化工儀器網
技術文章
混合電荷納米顆粒的調控pH穩(wěn)定性機理研究
閱讀：18 發(fā)布時間：2026-3-3
帶電有機配體功能化納米顆粒的研究這些年來都是材料科學領域的一項研究熱點。其中，利用單一配體修飾的納米顆粒，其性質和相關應用已有廣泛的研究和報道。而通過混合電荷自組裝單層（mixed-SAMs）修飾的納米顆粒性質相關的研究至少在13年前還是處于一個比較空白的階段。
2013年，由美國伊利諾伊州西北大學化學系的Bartlomiej Kowalczyk 和Bartosz A. Grzybowski團隊在Journal of the American Chemical Society（美國化學學會雜志）發(fā)表了一篇題為‘Controlled pH Stability and Adjustable Cellular Uptake of Mixed-Charge Nanoparticles’的文章，研究了一種表面同時修飾正、負電荷配體的混合電荷金納米顆粒（Mixed-Charge Nanoparticles，MC NPs），并系統(tǒng)探討了其在pH穩(wěn)定性和細胞攝取行為方面的調控機制。
具體的方法是：采用配體交換法，在金納米顆粒（AuNPs，尺寸4.2–11.5 nm）表面同時修飾上帶負電的11-巰基十一烷酸（MUA）和帶正電的N,N,N-三甲基(11-巰基十一烷基)銨離子（TMA）。再利用紫外-可見光分光光度計、高分辨透射電鏡、高靈敏度Zeta電位儀、核磁共振氫譜等手段來進行顆粒表征。
圖1. DDA功能化的金納米顆粒與MUA和TMA硫醇混合物進行配體置換反應的示意圖
這類混合電荷納米顆粒結合了三個獨特的性質：
1
它們既可以在低pH值又可以在高pH值條件下形成穩(wěn)定的膠體，并且僅在對應于表面電荷中和的pH值附近沉淀（如圖2所示）；
2
通過調整混合自組裝單層組成和/或納米顆粒尺寸的值可以在幾個pH單位范圍內靈活變化。這樣，混合電荷納米顆粒就可以適應生理pH和緩沖溶液；
3
改變納米顆粒上的凈電荷會改變它們滲透入哺乳動物細胞的傾向性。特別是，納米顆粒上帶正電硫醇的存在使得具有凈負電荷的顆粒也能被攝取，而這通常難以實現(xiàn)，尤其是對于直徑幾納米的納米顆粒。
圖2. 裝有8.0 nm混合電荷納米顆粒（覆蓋有αsurf = 2.5的混合自組裝單層）的小瓶在不同pH下的圖像。除了在pHprec = 6.6附近外，顆粒在溶液中均保持穩(wěn)定。圖像下方的示意圖闡釋了混合自組裝單層上的電荷狀態(tài)（藍色=帶負電/去質子化的MUA，灰色=中性/質子化的MUA，紅色=帶正電的TMA）。pHprec是納米顆粒上電荷達到平衡時的pH值（即去質子化MUA的電荷QdeprotMUA + TMA的電荷QTMA = 0）。
關于第一點：在低pH值下，MUA配體質子化，由于TMA基團的存在，納米顆粒帶凈正電荷，此類帶同種電荷的顆粒通過靜電排斥在溶液中穩(wěn)定。相反，在高pH值下，MUA去質子化，這些配體的負電荷在數量上大于TMA配體的正電荷，從而得到帶凈負電荷的納米顆粒，同樣通過同種電荷排斥在溶液中穩(wěn)定。在這兩個pH范圍之間，當納米顆粒的表面電荷被中和，Zeta電位等于零時，納米顆粒隨之沉淀。這就引出了下一個特征：納米顆粒沉淀的pH值（pHprec）取決于混合自組裝單層的組成（αsurf，MUA:TMA的比例）以及納米顆粒的尺寸。
圖3.納米顆粒尺寸為8.00nm時，不同的MUA比例對pHprec值的影響（左），αsurf=1.6時，不同的納米顆粒尺寸對pHprec值的影響（右）
1
混合自組裝單層組成對pHprec的影響：對于給定的納米顆粒尺寸，隨著MUA比例的增加，pHprec減小。對于較小的納米顆粒，變化幅度約為1個pH單位，對于較大的顆粒則接近2個pH單位（如圖4）。這是因為越大的納米顆粒上存在更多的-COOH基團，因此小比例的需要去質子化的這些基團便可實現(xiàn)表面結合配體的電中性。
2
納米顆粒尺寸對pHprec的影響：對于給定比例的混合自組裝單層組成，隨著納米顆粒直徑的增加，pHprec在增大。在所研究的納米顆粒尺寸范圍內，這種增加的幅度約為2個pH單位。同樣，這一趨勢可以基于羧基的鄰近性來解釋：對于給定的值，隨著納米顆粒尺寸增加，MUA配體的-COOH基團之間的平均距離減小。因此，去質子化的配體經歷更強的靜電排斥。自組裝單層通過將酸堿平衡移向質子化狀態(tài)來"調節(jié)"配體電荷，以應對這種能量上不利的情況。因此，在給定的溶液pH下，帶電MUA配體的比例會隨著納米顆粒變大而減小。對于我們的混合電荷納米顆粒，這意味著需要更高的pH才能使足夠的MUA去質子化，以補償TMA配體的正電荷并導致納米顆粒沉淀。正如預期的那樣，當納米顆粒變大且在混合自組裝單層厚度尺度上越來越"平坦"時，pHprec的增大趨于平穩(wěn)（如圖4）。
圖4.不同納米顆粒尺寸以及不同混合自組裝單層組成比例條件下，pHprec的變化趨勢圖
最后，這類混合電荷納米顆?？梢詰糜谀男┓矫婺?？研究者提出了一個關于在細胞攝取方面的應用思路：通過調節(jié)納米顆粒表面的凈電荷量來調控其在哺乳動物細胞內的攝取程度。更有趣的是，該研究還發(fā)現(xiàn)，即使納米顆粒帶凈負電荷，只要表面含有正電荷配體（TMA），仍可被細胞攝取。這打破了傳統(tǒng)認知中“負電納米顆粒難以進入細胞"的限制。這為智能藥物遞送系統(tǒng)和pH敏感型的功能性納米材料研發(fā)提供了一個新的思路！