分子尺度疏水性研究：表面电荷与图案化如何调控水合作用与吸附热力学

《ACS Nano》：Molecular Scale Hydrophobicity and Adsorption Thermodynamics on Hydrophobic-Charged Surfaces

本综述通过分子动力学模拟和增强采样技术，系统探究了带电/亲水基团（羟基、铵基、胍基）在疏水性自组装单分子层（SAM）上的类型、几何排列与间距，如何影响界面水分子结构、去湿热力学以及疏水性溶质（金纳米颗粒与疏水蛋白）的吸附行为。研究揭示了带电基团作为“亲水锚点”阻碍界面空穴生长的机制，并指出去湿过程在理想疏水溶质吸附中起主导作用，但对于实际蛋白质（如疏水蛋白），直接相互作用更为关键。这项工作为理解天然与工程表面的水介导相互作用提供了分子层面的机制基础。

　　

研究首先构建了一系列模型自组装单分子层（SAM），其末端功能基团包括非极性的甲基（作为疏水参考）以及极性的羟基和带正电的铵基（NH₄⁺）、胍基。这些亲水基团被以短（S0，~0.5 nm）、中（S1）、大（S2， S3）间距嵌入疏水的甲基SAM背景中。研究系统地表征了这些图案化表面附近的界面水分子行为。

行为分析：极性/带电-疏水表面附近水合水分子的行为

通过分析SAM-水氢键数量、水的径向分布函数（RDF）、取向分布以及局部水-水氢键密度，研究者评估了界面水结构。结果表明，亲水基团间距显著影响氢键形成：在最近间距（S0）下，带电基团的第一水合壳层重叠，导致水分子之间对氢键的竞争，氢键数量最少；随着间距增大（S1-S3），水合壳层不再重叠，氢键数量趋于稳定。在各类基团中，羟基形成的氢键最少；铵基表现出最强的水合作用，其RDF第一峰高度约为羟基和胍基的三倍，且水分子在其第一水合壳内取向高度有序；胍基由于其平面几何结构，最多形成三个氢键。

测量：使用间接伞形采样（INDUS）量化极性/带电-疏水表面的去湿自由能

为了直接量化表面疏水性（即形成空腔所需的自由能），研究采用了间接伞形采样（INDUS）方法。对于所有不带电表面（全甲基、全羟基、羟基S0/S1），在低偏置势（βφ）下，水密度波动呈现线性响应，其斜率与第一水层的压缩性相关，疏水表面斜率更陡（压缩性更高）。在βφ ~1–2时，所有不带电表面都经历快速的集体去湿转变。

相比之下，带电表面（铵基/胍基的S0/S1构型）对线性偏置势的响应截然不同。在低βφ下，其线性响应斜率与甲基表面几乎相同，表明压缩性不能准确衡量其疏水性。在中等βφ下，去湿过程转变更慢，因为带电基团充当“亲水锚点”，阻碍了成核空穴的生长。在高偏置势（βφ = 7）下，带电基团附近仍有少量水分子残留，表明完全移除这些强结合水分子需要极高的能量惩罚。

计算得到的去湿自由能显示，全甲基表面最低，全羟基表面显著更高。含带电基团的表面（S0和S1构型）显示出与全羟基表面相当的去湿自由能，尽管探测体积大部分覆盖甲基区域。值得注意的是，带电基团的S1构型比S0构型表现出更高的去湿自由能，表明S1构型亲水性更强。铵基和胍基在相同间距下的去湿自由能没有显著差异。

测量：使用疏水性探针溶质测量极性/带电-疏水表面的疏水性

为了探究INDUS结果与先前实验力测量之间的差异，并理解疏水性溶质吸附的热力学，研究测量了两种模型疏水溶质在各类SAM表面的结合自由能。

金纳米颗粒（GNP）与极性/带电-疏水表面的结合

七硫醇功能化的金纳米颗粒（GNP）的结合自由能显示，其在全甲基SAM上结合最有利，在全羟基SAM上则不利。对于混合表面，S1构型比S0构型亲水性更强（结合更不利）。带电基团的S1构型甚至显示出比全羟基SAM更不利的GNP结合。在S2和S3构型下，结合变得更为有利。有趣的是，铵基S0 SAM比胍基S0 SAM表现出更有利的结合，这与之前的一些AFM研究结果一致。

结合时表面的去湿区域分析表明，带电基团比极性羟基更能抵抗去湿，几乎保留了所有氢键结合水。GNP结合自由能与去湿面积之间存在强负相关（皮尔逊系数r = -0.952），表明去湿过程在GNP吸附中起核心作用。

疏水蛋白与极性/带电-疏水表面的结合

研究进一步分析了疏水蛋白（Hydrophobin）的吸附行为。与GNP不同，疏水蛋白在所有表面类型上均表现出有利的结合，包括带电S1表面，这突显了结合过程的复杂性。虽然结合亲和力仍依赖于亲水基团间距，但趋势有所变化。例如，对于铵基-甲基表面，最亲水的S1构型并未表现出像GNP结合那样的结合亲和力降低。

去湿区域分析表明，不同SAM表面之间疏水蛋白造成的去湿区域差异不大，不像GNP结合中观察到的那样显著变化。结合自由能与去湿面积之间的相关性也远低于GNP结合，表明去湿过程在疏水蛋白结合中作用较弱，而溶质与表面之间的直接有利相互作用（如蛋白质骨架或极性侧链与表面基团的相互作用）可能扮演更重要角色。

结论

该研究从三个层面系统表征了带电-疏水表面的分子尺度疏水性：界面水结构分析、INDUS去湿热力学量化以及空间伞形采样评估疏水溶质结合。主要发现包括：

1. 1.
   亲水基团的间距和类型深刻影响界面水结构。紧密间距限制氢键形成，而铵基因其高电荷密度表现出最强的水合作用。
2. 2.
   带电基团通过阻碍界面空穴生长来抵抗去湿，充当“亲水锚点”，其S1构型比S0构型能更有效地稳定界面水。
3. 3.
   尽管铵基和胍基在界面水稳定性方面表现出相似的亲水性，但在疏水溶质结合亲和力上存在差异。去湿过程与理想化疏水溶质（如GNP）的结合亲和力强相关，但对于更真实的疏水蛋白，直接相互作用的影响更大，去湿作用减弱。

这项工作揭示了表面化学和图案化如何通过调控界面水行为来主导疏水作用，为理解和设计涉及水介导相互作用的天然与工程表面提供了重要的分子机制基础。