الهياكل على المستوى الجزيئي بين الوجهين من البوليمرات والجزيئات الحيوية التي تم الكشف عنها عن طريق التحليل الطيفي الاهتزازي لجيل التردد الكلي
Summary
يجري استخدامها بشكل شامل، مجموع توليد تردد (SFG) التحليل الطيفي الاهتزازي يمكن أن تساعد على الكشف عن سلسلة الترتيب المطابقة والتغيير الهيكلي الثانوي يحدث في البوليمر وواجهات جزيء الحيوي.
Abstract
كمطياف بصري غير خطي من الدرجة الثانية، تم استخدام التحليل الطيفي الاهتزازي لتوليد التردد (SFG) على نطاق واسع في التحقيق في مختلف الأسطح والواجهات. هذه التقنية البصرية غير الغازية يمكن أن توفر المعلومات المحلية على المستوى الجزيئي مع حساسية أحادية الطبقة أو دون طبقة أحادية. نحن هنا نقدم منهجية تجريبية حول كيفية الكشف بشكل انتقائي عن واجهة مدفونة لكل من الجزيئات الكبيرة والجزيئات الحيوية. مع أخذ هذا في الاعتبار، تتم مناقشة الهياكل الثانوية بين الوجهين من الليفية الحريرية وهياكل المياه حول نموذج قصير السلسلة oligonucleotide دوبلكس. الأول يظهر تداخل سلسلة سلسلة أو تأثير الحبس المكاني والثانية يظهر وظيفة الحماية ضد أيونات Ca2 + الناتجة عن البنية الفوقية للعمود الفقري الزقزقة من الماء.
Introduction
تطوير مجموع توليد تردد (SFG) مطيافية الاهتزاز يمكن أن يعود تاريخها إلى العمل الذي قام به شين وآخرون قبل ثلاثين عاما1،2. إن تفرد الانتقائية البينية وحساسية الطبقة دون أحادية اللون يجعل التحليل الطيفي الاهتزازي SFG يحظى بتقدير عدد كبير من الباحثين في مجالات الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا وعلوم المواد، الخ3و4 ،5. حاليا، يتم التحقيق في مجموعة واسعة من القضايا العلمية المتعلقة الأسطح والواجهات باستخدام SFG، وخاصة بالنسبة للواجهات المعقدة فيما يتعلق البوليمرات والجزيئات الحيوية، مثل هياكل السلسلة والاسترخاء الهيكلي في دفن واجهات البوليمر، والهياكل الثانوية البروتين، وهياكلالمياه بين الوجهين 9،10،11،12،13،14، 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24،25،26.
لأسطح البوليمر والواجهات، يتم إعداد عينات رقيقة من الافلام عموما عن طريق الطلاء تدور للحصول على الأسطح أو الواجهات المطلوبة. المشكلة تنشأ بسبب تداخل الإشارة من الواجهات اثنين من الأفلام كما أعدت، مما يؤدي إلى إزعاج لتحليل الأطياف SFG جمع27،28،29. في معظم الحالات، إشارة الاهتزاز فقط من واجهة واحدة، إما فيلم / الركيزة أو فيلم / وسيلة أخرى، هو مرغوب فيه. في الواقع، فإن حل هذه المشكلة من السهل جدا، وهي، لتحقيق أقصى قدر تجريبيا من حقول الضوء في واجهة مرغوب فيه وتقليل حقول الضوء في واجهة أخرى. وبالتالي، فإن معاملات فريسنل أو معاملات الحقل المحلي تحتاج إلى أن تحسب من خلال نموذجالافلام الرقيقة وللتحقق من صحتها فيما يتعلق بالنتائج التجريبية 3،9،10،11، 12،13،14،15،30.
ومع أخذ الخلفية المذكورة أعلاه في الاعتبار، يمكن التحقيق في بعض الواجهات البوليمرية والبيولوجية من أجل فهم العلوم الأساسية من المستوى الجزيئي. في ما يلي، مع أخذ ثلاث قضايا بين الوجهين على سبيل المثال: التحقيق بولي (2-هيدروكسي إيثيلميثاكريلات) (PHEMA) السطح وواجهة مدفونة مع الركيزة 9، وتشكيل الهياكل الثانوية الليفية الحرير (SF) على سطح البوليسترين (PS) و هياكل المياه المحيطة نموذج قصيرة السلسلة oligonucleotide دوبلكس16،21، وسوف نعرض كيف أن مطياف SFG الاهتزازي يساعد على الكشف عن هياكل المستوى الجزيئي بين الوجه فيما يتعلق بالعلوم الأساسية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وللتحقيق في المعلومات الهيكلية من المستوى الجزيئي، تتمتع الحكومة الاتحادية الانتقالية بمزاياها المتأصلة (أي حساسية الطبقة الأحادية أو دون أحادية الطبقة والانتقائية بين الوجهين)، والتي يمكن تطبيقها لدراسة مختلف الواجهات، مثل الواجهات الصلبة/الصلبة والصلبة/ السائل، الصلبة / الغاز، السا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذه الدراسة من قبل برنامج الدولة للتنمية الرئيسية للبحوث الأساسية في الصين (2017YFA0700500) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (21574020). صناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية، وهو مشروع ممول من تطوير البرنامج الأكاديمي ذي الأولوية لمؤسسات جيانغسو للتعليم العالي (PAPD) والمركز الوطني للعروض الإيضاحية للهندسة الطبية الحيوية التجريبية كما حظي التعليم (جامعة جنوب شرق) بتقدير كبير.
Materials
| 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) | Avanti Polar Lipids, Inc. | 850355P-1g | |
| Anhydrous ethanol | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 100092680 | ≥99.7% |
| CaF2 prism | Chengdu YaSi Optoelectronics Co., Ltd. | ||
| Calcium chloride anhydrous | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10005817 | ≥96.0% |
| deuterated DPPC (d-DPPC) | Avanti Polar Lipids, Inc. | 860345P-100mg | |
| Electromagnetic oven | Zhejiang Supor Co., Ltd | C21-SDHCB37 | |
| Langmuir-Blodgett (LB) trough | KSV NIMA Co., Ltd. | KN 2003 | |
| Lithium bromide anhydrous | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 20056926 | |
| Milli-Q synthesis system | Millipore | Ultrapure water | |
| Plasma cleaner | Chengdu Mingheng Science&Technology Co., Ltd | PDC-MG | Oxygen plasma cleaning |
| Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) | Sigma-Aldrich Co., LLC. | 192066 MSDS | Mw = 300 000 |
| Polystyrene | Sigma-Aldrich Co., LLC. | 330345 MSDS | Mw = 48 kDa and Mn = 47 kDa |
| Silk cocoons | From Bombyx mori | ||
| Single complementary strand of oligonucleotide | Nanjing Genscript Biotechnology Co., Ltd. | H03596 | 5'-CGAAGGCTTCCAGCT-3' |
| Single strand of oligonucleotide | Nanjing Genscript Biotechnology Co., Ltd. | H04936 | 3¢-end modified by cholesterol-triethylene glycol(Chol-TEG) (5¢-GCTTCCGAAGGTCGA-3¢) |
| Sodium carbonate anhydrous | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10019260 | ≥99.8% |
| Spin-coater | Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences | KW-4A | For the prepartion of ploymer films |
| Step profiler | Veeco | DEKTAK 150 | For the measurement of film thickness |
| Sum frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy system | EKSPLA | A commercial picosecond SFG system |
References
- Shen, Y. R. Optical Second Harmonic Generation at Interfaces. Annual Review of Physical Chemistry. 40, 327-350 (1989).
- Shen, Y. R. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature. 337, 519-525 (1989).
- Lu, X., et al. Studying Polymer Surfaces and Interfaces with Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. Analytical Chemistry. 89 (1), 466-489 (2017).
- Chen, X., Clarke, M. L., Wang, J., Chen, Z. Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Studies on Molecular Conformation and Orientation of Biological Molecules at Interfaces. International Journal of Modern Physics B. 19 (4), 691-713 (2005).
- Eisenthal, K. B. Liquid Interfaces Probed by Second-Harmonic and Sum-Frequency Spectroscopy. Chemical Reviews. 96 (4), 1343-1360 (1996).
- Richmond, G. L. Molcular Bonding and Interactions at Aqueous Surfaces as Probed by Vibrational Sum Frequency Spectroscopy. Chemical Reviews. 102 (8), 2693-2724 (2002).
- Wang, H., Gan, W., Lu, R., Rao, Y., Wu, B. Quantitative spectral and orientational analysis in surface sum frequency generation vibrational spectroscopy(SFG-VS). International Reviews in Physical Chemistry. 24 (2), 191-256 (2007).
- Shultz, M. J., Schnitzer, C., Simonelli, D., Baldelli, S. Sum frequency generation spectroscopy of the aqueous interface: Ionic and soluble molecular solutions. International Reviews in Physical Chemistry. 19 (1), 123-153 (2010).
- Li, X., et al. Detecting Surface Hydration of Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) in Solution in situ. Macromolecules. 49, 3116-3125 (2016).
- Li, X., Lu, X. Evolution of Irreversibly Absorbed Layer Promotes Dewetting of Polystyrene Film on Sapphire. Macromolecules. 51, 6653-6660 (2018).
- Lu, X., Spanninga, S. A., Kristalyn, C. B., Chen, Z. Surface Orientation of Phenyl Groups in Poly(sodium 4-styrenesulfonate) and in Poly(sodium 4-styrenesulfonate): Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Mixture Examined by Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. Langmuir. 26 (17), 14231-14235 (2010).
- Lu, X., Clarke, M. L., Li, D., Wang, X., Chen, Z. A Sum Frequency Generation Vibrational Study of the Interference Effect in Poly(n-butyl methacrylate) Thin Films Sandwiched between Silica and Water. Journal of Physical Chemistry C. 115, 13759-13767 (2011).
- Lu, X., et al. Directly Probing Molecular Ordering at the Buried Polymer/Metal Interface 2: Using P-Polarized Input Beams. Macromolecules. 45, 6087-6094 (2012).
- Lu, X., Myers, J. N., Chen, Z. Molecular Ordering of Phenyl Groups at the Buried Polystyrene/Metal Interface. Langmuir. 30, 9418-9422 (2014).
- Li, B., Lu, X., Ma, Y., Han, X., Chen, Z. Method to Probe Glass Transition Temperatures of Polymer Thin Films. ACS Macro Letters. 4, 548-551 (2015).
- Li, X., Deng, G., Ma, L., Lu, X. Interchain Overlap Affects Formation of Silk Fibroin Secondary Structure on Hydrophobic Polystyrene Surface Detected via Achiral/Chiral Sum Frequency Generation. Langmuir. 34, 9453-9459 (2018).
- Kai, S., Li, X., Li, B., Han, X., Lu, X. Calcium-dependent hydrolysis of supported planar lipids was triggered by honey bee venom phospholipase A2 with the right orientation at the interface. Physical Chemistry Chemical Physics. 20, 63-67 (2018).
- Wang, J., Buck, S., Chen, Z. Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Studies on Protein Adsorption. Journal of Physical Chemistry B. 106, 11666-11672 (2002).
- Wang, J., et al. Detection of Amide I Signals of Interfacial Proteins in Situ Using SFG. Journal of American Chemical Society. 125, 9914-9915 (2003).
- Nguyen, K. T., et al. Probing the Spontaneous Membrane Insertion of a Tall-Anchored Membrane Protein by Sum Frequency Generation Spectroscopy. Journal of American Chemistry Society. 132, 15112-15115 (2010).
- Li, X., Ma, L., Lu, X. Calcium Ions Affect Water Molecular Structures Surrounding an Oligonucleotide Duplex as Revealed by Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. Langmuir. , (2018).
- Sartenaer, Y., et al. Sum-frequency generation spectroscopy of DNA monolayers. Biosensors & Bioelectronics. 22, 2179-2183 (2007).
- Asanuma, H., Noguchi, H., Uosaki, K., Yu, H. Metal Cation-induced Deformation of DNA Self-Assembled Monolayers on Silicon: Vibrational Sum Frequency Generation Spectroscopy. Journal of American Chemistry Society. 130, 8016-8022 (2008).
- Howell, C., Schmidt, R., Kurz, V., Koelsch, P. Sum-frequency-generation spectroscopy of DNA films in air and aqueous environments. Biointerphases. 3 (3), FC47 (2008).
- Walter, S. R., Geiger, F. M. DNA on Stage: Showcasing Oligonucleotides at Surfaces and Interfaces with Second Harmonic and Vibrational Sum Frequency Generation. Journal of Physical Chemistry Letters. 1, 9-15 (2010).
- Li, Z., Weeraman, C., Azam, M. S., Osman, E., Gibbs-Davis, J. The thermal reorganization of DNA immobilized at the silica/buffer interface: a vibrational sum frequency generation investigation. Physical Chemistry Chemical Physics. 17, 12452-12457 (2015).
- Lambert, A. G., Neivandt, D. J., Briggs, A. M., Usadi, E. W., Davies, P. B. Interference Effects in Sum Frequency Spectra from Monolayers on Composite Dielectric/Metal Substrates. Journal of Physical Chemistry B. 106, 5461-5469 (2002).
- Tong, Y., et al. Interference effects in the sum frequency generation spectra of thin organic films. I. Theoretical modeling and simulation. Journal of Chemical Physics. 133, 034704 (2010).
- McGall, S. J., Davies, P. B., Neivandt, D. J. Interference Effects in Sum Frequency Vibrational Spectra of Thin Polymer Films: An Experimental and Modeling Investigation. Journal of Physical Chemistry B. 108, 16030-16039 (2004).
- Li, B., et al. Interfacial Fresnel Coefficients and Molecular Structures of Model Cell Membranes: From a Lipid Monolayer to a Lipid Bilayer. Journal of Physical Chemistry C. 118, 28631-28639 (2014).
- Zhou, J., Anim-Danso, E., Zhang, Y., Zhou, Y., Dhinojwala, A. Interfacial Water at Polyurethane-Sapphire Interface. Langmuir. 31 (45), 12401-12407 (2015).
- Gautam, K. S., et al. Molecular Structure of Polystyrene at Air/Polymer and Solid/Polymer Interfaces. Physical Review Letters. 85 (18), 3854-3857 (2000).
- Yan, E. Y., Fu, L., Wang, Z., Liu, W. Biological Macromolecules at Interfaces Probed by Chiral Vibrational Sum Frequency Generation Spectroscopy. Chemical Reviews. 114, 8471-8498 (2014).
- Belkin, M. A., Kulakov, T. A., Ernst, K. H., Yan, L., Shen, Y. R. Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy on Chiral Liquids: A Novel Technique to Probe Molecular Chirality. Physical Review Letters. 85, 4474 (2000).
- Rockwood, D. N., et al. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nature Protocols. 6, 1612-1631 (2011).
