采用小角中子散射（small-angle neutron scattering, SANS）结合多模型形因子分析方法，对脲基阳离子双子表面活性剂的胶束化行为进行了研究。研究人员分析了一系列同系物表面活性剂，其分子结构特征为在疏水尾链中嵌入脲基，并通过含2至10个亚甲基单元的聚亚甲基间隔基连接。研究采用了三种形因子模型进行数据分析：核壳椭球模型以及两种均质椭球模型变体。所有模型的结果均显示出一致的胶束结构趋势，证实间隔基长度对胶束几何形态、聚集数和水合程度具有关键影响。含四个CH2基团的间隔基形成的胶束最大且聚集数最高，而更长的间隔基则导致逐渐更小、更紧凑的聚集体。壳层水合程度——以亲水区域中重水的体积分数量化——随间隔基长度增加而系统性降低，这是由于头基-间隔基区域疏水性增强所致。通过重标平均球近似（rescaled mean spherical approximation, RMSA）方法将胶束间相互作用建模为屏蔽库仑相互作用，研究揭示了含四个亚甲基单元的间隔基具有最强的静电排斥作用，这与其最高的胶束电荷和最大的粒子间距离相对应。观察到的间隔基依赖性趋势在所有建模方法中均表现出稳健性，表明间隔基长度是此类脲基双子体系自组装的关键结构决定因素。这些发现为设计具有定制聚集行为的脲基双子表面活性剂提供了重要见解，可应用于药物递送、纳米结构模板和增溶技术等领域。
双子表面活性剂（gemini surfactants），又称二聚表面活性剂，是一类区别于传统单头基单链表面活性剂的两亲分子，其特征在于通过间隔基共价连接两个疏水尾链和两个亲水头基。这种双头双尾结构赋予其显著的物理化学优势，包括增强的表面活性、改善的增溶能力以及更高效的胶束形成能力，其临界胶束浓度（critical micelle concentration, CMC）可比相应单体表面活性剂低一至两个数量级。尽管已有大量研究关注双子表面活性剂的自组装行为，但关于间隔基如何影响胶束外壳结构、头基及间隔基区域水合程度的研究仍相对匮乏。现有研究多侧重于确定胶束的整体形态和尺寸，而对胶束外层壳结构的精细解析较少涉及。此外，对于在烷基尾链中嵌入亲水脲基的新型双子表面活性剂，其自组装特性及间隔基依赖性的系统研究尚不充分。因此，开展针对此类脲基双子表面活性剂胶束内部结构的高分辨率研究，以获得对其自组装行为更为明确和定量的描述，具有重要的科学意义和应用价值。研究人员选择了一类在疏水烷基尾链中靠近二甲基铵头基位置嵌入脲基的新型双子表面活性剂，利用高分辨率SANS仪器并结合多模型拟合策略，系统探究了聚亚甲基间隔基长度对胶束核壳组织结构、壳层水合状态及胶束间相互作用的影响规律。
研究人员开展的研究工作主要包括以下方面：首先合成了一系列脲基功能化阳离子双子表面活性剂同系物，其分子结构仅在连接季铵中心聚亚甲基间隔基（s）长度上存在差异，命名为U2–U10（s = 2, 4, 6, 8, 10）。实验在瑞士保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute）的SANS-II衍射仪上进行，采用平均波长λ = 5.5 Å、波长分散度Δλ/λ = 0.1的单色中子束，使用1.5 m和6 m两种样品-探测器距离，在25°C下对溶于重水中的1 wt%表面活性剂溶液进行测量。数据分析采用三种形因子模型：核壳椭球模型假设胶束由疏水核和亲水壳层组成，核仅含烷基链，壳层包含极性头基、间隔基、脲基、亚乙基及渗透的水分子；均质椭球模型1假设头基-间隔基区域高度水合而对SANS不可见，散射仅反映烷基链核的尺寸；均质椭球模型2则将整个表面活性剂分子（包括头基-间隔基区域和烷基尾链）视为均匀椭球。三种模型均结合RMSA结构因子描述胶束间屏蔽库仑排斥作用，并引入经验幂律背景项处理低q区的非溶解大聚集体散射贡献。核壳模型中，疏水核半短轴固定为C
11烷基链完全伸展长度（b = 15.4 Å），核散射长度密度（scattering length density, SLD）固定为−0.37×10
−6 Å
−2，溶剂SLD固定为重水值6.38×10
−6 Å
−2；壳层SLD通过体积加权平均计算，并导出壳层重水体积分数φ
w,shell以量化胶束水合程度。聚集数N
agg通过核体积除以单个表面活性剂疏水尾链区域分子体积获得。结构因子分析中，有效胶束半径R
eff和胶束电荷Z作为自由参数，胶束数密度从已知的表面活性剂体积分数和拟合R
eff重新计算。
**SANS散射曲线与模型拟合**
研究人员得到了U2–U10五种表面活性剂在D
2O中的SANS散射曲线，并成功采用三种形因子模型进行拟合。所有三种模型均获得几乎一致的拟合效果，理论散射曲线与实验数据在全q范围内吻合良好。低q背景项的幂律指数η呈现间隔基依赖性：U2、U4和U6的η在2–3范围内，对应质量分形聚集体特征；U8和U10的η在3–4范围内，可归因于粗糙三维结构的表面分形散射。结构因子S(q)在q ≈ 0.04 Å
−1处出现第一极大值，证实所有样品均存在显著的胶束间静电排斥作用。
**核壳模型的结构参数**
核壳模型拟合结果显示（表1），U4形成最大的胶束且聚集数最高，而U2的胶束尺寸和聚集数最小。从U4到U10，随间隔基长度增加，胶束尺寸单调减小。壳层厚度从U2的0.70 nm逐渐减薄至U10的0.57 nm，表明头基-间隔基区域随间隔基增长而逐渐致密化。尽管U2聚集数最小，其壳层最厚，这源于增强的水合作用——U2壳层重水体积分数最高（51.3%），该值随间隔基长度增加而系统性降低至U10的5.4%。这一趋势解释为间隔基中亚甲基数目的增加增强了界面区域整体疏水性，物理上阻碍了重水向壳层的渗透。U4的有效胶束半径最大（2.63 nm），对应最大的粒子间距离和最强的静电排斥，其胶束电荷最高（59.7 e）；而U2的相互作用最弱，第一极大值更宽且位于更大q值处（≈0.05 Å
−1），表明较弱排斥和较小粒子间距。
**均质椭球模型的验证与比较**
均质椭球模型2（全分子模型）的结果与核壳模型高度一致：U4仍形成最大胶束，聚集数和胶束电荷与核壳模型几乎重叠（图4a、4b）。均质椭球模型1（仅尾链模型）同样再现了相同的结构趋势，但聚集数约为前两种模型的近两倍，这是因为该模型将胶束体积仅除以烷基尾链分子体积所致；尽管如此，间隔基依赖性趋势仍保持一致。三种模型中胶束电荷Z基本完全相同，因其主要关联于结构因子而非形因子选择。这种跨模型的一致性表明，间隔基依赖行为具有模型独立性和结构稳健性。
**间隔基对胶束结构的影响机制**
从U4到U10，胶束尺寸和聚集数的单调递减源于更长间隔基使两个带电基团间距增大，导致头基堆积密度降低。这一单调递减趋势与早期SANS研究中经典阳离子双子表面活性剂的观察完全一致。计算得到的临界堆积参数（critical packing parameter, CPP）为0.22–0.29，均落在CPP < 1/3范围内，对应球形至中等伸长胶束，与核壳椭球模型相符。值得注意的是，尽管脲基本身为亲水性且可形成氢键，但脲基双子表面活性剂并未表现出异常高的壳层水合，其壳层水合程度始终低于50%，仅与文献中偏苯二酚间隔基的 Gemini 表面活性剂相当。
研究人员在讨论部分深入分析了不同模型的适用性与局限性。均质椭球模型因简便性而广泛应用于胶束描述，但无法区分壳层水合状态；核壳椭球模型虽能提供更为详细的结构信息，允许分别表征核尺寸、壳层厚度、水合程度及电荷分布，但需要额外拟合参数且常需固定部分参数以获得稳定拟合。研究人员指出，复杂模型虽能带来更好的实验数据拟合，但参数关联性和散射数据有限的信息量降低了所得参数的可靠性。核壳椭球模型是表征Gemini表面活性剂胶束的理性折中方案，尤其适用于探究间隔基等结构参数变化时壳层结构的差异。
研究人员进一步将脲基双子表面活性剂的水合行为与文献数据进行了对比分析。对于传统10-s-10双子表面活性剂，短间隔基（s = 2–6）时每个表面活性剂壳层水分子数从24增至40，而较长间隔基（s = 8–12）时则从45降至27。相比之下，脲基双子表面活性剂的水分子数随间隔基增长单调递减（19.6降至1.5），显示出不同的水合机制。Prévost等人研究的烷基二甲基氯化铵双子表面活性剂中，亲水性环氧乙烷间隔基壳层水分数为0.8，乙烯基间隔基为0.9，而疏水性芳香族亚苯基间隔基则降至0.5–0.7。脲基双子表面活性剂的壳层水合程度与疏水性更强的间隔基体系更为接近。
在应用前景方面，研究人员探讨了结构变异对药物递送和抗菌性能的影响。较短间隔基（四个亚甲基单元）形成的较大胶束具有更高聚集数，提供更大内部体积用于封装疏水药物分子，可改善增溶效果并实现更快或更可控的释放；同时其高水平的静电排斥提供了改善的胶体稳定性，这对需要长期悬浮稳定的药物递送系统至关重要。较长间隔基的脲基双子分子因更强的分子间疏水相互作用而排斥较弱，更易聚集，可能对药物释放动力学或生物分布产生负面影响。在抗菌性能方面，更高胶束电荷增强与带负电微生物膜的相互作用，而较长间隔基增加的疏水性可强化膜插入和破坏作用，平衡静电与疏水贡献可实现可调抗菌活性和可控毒性设计。
研究结论部分指出，三种形因子模型的结果紧密一致，为间隔基长度调控的胶束结构变化提供了相互印证的描述。所有模型均证实含四个CH
2基团的间隔基形成最大胶束，而最短间隔基（两个亚甲基）形成最小胶束。包含整个表面活性剂分子的均质椭球模型所得聚集数与详细核壳建模结果高度吻合，表明简单均质椭球模型足以捕捉主要结构参数和表面电荷。对于所有模型，聚集数和胶束尺寸在间隔基超过四个亚甲基单元后均单调递减，这与早期经典阳离子双子表面活性剂SANS研究的结果一致。这种紧密一致性证实不同模型的关键结构结果并非特定形因子表达的产物。与文献中其他双子胶壳水合数据的比较表明，脲基单元并不吸引大量水分子，壳层水合水平保持在50%以下。尽管这些胶束的详细内部结构仍复杂且难以精确解析，但不同建模方法的趋同证明核心结构特征已被可靠捕获。比较分析表明，观察到的胶束形态间隔基依赖性变化独立于建模中采用的具体几何简化。研究结果凸显了胶束聚集体结构表征和分子设计优化在拓展脲基双子表面活性剂于药物递送、抗菌系统、纳米材料模板及更广泛增溶技术应用价值方面的重要性，为未来定向合成和功能开发提供了清晰框架。
