合成聚合物在我们的社会中无处不在——从尼龙和聚酯服装到特氟龙炊具和环氧树脂胶。在分子水平上，这些聚合物的分子由长链单体结构单元组成，其复杂性增加了许多此类材料的功能性。

  基于此，康奈尔大学陈鹏教授团队报告了在活性聚合条件下单个合成共聚物链的实时光学测序。他们利用CREATS（超分辨率成像耦合反应方法）以单一单体分辨率对单一催化剂的聚合物生长进行多色成像来实现这一目标。CREATS使反应有效地产生荧光，从而能够在更高的反应物浓度下对化学反应进行单分子定位显微镜。数据表明，表面接枝聚合的链增长动力学包含具有定义的记忆时间（这可归因于相邻单体相互作用）和链长度依赖性（由于表面静电效应）的时间波动。此外，各个共聚物的微观序列揭示了它们形成嵌段共聚物的倾向，更重要的是，量化了各个嵌段的尺寸分布，以便与理论上的无规共聚物作比较。这种测序能力为合成聚合物的单链水平结构-功能相关性研究铺平了道路。相关研究成果以题为“Optical sequencing of single synthetic polymers”发表在最新一期《Nature Chemistry》上。

  合成聚合物是由像一串珠子一样连接在一起的单体单元制成的。在最简单的聚合物中，单体是相同的，但当聚合物包含不一样的种类的单体（称为共聚物）时，就会出现更复杂的特性。共聚物中单体的精确排列对其性能（例如刚度或柔韧性）起着及其重要的作用。序列在天然聚合物的特性中也发挥着及其重要的作用。对共聚物进行测序之所以如此困难，很大程度上是因为合成聚合物的异质性。各个链的长度、组成和序列不同，这需要能够解析和识别各个单体的单聚合物测序方法。

  使用 CREATS，研究人能通过对添加到聚合物中的每个单体进行成像和识别，确定聚合物制造时的序列，一次一个单体。为了使单体可见，CREATS 将聚合反应与另一个产生荧光信号的反应结合起来。每个进入的单体都会发出一股光，光是由激光引起的，并且这股光有颜色。在本文的例子中，它要么是绿色，要么是黄色。通过观察它是黄色还是绿色，研究人员就可以看到其中含有什么单体（图1）。

  图 1. CREATS 在高单体浓度下对 ROMP 进行单分子超分辨率成像

  通过CREATS，研究人员首先研究了单体A在N 2保护环境下在正己烷中的均聚，研究结果表明潜在的聚合动力学在该反应下包含单一限速步骤状况（图2a-d）。单一单体分辨率还允许单个聚合单体的纳米级定位。它们聚集在标记颗粒上的催化剂位置周围（图2e），进一步证明它们是通过单一催化剂在同一链上聚合的。大多数标记颗粒含有多种催化剂（图2h）。催化剂的数量及其位置能够最终靠催化剂标记荧光光漂白步骤和相应的成像定位来确定（图2f-g）。在这样的标记颗粒上，聚合单体的位置显示出离散的纳米级簇，每个簇都围绕着一个催化剂（图2i，j）。这种超分辨率的多催化剂案例证明了在单一单体分辨率下对单聚合物生长进行成像的能力。

  以单一单体分辨率对单催化剂聚合进行实时成像使研究人员能够立即确定单链聚合动力学。图3根据结果得出：依赖于聚合度的聚合动力学可能源于表面静电的影响，表面静电是一种都会存在的表面特性，可能广泛影响表面接枝聚合。自相关函数结果反映了聚合物生长中的时间记忆效应（即动力学中的动态无序），其中较早的较快的单体掺入往往随后是两次较快的掺入。此外，在[A]较低时，单体与催化剂的结合受到更大的速率限制，自相关幅度变得难以辨别，这表明这种记忆效应更多地源于单体插入，而不是催化循环中的单体结合。

  在对单体A或B的单一单体分辨率下的单催化剂聚合进行成像后，研究人员在共聚过程中对单一聚合物进行了测序。当A:B = 1:1的摩尔比和0.1μM的单体总浓度时，聚合的A和B单体在同一催化剂下聚集在一起（图4a），这与它们的共聚一致。在相应的单催化剂共聚荧光轨迹（图4b）中，插入单体的颜色立即报告了共聚物序列。研究人员对数十种共聚物进行了测序（图4c），它们的长度遵循近似对数正态分布，长达约103个亚基（图4d）。平均单体组成为1:1（图4e），正如根据A和B的可比较的ROMP反应性所预期的那样。序列共聚物的平均组成直接遵循单体的比例（图4e），并且单催化剂TOF也与总单体浓度成线f）。这些结果进一步支持了本文的测序保真度。单催化剂共聚荧光轨迹还解析了四种不同的微观单体反应时间：τ AA、τ AB、τ BB和τ BA—这取决于所掺入的单体和一直增长的链中前一个单体的身份（图4b）。正如预期的那样，所有这些都遵循单指数分布，但衰减常数明显不同（图4g）。相应的四个速率常数也相应不同（图4h），共聚过程中相同单体的链增长形成嵌段。

  本文开发了CREATS，用于在高反应物浓度下以单一单体分辨率实时成像单催化剂聚合。除了ROMP之外，CREATS还适用于任何链增长聚合，包括活性阴离子聚合、活性阳离子聚合、活性自由基聚合和活性链增长缩聚，其中单体的结构和尺寸也可以变化，它使研究人员能够量化表面接枝对聚合动力学的影响，并揭示单链生长的时间动态。本文的结论有可能通过帮助设计和优化表面接枝聚合条件（例如，通过阐明聚合物长度和反应动力学之间的复杂联系）和共聚反应条件（例如，通过利用从所得共聚物序列模式中获得的见解）。此外，CREATS揭示的单个共聚物链的微观序列不但可以绘制合成共聚物的序列模式，而且还可以在单链水平上进行未来的结构-功能相关性研究，例如与单链上的磁镊测量相结合力学或作为聚合物链分子动力学模拟的结构输入。

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