Strutture a livello molecolare interfacciale di polimeri e biomacromolecole rivelate tramite spettroscopia vibrazionale di generazione della frequenza di somma
Summary
Essendo ampiamente utilizzata, la spettroscopia vibrazionale della generazione di frequenza della somma (SFG) può aiutare a rivelare l’ordine conformazionale della catena e il cambiamento strutturale secondario che avviene nelle interfacce polimeriche e biomacromolecolari.
Abstract
Come spettroscopia ottica non lineare di secondo ordine, la spettroscopia vibrazionale di generazione della frequenza della somma (SFG) è stata ampiamente utilizzata nello studio di varie superfici e interfacce. Questa tecnica ottica non invasiva può fornire le informazioni locali a livello molecolare con sensibilità monostrato o submonostrato. Qui stiamo fornendo una metodologia sperimentale su come rilevare selettivamente l’interfaccia sepolta sia per le macromolecole che per le biomacromolecole. Con questo in mente, vengono discusse le strutture secondarie interfacciali della fibroina di seta e delle strutture idriche intorno al modello short-chain oligonucleotide duplex. Il primo mostra una sovrapposizione a catena o un effetto di confinamento spaziale e il secondo mostra una funzione di protezione contro gli ioni Ca 2 opiù risultanti dalla sovrastruttura del colonna vertebrale chirale dell’acqua.
Introduction
Lo sviluppo della spettroscopia vibrazionale di generazione della frequenza di somma (SFG) può essere datato al lavoro svolto da Shen et al. trent’anni fa1,2. L’unicità della selettività interfacciale e della sensibilità sub-monostrato rende la spettroscopia vibrazionale SFG apprezzata da un gran numero di ricercatori nei campi della fisica, della chimica, della biologia e della scienza dei materiali, ecc.3,4 ,5. Attualmente, un’ampia gamma di questioni scientifiche relative alle superfici e alle interfacce è in fase di studio utilizzando SFG, in particolare per interfacce complesse rispetto ai polimeri e alle biomacromolecole, come le strutture a catena e il rilassamento strutturale interfacce polimeriche sepolte, le strutture secondarie delle proteine e le strutture dell’acqua interfacciale9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.
Per le superfici e le interfacce polimeriche, i campioni di pellicola sottile sono generalmente preparati mediante rivestimento a spin per ottenere le superfici o le interfacce desiderate. Il problema sorge a causa dell’interferenza del segnale dalle due interfacce dei film così preparati, che porta a disagi per l’analisi degli spettri SFG raccolti27,28,29. Nella maggior parte dei casi, il segnale vibrazionale solo da una singola interfaccia, sia pellicola / substrato o pellicola / l’altro mezzo, è auspicabile. In realtà, la soluzione a questo problema è abbastanza facile, vale a dire, per massimizzare sperimentalmente i campi di luce presso l’interfaccia desiderabile e ridurre al minimo i campi di luce presso l’altra interfaccia. Pertanto, i coefficienti di Fresnel o i coefficienti di campo locali devono essere calcolati tramite il modello a pellicola sottile e devono essere convalidati rispetto ai risultati sperimentali3,9,10,11, 12,13,14,15,30.
Con il background di cui sopra in mente, alcune interfacce polimeriche e biologiche potrebbero essere studiate al fine di comprendere la scienza fondamentale a livello molecolare. Di seguito, prendendo come esempi tre problemi interfacciali: sondare la superficie poli(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) e l’interfaccia sepolta con il substrato9, formazione di fibrosi seta (SF) strutture secondarie sulla superficie del polistirolo (PS) e strutture idriche che circondano modello a catena corta oligonucleotide duplex16,21, mostreremo come la spettroscopia vibrazionale SFG aiuta a rivelare le strutture a livello molecolare interfacciale in connessione con la scienza sottostante.
Protocol
Representative Results
Discussion
Per studiare le informazioni strutturali a livello molecolare, SFG ha i suoi vantaggi intrinseci (ad esempio, sensibilità monostrato o sub-monostrato e selettività interfacciale), che possono essere applicati per studiare varie interfacce, come il solido/solido, solido/ interfacce liquide, solide/gas, liquide/gas, liquide/liquide. Anche se la manutenzione dell’apparecchiatura e l’allineamento ottico richiedono ancora molto tempo, il payoff è significativo in quanto è possibile ottenere le informazioni dettagliate a l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato sostenuto dal Programma di sviluppo chiave dello Stato per la ricerca di base della Cina (2017YFA0700500) e dalla National Natural Science Foundation of China (21574020). I Fondi di Ricerca Fondamentali per le Università Centrali, un progetto finanziato dal Programma Accademico Prioritario Sviluppo degli Istituti di Istruzione Superiore jiangsu (PAPD) e dal Centro di Dimostrazione Nazionale per l’Ingegneria Biomedica Sperimentale Anche l’istruzione (Southeast University) è stata molto apprezzata.
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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