Structures moléculaires interfaciales de polymères et de biomacromolécules révélées par spectroscopie vibratoire de génération de fréquence de somme
Summary
Étant largement utilisé, la spectroscopie vibratoire de la génération de fréquences de somme (SFG) peut aider à révéler l’ordre conformationnel de chaîne et le changement structurel secondaire se produisant aux interfaces de polymère et de biomacromolecule.
Abstract
En tant que spectroscopie optique non linéaire de deuxième ordre, la spectroscopie vibratoire de la génération de fréquences de somme (SFG) a été largement utilisée pour étudier diverses surfaces et interfaces. Cette technique optique non invasive peut fournir aux informations moléculaires locales une sensibilité monocouche ou submonocouche. Nous fournissons ici une méthodologie expérimentale sur la façon de détecter sélectivement l’interface enfouie pour les macromolécules et les biomacromolécules. Dans cet esprit, les structures secondaires interfaciales de la fibroine de soie et des structures d’eau autour du duplex d’oligonucléotide à chaîne courte modèle sont discutées. Le premier montre un chevauchement en chaîne ou un effet de confinement spatial et le second montre une fonction de protection contre les ions Ca2 ‘résultant de la superstructure de la colonne vertébrale chirale de l’eau.
Introduction
Le développement de la spectroscopie vibratoire de la génération de fréquences de somme (SFG) peut être daté du travail effectué par Shen et al., il y a trente ans,1,2. L’unicité de la sélectivité interfaciale et de la sensibilité sous-monocouche rend la spectroscopie vibratoire SFG appréciée par un grand nombre de chercheurs dans les domaines de la physique, de la chimie, de la biologie et de la science des matériaux, etc. ,5. Actuellement, un large éventail de questions scientifiques liées aux surfaces et aux interfaces sont à l’étude à l’aide de SFG, en particulier pour des interfaces complexes en ce qui concerne les polymères et les biomacromolécules, telles que les structures de la chaîne et la relaxation structurelle à la interfaces en foumère enfouies, les structures secondaires de protéines, et les structures d’eau interfaciales9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.
Pour les surfaces et les interfaces en polymère, les échantillons de couches minces sont généralement préparés par revêtement de spin pour obtenir les surfaces ou les interfaces désirées. Le problème se pose en raison de l’interférence du signal des deux interfaces des films préparés, ce qui conduit à des inconvénients pour l’analyse des spectres SFG collectés27,28,29. Dans la plupart des cas, le signal vibratoire à partir d’une seule interface, soit film/substrat ou film/l’autre support, est souhaitable. En fait, la solution à ce problème est assez facile, à savoir, de maximiser expérimentalement les champs de lumière à l’interface souhaitable et de minimiser les champs de lumière à l’autre interface. Par conséquent, les coefficients Fresnel ou les coefficients de terrain locaux doivent être calculés via le modèle de film mince et être validés par rapport aux résultats expérimentaux3,9,10,11, 12,13,14,15,30.
Avec le fond ci-dessus à l’esprit, quelques interfaces polymères et biologiques pourraient être étudiées afin de comprendre la science fondamentale du niveau moléculaire. Dans ce qui suit, en prenant trois questions interfaciales comme exemples: sonder poly(2-hydroxyhyl methacrylate) (PHEMA) surface et l’interface enterrée avec le substrat9, la formation de la fibrone de soie (SF) structures secondaires sur la surface de polystyrène (PS) et structures d’eau entourant le modèle à chaîne courte oligonucléotide duplex16,21, nous allons montrer comment la spectroscopie vibratoire SFG aide à révéler les structures interfaciales au niveau moléculaire en relation avec la science sous-jacente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pour étudier l’information structurelle à partir d’un niveau moléculaire, SFG a ses avantages inhérents (c.-à-d. la sensibilité monocouche ou sous-monocouche et la sélectivité interfaciale), qui peuvent être appliqués pour étudier diverses interfaces, telles que le solide/solide, solide/ liquides, solides/gaz, liquides/gaz, liquides/liquides. Bien que l’entretien de l’équipement et l’alignement optique soient encore longs, le gain est important en ce que les informations détaillées au niveau moléculaire su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été soutenue par le Programme de développement clé d’État pour la recherche fondamentale de la Chine (2017YFA0700500) et la National Natural Science Foundation of China (21574020). Les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales, un projet financé par le Programme universitaire prioritaire de développement des établissements d’enseignement supérieur du Jiangsu (PAPD) et le Centre national de démonstration pour le génie biomédical expérimental L’éducation (Université du Sud-Est) a également été grandement appréciée.
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 |
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