康奈尔化学家对合成聚合物的基本嵌段进行成像

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水。在分子水平上，这些聚合物的分子由单体结构单元的长链组成，其复杂性增加了许多此类材料的功能。

特别是，由同一链中不同类型的单体组成的共聚物可以微调材料的性能，艺术与科学学院（A&S）Peter J.W. Debye化学教授Peng Chen说。单体序列在材料的性能中起着至关重要的作用，但到目前为止，科学家们还缺乏对合成共聚物进行测序的方法。 

Chen及其同事开发了CREATS（超分辨率成像的耦合反应方法），这使他们能够以单体分辨率对聚合催化反应进行成像，并通过荧光信号将单体彼此区分开来。两者都是发现合成聚合物分子组成的重要步骤。

他们在11月9日发表在《自然化学》杂志上的“单一合成聚合物的光学测序”中描述了这项技术以及他们用它取得的第一批发现。

共同主要作者是Rong Ye，Xiangcheng Sun和Xianwen Mao，他们都是Chen课题组的前博士后研究人员。共同作者是前Chen小组博士后研究员Susil Baral和Chunming Liu，现任博士后研究员Felix Alfonso，以及Tisch大学化学和化学生物学（A&S）教授Geoffrey Coates。

“合成聚合物由单体单元组成，像一串珠子一样连接在一起，”Chen说。在最简单的聚合物中，单体是相同的，但当聚合物包含不同种类的单体（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（如刚度或柔韧性）起着重要作用。

Chen说，序列在天然聚合物的性能中也起着重要作用。例如，蛋白质由 20 个氨基酸单体组成，这些单体以非常特定的顺序排列。

“在天然聚合物中，大自然可以控制，”陈说。“在合成聚合物中，人类正在进行安排，而化学家通常没有这种精确的控制。

Chen说，对共聚物进行测序非常困难，很大程度上是因为合成聚合物的异质性。单个链的长度、组成和序列各不相同，这需要能够解析和鉴定单个单体的单聚合物测序方法。

Chen说，一些现代方法允许科学家控制链中单体的排列，但仅限于非常短的聚合物 – 10到20个单体长。

使用CREATS，研究人员可以通过对添加到聚合物中的每一个单体进行成像和识别来确定聚合物的顺序，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偶联。

“每个进入的单体都会发出一阵光，”陈说。“光是由激光感应的，而光的气息是有颜色的。在我们的例子中，它要么是绿色，要么是黄色。通过观察它是黄色还是绿色，我们可以看到单体进入了什么。

该实验室已经具备了测量合成聚合物性能的设备。现在他们可以确定单个聚合物的顺序，下一步是将两个实验结合起来，将结构和功能联系起来，最终为聚合物设计提供指导原则，以实现某些特性。

“如果你知道序列是如何控制属性的，你就可以真正考虑设计任何你想要实现特定属性的序列，”Chen说。“这些知识大概可以帮助人们为所需的应用定制他们的材料。

该研究由美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室下属的陆军研究办公室的聚合物化学项目资助。

凯特·布莱克伍德（Kate Blackwood）是艺术与科学学院的作家。