文章创新点

       本文使用单分子力谱（SMFS）研究了海藻酸钠（SA）在不同液体环境中的单链行为。在非极性有机溶剂壬烷中，SA表现出其本征弹性，与量子力学（QM）计算得到的理论单链弹性一致。在水环境中，SA的实验曲线在低力区均显示出一个长平台。进一步研究表明疏水效应是导致平台出现的关键。本研究从单分子水平揭示了SA的显著疏水性，这可能是其在水中凝胶化的关键驱动力，为阐释其凝胶化机制提供了新的视角和见解。

文章背景

        海藻酸钠（SA）是一种由（1→4）连接的β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G，M的C-5差向异构体）组成的线性共聚物。因每个糖环都含有两个羟基和一个羧酸根基团，SA通常被认为是高度亲水的。然而，SA溶于水后静置一段时间会形成凝胶。SA在水中的凝胶化通常归因于不同分子链上的羟基和羧酸根基团间的氢键作用。然而，另有研究表明，由于羟基和羧酸根基团具有强亲水性，它们更倾向于与水分子形成氢键，而不是与其他SA分子链上的基团形成氢键。这一发现暗示分子间氢键可能并非SA在水中凝胶化的唯一驱动力。因此，有必要重新审视SA的凝胶化机制。

文章概述

       崔树勋教授课题组采用基于原子力显微镜（AFM）的单分子力谱（SMFS）技术研究了SA在水溶液和非水溶液中的单链行为。首先，在非极性有机溶剂壬烷中获得了SA的力-拉伸（F-E）曲线（图1a）。归一化后，F-E曲线可以很好地重合（图1b），表明得到了SA在壬烷中的单链弹性。

图1 （a）在壬烷中获得的SA的典型F-E曲线；（b）a中所示F-E曲线的归一化结果。虚线为零线。

为了确定在壬烷中获得的SA的单链弹性是其本征弹性（即其主链在侧链和外界环境影响可忽略不计时的单链弹性，可作为研究水对SA单链性质影响的基准），通过量子力学（QM）计算从理论上对实验曲线进行了验证。将QM计算得到的理论弹性参数整合到自由连接链（FJC）模型中，得到了QM-FJC模型。当库恩长度l_k=0.393 nm时，QM-FJC模型生成的SA理论弹性曲线与实验曲线十分吻合（图2），表明在壬烷中获得的SA的单链弹性代表了其本征弹性。

图2   QM-FJC拟合曲线（l_k=0.393 nm，红色虚线）与在壬烷中获得的SA的实验曲线（蓝色实线）的对比。

 为了研究SA在水环境中的单分子行为，在去离子水中进行了SA的SMFS实验。在水中获得的F-E曲线在低力区均显示出一个高度约为96 pN的长平台（图3）。进一步实验及理论分析表明，SA分子由于疏水效应在水中采取球状构象。当用外力迫使疏水溶质球状构象改变时，将消耗额外的能量。由于SA每个重复单元所需克服的疏水力相同，因此，当这些单元逐一从球状结构中被拉出时，表现为F−E曲线上一段连续的长平台。

图3 在去离子水中获得的SA的归一化F-E曲线。虚线为零线。

      由于叔丁基的强供电子效应，叔丁醇（TBA）分子中的O-H键极性很大，能够有效地与水分子形成氢键，从而破坏水分子间的原有氢键网络。这种作用对于破坏水的表面张力，进而减弱甚至消除疏水效应非常关键。因此，在TBA/水混合溶剂中进行了SA的SMFS实验。在TBA/水混合溶剂中获得的SA的F-E曲线不再表现出明显的长平台（图4），进一步证实了SA分子在水中的力平台来源于其疏水效应。

图4 在TBA/水混合溶剂（红色）和去离子水（蓝色）中获得的SA的归一化F-E曲线的对比。

       虽然SA富含亲水基，但所有亲水基都直接与糖环相连，这使得它们的自由度受到极大限制。此外，非极性C-H键的存在使得SA的每个糖环具有两亲性。M单元的四个非极性氢原子位于同一侧，而含氧部分位于另一侧，使其一面疏水，另一面亲水；对于G单元而言，尽管缺乏像M单元那样明显的疏水边界，但前人研究表明相邻的G单元倾向于折叠和聚集（图5）。这些特性促使SA单链在水环境中坍塌成球状构象，在微观水平上表现出疏水性。据此可以推断，当SA以较高浓度存在时，疏水效应会促使SA分子聚集，在聚集体内部的羟基和羧酸根基团难以与外部水分子形成氢键。在这种情况下，SA分子间更有可能通过羟基和羧酸根基团形成氢键网络，从而促使SA的凝胶化。因此，疏水效应可能是SA在水中形成凝胶的关键驱动力。

图5 SA分子链在水中的疏水作用示意图（以GGM为例）。相邻的G单元倾向于折叠和聚集；M单元在一面显示出疏水性，在另一面显示出亲水性。        

        此外，除了长平台的差异，在去离子水中获得的SA的F-E曲线略陡于在壬烷中获得的曲线（F>700 pN，图6）。这一现象表明与其本征弹性相比，SA分子链在水中略显刚性。进一步研究发现，在1 mol/L NaCl溶液中，SA在高力区表现出与其本征弹性（非电离状态）相同的单链弹性（图6），表明羧酸根基团之间的静电排斥是导致SA分子链在水中刚性增加的主要原因。

图6 在去离子水（红色）、壬烷（蓝色）和NaCl溶液（1 mol/L，黑色）中获得的SA的归一化F-E曲线的对比。

文章结论

        综上，SMFS对比研究发现，疏水效应是SA单链在水中的实验曲线出现长平台的关键因素；同时，羧酸根基团间的静电排斥使得SA分子链展现出较其本征弹性更强的刚性。本研究首次在单分子水平上证实了SA的疏水性。SA由于富含亲水基团，通常被认为是高度亲水的。然而，亲水基团的连接方式以及空间取向使得SA单链在微观尺度上表现出疏水性。这种疏水性对SA至关重要，它赋予了这种重要的天然大分子在水中自发形成凝胶的能力。

      该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science上。谷宸曦硕士是该论文的第一作者，鲍雨副研究员和崔树勋教授为通信联系人。

原文信息：

Single-Molecule Study Reveals that Sodium Alginate is Hydrophobic

Gu, C. X.; Li, R. X.; Yuan, W. T.; Zhou, J. L.; Duan, Y. X.; Bao, Y.; Cui, S. X.

Chinese J. Polym. Sci.

DOI: 10.1007/s10118-025-3277-y