMA 时的开孔电流相同，没有出现 PSBMA 易位的迹象。然而，在负向配置实验中，PSBMA 分子开始逐个穿过纳米孔，表现得像聚阴离子一样。这意味着构成两性离子基团的正负电荷之间的对称性被打破，即发生了电荷对称破缺（CSB）。研究人员进一步研究发现，这种现象是由于聚合物主链周围局部介电常数的梯度导致反离子结合差异造成的。靠近主链的离子基团受到更多反离子结合，从而被更多地中和，使得远离主链的离子基团电荷占主导，进而引发了 CSB。
2. 电荷对称破缺的普遍性
为了验证 CSB 的普遍性，研究人员进行了两项实验。一是改变反离子的种类，用 3.6 M LiCl 替代 1 M KCl 进行 PSBMA 易位实验；二是研究偶极取向相反的聚（2 - 甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱）（PMPC）的单分子电泳行为。实验结果表明，无论是改变盐的种类还是聚两性离子的偶极取向，CSB 现象依然存在。在 PSBMA 实验中，即使盐变为 LiCl，PSBMA 仍像聚阴离子一样发生易位；而 PMPC 则表现得像聚阳离子，向负极移动。这充分证明了 CSB 在聚两性离子中是普遍存在的。
3. 理论与实验结合量化 CSB
研究人员建立了零阶平均场理论，该理论包含了四个关键要素。通过这个理论，研究人员计算了平均易位时间，并将理论预测与实验结果进行比较，从而确定了 CSB 的程度。在计算过程中，研究人员考虑了离子基团的有效电离度、易位动力学模型、自由能景观以及 Fokker - Planck 形式等因素。通过与实验数据的拟合，研究人员得到了靠近链主链的离子基团的电荷，以及局部介电常数的范围。理论计算结果与实验数据的良好吻合，进一步验证了理论的正确性和 CSB 现象的真实性。
研究结论表明，中性聚两性离子在电场中会表现出电荷对称破缺（CSB）现象，这种现象是由于局部介电常数的梯度导致反离子结合差异引起的。这一发现不仅为理解聚两性离子在电场中的行为提供了新的视角，也为研究生物大分子在拥挤环境中的运输性质提供了重要参考。在未来，研究人员可以进一步探讨聚两性离子通过化学修饰的纳米孔的易位情况，以及中性和极性基团在生物大分子序列中的作用。同时，对局部介电常数的更精确测量和理论计算也将有助于深入理解 CSB 现象的本质，为相关领域的发展提供更坚实的理论基础。
总的来说，这项研究为生命科学和材料科学领域开辟了新的研究方向，有望在生物传感器、药物输送、生物分子分离等方面取得新的突破，推动相关技术的发展和应用。
