两性离子聚合物由于其强大的表面水合作用表现出优异的防污性能。然而，盐分子可能会严重降低典型两性离子聚合物的表面水合作用，使得这些聚合物在实际生物和海洋环境中的应用具有挑战性。最近，一种基于蛋白质稳定剂三甲胺 N-氧化物 (TMAO) 的新型两性离子聚合物刷被开发为一种出色的防污材料。
团队使用表面敏感和频生成 (SFG) 振动光谱，研究了 TMAO 聚合物刷 (pTMAO) 的表面水合作用以及盐和蛋白质对这种表面水合作用的影响。发现暴露于高浓度盐溶液（例如海水）只会适度降低表面水合作用。与其他两性离子聚合物相比，这种优异的耐盐性是由于带正电荷和带负电荷的基团之间的距离更短，因此 pTMAO 中的偶极子更小，并且 TMAO 两性离子周围有很强的水合作用。由于来自 N 和水合水的强烈排斥，这导致 pTMAO 中的 O– 与水之间的强键相互作用，以及 O– 与金属阳离子之间的较弱相互作用。进行了量子和原子尺度的计算机模拟以支持 SFG 分析。除了盐效应外，还发现暴露于海水中的蛋白质对 pTMAO 表面水合作用影响最小，表明完全排除了蛋白质附着。pTMAO 优异的防污性能源于其极强的表面水合作用，可有效抵抗盐类和蛋白质引起的破坏。
图 1. 左图：用于研究 pTMAO/水界面或 pTMAO/溶液界面的 SFG 样品几何结构。右（左上）：从界面收集的代表性 SFG 光谱。右上：pTMAO 的分子式。TMAO的重复单元用n表示。右下：显示 pTMAO 与水或溶液之间界面的示意图。
相关论文以题为Strong Surface Hydration and Salt Resistant Mechanism of a New Nonfouling Zwitterionic Polymer Based on Protein Stabilizer TMAO发表在《J. Am. Chem. Soc.》上。通讯作者是霍华德大学Wei Tao、康奈尔大学江绍毅教授、和密歇根大学陈战教授。
参考文献：
doi.org/10.1021/jacs.1c08280
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