碳纳米管（CNTs）广泛应用于各种类型的生物传感器、纳米级电子设备以及能量转换和存储装置中。单壁碳纳米管（SWCNT）由单层石墨烯包裹而成，形成了一个圆柱形结构[1]。碳纳米管在有机或水溶剂中的溶解度较低，这对其大部分应用构成了挑战[2]。碳纳米管内部中空，且表面特性可调。通过用聚合物或小分子对碳纳米管表面进行功能化处理，可以帮助它们更好地分散在溶剂中[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。在大多数情况下，碳纳米管是通过聚合物插入和包裹来功能化的[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。因此，通过改变碳纳米管的表面化学性质，可以调节其溶解度、分散性和生物相容性。碳纳米管的大多数应用都依赖于它们与小分子/聚合物之间的相互作用。在这方面，理解碳纳米管与聚电解质之间的相互作用至关重要。
聚电解质是一类含有多个带电官能团的单体单元的聚合物[13]、[14]。聚电解质在极性溶剂中离域其反离子的程度受分子结构参数的影响，如链长、电荷密度、电荷价态和分子拓扑结构[15]。典型的聚电解质例子包括许多合成聚合物和生物大分子，如DNA、RNA和多肽[16]。含有多聚谷氨酰胺片段的多肽常与多种神经退行性疾病相关，包括脊髓小脑性共济失调（SCA）、脊髓 Bulbar 肌萎缩症（SBMA）和亨廷顿病[17]。这些疾病在年轻时发病的可能性与多聚谷氨酰胺扩展的重复长度密切相关[18]。含有≥36个谷氨酰胺残基的多肽会聚集，而含有≤35个谷氨酰胺残基的多肽则不会[19]。这表明多肽的聚集行为依赖于其长度。多聚谷氨酸（GLU）是一种带电多肽，具有在水环境中包裹疏水性治疗剂并稳定疏水结构域的能力[20]。这些特性使得多聚谷氨酸成为研究其与碳纳米管（CNTs）界面相互作用的理想候选物。多聚谷氨酸还能形成广泛的氢键网络[21]，这一特性可能显著提高碳纳米管在水介质中的分散性和胶体稳定性。生物聚电解质是半柔性聚合物，其构象对分子拓扑结构非常敏感[15]、[22]。在水溶液中，这些分子可能呈现折叠结构，形成异质的结构集合[23]、[24]。
关于蛋白质/聚合物-碳纳米管相互作用的计算研究表明，静电作用、疏水作用和范德华作用是聚合物或蛋白质片段包裹在碳纳米管上的驱动力[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。对与短段SWCNT相互作用的单链直链淀粉寡聚体的分子动力学模拟显示，在平衡状态下，直链淀粉会围绕SWCNT形成螺旋结构[30]。实验结果表明，柔性聚合物可以在不采用特定构象的情况下包裹碳纳米管[31]。对单链寡聚体系统的多次分子动力学模拟表明，单体的化学组成和聚合物-SWCNT相互作用的强度共同决定了它们的取向[30]。然而，先前的研究[27]、[32]表明，纳米管直径对吸附聚合物的回转半径影响不大。
先前的计算和实验研究[33]、[34]表明，升高温度可以稳定多肽在SWCNT表面的吸附。这种稳定性归因于较高温度下肽骨架构象自由度的增加，从而促进了多肽在SWCNT上的稳定吸附[34]。实验[35]、[36]已经证明，酸处理或氧化SWCNT会形成表面缺陷，这些缺陷增加了SWCNT的可用表面积，从而增强了多肽链的吸附能力[37]。因此，升高温度并在SWCNT上引入缺陷可以提高多肽在SWCNT表面的整体吸附稳定性和吸附能力。
在本研究中，通过SWCNT-GLU系统的原子密度分布剖面、反离子分布、水分子分布、相应多聚谷氨酸链的均方根波动（RMSF）、接触次数以及不同系统中多聚谷氨酸与SWCNT之间的相互作用能量来评估多聚谷氨酸在不同SWCNT周围的构象和相互作用。研究了在不同条件下（有无碳纳米管的情况下）不同长度的GLU链的二级结构和氢键数量。吸附在SWCNT表面的GLU链的α-螺旋含量随着SWCNT直径的增加而减少。较长的GLU链（GLU-15和GLU-30）不易被吸附，而较短的GLU链（GLU-5和GLU-10）则更易被吸附。这表明多聚谷氨酸在SWCNT表面的吸附存在一个临界比例参数。反离子的密度与链的长度成正比。SWCNT-GLU系统的周围环境由反离子的分布决定。SWCNT-GLU系统中的水分子倾向于围绕GLU链排列。接触次数和GLU链与SWCNT之间的相互作用能量反映了它们之间的相互作用随模拟时间的变化。
