近年來(lái)，納米科學(xué)的蓬勃發(fā)展極大地加速了各種納米材料在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化。探討納米材料與生物環(huán)境組分的潛在相互作用以揭示其蘊(yùn)藏的機(jī)遇與存在的限制，已成為納米生物材料發(fā)展和其生物學(xué)效應(yīng)控制的關(guān)鍵問題。氧化石墨烯（Graphene Oxide）是石墨烯的氧化衍生物，在片層結(jié)構(gòu)的中心含有羥基和環(huán)氧基，而在片層結(jié)構(gòu)邊緣含有羧基。這些含氧官能團(tuán)不僅孵育氧化石墨烯極佳的水溶液分散性，而且提供了大量的功能化位點(diǎn)。這些特性使氧化石墨烯成為一種在諸多領(lǐng)域都極具前途的生物材料。因此，深入了解氧化石墨烯如何與生物組份相互作用對(duì)于其在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展具有極為重要的作用。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的姜秀娥課題組2015年發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上的工作中應(yīng)用表面增強(qiáng)紅外光譜（surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, SEIRAS）技術(shù)，將表面增強(qiáng)紅外光譜嚴(yán)格的表面選擇性與溶劑水分子極強(qiáng)的中紅外區(qū)吸收相結(jié)合，通過監(jiān)測(cè)氧化石墨烯誘導(dǎo)的界面水變化和磷脂膜差譜變化，深入揭示了氧化石墨烯與磷脂膜間的相互作用本質(zhì)，鑒定了二者間存在的四種弱相互作用力。

質(zhì)子轉(zhuǎn)移雖然是最基本的化學(xué)反應(yīng)之一，但在化學(xué)和生物學(xué)中起著核心作用。它是許多生物現(xiàn)象的關(guān)鍵過程，如酶催化、信號(hào)傳導(dǎo)和膜蛋白質(zhì)子泵。因此，意料之外的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程或是對(duì)生物分子之間重要質(zhì)子轉(zhuǎn)移通路的干擾可能是致命的。氧化石墨烯因含氧官能團(tuán)的解離而具有天然的酸性，同時(shí)也是一種優(yōu)良的質(zhì)子傳導(dǎo)材料。那么氧化石墨烯是否和生物分子間存在質(zhì)子轉(zhuǎn)移呢？

近日，姜秀娥課題組在前期研究的基礎(chǔ)上采用羧基末端自組裝單層膜模擬生物分子，與氧化石墨烯組成潛在的布朗斯特酸-堿對(duì)，應(yīng)用表面增強(qiáng)紅外光譜技術(shù)探究了二者間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移。通過對(duì)氧化石墨烯誘導(dǎo)的自組裝單層界面水和特征碳基振動(dòng)峰的深入分析，他們發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯能夠吸附到自組裝單層表面并質(zhì)子化單層膜。令人意外的是，這種質(zhì)子化單層膜的能力并不會(huì)隨體系緩沖能力的提升而消失，與小分子有機(jī)酸（如甲酸）的行為是完全不一樣的。氧化石墨烯是單原子厚度的二維片層狀結(jié)構(gòu)，含氧官能團(tuán)中可電離的酸性基團(tuán)位于相鄰或共軛碳原子上，具有不同的微環(huán)境而影響彼此的電離。對(duì)于水溶液中的氧化石墨烯片而言，部分解離的質(zhì)子擴(kuò)散到本體溶液中使氧化石墨烯水溶液呈酸性，還有部分解離的質(zhì)子結(jié)合在氧化石墨烯/水界面上。而這些含氧官能團(tuán)又孵育了氧化石墨烯極佳的質(zhì)子傳導(dǎo)性。由于氧化石墨烯超薄的二維結(jié)構(gòu)，氧化石墨烯/水界面上解離的質(zhì)子與氧化石墨烯表面結(jié)合的水分子和緊密相鄰的含氧官能團(tuán)形成弱氫鍵，進(jìn)而通過不斷重構(gòu)這些氫鍵而在氧化石墨烯的片層平面上傳導(dǎo)。因此，作者提出氧化石墨烯的天然酸性和高質(zhì)子傳導(dǎo)率，使氧化石墨烯在溶液中表現(xiàn)為二維可交換質(zhì)子池，在相互作用界面上存在合適的布朗斯特堿時(shí)可以解離并轉(zhuǎn)移質(zhì)子。對(duì)于氧化石墨烯和羧基末端自組裝單層膜體系，除了降低溶液本體的pH值，氧化石墨烯可以在氧化石墨烯/水/自組裝單層膜的界面上轉(zhuǎn)移質(zhì)子。作者還系統(tǒng)考察了界面質(zhì)子密度和質(zhì)子傳導(dǎo)率對(duì)氧化石墨烯界面質(zhì)子轉(zhuǎn)移的影響。這一工作不僅大大加深了對(duì)納米生物界面的認(rèn)識(shí)，也暗示界面質(zhì)子轉(zhuǎn)移可能是被忽視的氧化石墨烯生物毒性的來(lái)源。

這一成果近期發(fā)表在Analytical Chemistry?上，文章的第一作者是中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的助理研究員武烈。

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