薄而强对比厚而软：两性离子和非离子抗生物污损自组装单分子层上界面水屏障的对比

《The Journal of Physical Chemistry B》：Thin but Strong Versus Thick but Soft: Contrasting Interfacial Water Barriers on Zwitterionic and Nonionic Antibiofouling Self-Assembled Monolayers

　　

抗生物污损的非离子和两性离子自组装单分子层（SAMs）尽管具有不同的化学结构，却能同样抵抗蛋白质和细胞粘附。本研究通过整合表面力测量（原子力显微镜，AFM）和表面增强红外吸收（SEIRA）光谱，阐明了它们的抗生物污损机制。研究发现，在两性离子磺基甜菜碱（sb）封端的SAMs附近，一层非常薄（<1 nm）的水屏障引起强大的短程排斥，而在非离子羟基封端的三（乙二醇）（EG3-OH）SAMs上，一层更厚（>4 nm）的水层导致长程排斥。SEIRA光谱识别了界面水中不同的氢键状态：与SB基团的强烈相互作用，以及与EG3-OH基团的较弱键合。这些SEIRA洞察澄清了受界面水影响的表面力的性质。该研究讨论了水合作用、SAM-水界面相互作用以及界面水分子角色的变化如何促成了这两种SAM类型的抗生物污损有效性。

**抗生物污损自组装单分子层的界面水屏障机制解读**

**研究背景**
在生物医学研究（如生物传感、细胞图案化）中，抵抗生物分子附着的表面需求迫切。抗生物污损自组装单分子层（SAMs）通过抑制非特异性吸附，成为常用策略。非离子SAMs（如聚乙二醇PEG、低聚乙二醇OEG及糖类封端的烷基硫醇）和两性离子SAMs（如甜菜碱、磷酸胆碱PC封端的烷基硫醇）是两类典型代表。尽管化学结构不同，但两者均能有效抵抗蛋白质和细胞粘附。以往提出的机制包括静电排斥、柔性分子链的熵排斥及水诱导力，但静电排斥无法解释对不同电荷蛋白质的普遍排斥，且SAMs分子链柔性有限。近期表面力分析和计算机模拟支持水屏障模型，认为SAM附近形成的界面水层是拒污关键。然而，非离子和两性离子的水合机制根本不同：非离子通过氢键与水分子作用，两性离子则依赖静电吸引形成强水合层。理论计算显示单分子乙二醇（EG）和水合自由能（-182 kJ/mol）远低于磺基甜菜碱（SB，-512 kJ/mol），表明两性离子脱水代价更高。为何两者均表现出相似的抗生物污损性能？这一差异的机制尚未被实验揭示。为此，研究人员开展本研究，整合表面力测量与光谱技术，旨在阐明两类SAMs的界面水结构与抗污机制。论文发表在《The Journal of Physical Chemistry B》。

**关键技术与方法**
研究人员采用两种主要技术方法：（1）原子力显微镜（AFM）表面力测量：在磷酸盐缓冲液（PBS）中测量相同SAMs（EG3-OH和SB封端的烷基硫醇，分别记为EG3-OH和SB SAMs）之间的相互作用力，并利用双指数模型拟合力-分离曲线，以区分短程和长程水合排斥分量。制备了胶体探针和基底，探针速度设为40 nm/s。（2）表面增强红外吸收（SEIRA）光谱：将SAMs沉积在20 nm厚金膜上，在干燥和湿润（90%相对湿度水蒸气）条件下采集红外吸收光谱，通过差减获取界面水分子的OH伸缩振动谱，分析氢键状态。同时，以甲基封端疏水SAM（C8）作为对照。

**研究结果**

**表面力测量**
在PBS中测量相同SAMs之间的力-分离（F–S）曲线。C8 SAMs从约2 nm距离处开始出现吸引力，归因于疏水和范德华相互作用。相反，抗生物污损的EG3-OH和SB SAMs均表现出排斥力，从8–12 nm距离起检测到，其衰减长度远大于PBS的德拜长度（0.7 nm），且SAMs净电荷为零，故静电双层力贡献极小。此前研究证实，添加醇破坏氢键网络会显著降低排斥力，表明该排斥力由界面水诱导，且与蛋白质/细胞抗性密切相关。

**短程与长程水合力的解卷积**
为解析两类SAMs水合力的差异，采用双指数函数拟合F–S曲线：F(d)=Aexp(-d/λ_S)+Bexp(-d/λ_L)，其中λ_S和λ_L分别为短程和长程排斥的衰减长度。拟合结果显示：SB SAMs的短程排斥更强（A=595 pN，λ_S=0.34 nm），而EG3-OH SAMs的长程排斥延伸更远（λ_L=2.53 nm，对应半宽约12 nm）。短程排斥对应直接结合的第一壳层水分子（SB约1.2个水分子直径，EG3-OH约1.9个），长程排斥则反映通过数个水合壳层传播的氢键网络协同扰动（SB约5.9个壳层，EG3-OH约9.0个）。SB的强短程排斥源于其更大的水合自由能，而EG3-OH的长程排斥归因于其促进水分子簇集、扩展氢键网络的能力。

**界面水的SEIRAS分析**
SEIRA光谱分析了距离金表面约5 nm范围内的界面水。C8 SAMs在3200–3000 cm^-1区域信号增强，表明水分子通过与表面形成强水-水氢键来补偿疏水界面的缺失。EG3-OH和SB SAMs的谱图不同：SB SAMs的OH伸缩振动能量更低，反映SB基团与水分子间更强的相互作用；EG3-OH SAMs的振动能量较高，表明其与水的氢键较弱。值得注意的是，C8的峰位更低，但这是水-水氢键增强的结果，而非水-表面强结合。SB的中间峰位反映了强但局域化的水-表面键合与削弱的水-水协同性之间的竞争。结合AFM和SEIRA数据可推断：SEIRA峰位报告平均氢键强度，而AFM排斥力则指示水层是否牢固锚定于表面。

**水合状态与表面力的关联**
综合结果提出抗生物污损机制：SB SAMs上强化的水合状态（低OH伸缩能量）产生强短程排斥，延伸至单分子层表面约1 nm；EG3-OH SAMs上较弱的SAM-水相互作用导致较弱短程排斥，但通过促进水簇集形成更厚的水屏障，延伸约6 nm。两者通过互补机制产生定性相似的水诱导排斥，即短程与长程水合力作为互补水层共同构建足够厚的屏障，抵抗生物污损。

**讨论与结论**
讨论部分指出，不同水合状态（如SFG和理论计算所报道）反映在SB和OEG SAMs界面排斥力中。两类SAMs均通过水诱导排斥抵抗污损，但机制互补：SB SAMs依赖强短程水合力，EG3-OH SAMs依赖较弱但更长远的水结构扩展。这解释了化学结构根本不同的非离子与两性离子SAMs为何具有相当的抗生物污损性能。研究自然延伸包括在纯水和更高离子强度溶液中重复力测量以剖析离子效应，以及在PBS中进行SEIRA以直接定量比较。

**研究结论翻译**
本研究中，通过使用AFM和SEIRA光谱的表面力测量，研究了疏水性和抗生物污损（非离子和两性离子）SAMs的水合状态。对于SB SAMs，SB基团与水分子之间的强相互作用（如SEIRA中低OH伸缩振动能量所揭示）导致衰减长度为0.34 nm的强短程排斥。EG3-OH SAMs与水分子相互作用较弱（较高OH伸缩能量），但氢键状态的调制范围更长，导致衰减长度为2.53 nm的更远距离水诱导排斥。本研究的主要发现是，几种振动光谱技术和理论计算所报告的不同水合状态，体现在SB和OEG SAMs界面的排斥力中。两种类型的抗生物污损SAMs均通过水诱导排斥抵抗生物污损，但通过互补机制：SB SAMs依赖强的短程水合力，而EG3-OH SAMs依赖由扩展水结构引起的较弱但更长程的力。这些互补的水合机制解释了为何非离子和两性离子SAMs尽管化学结构根本不同，却表现出相当的抗生物污损性能。本工作的自然延伸是通过在纯水和更高离子强度溶液中重复F–S测量，以及在PBS中进行SEIRA以实现与AFM数据的直接定量比较，从而剖析缓冲液离子和离子强度对SB水合力的作用。此类系统性测量应有助于区分内在头基水合与离子特异性贡献，并为生物惰性表面的设计原则提供进一步见解。