サム周波数生成振動分光法で明らかになったポリマーと生体マクロ分子の界面分子レベル構造
Summary
サム周波数生成(SFG)振動分光法は、ポリマーおよび生体高分子界面で起こっている鎖立体構造の順序と二次構造変化を明らかにするのに役立ちます。
Abstract
第2次非線形光分光法として、合計周波数発生(SFG)振動分光法は、様々な表面や界面の調査に広く用いられてきた。この非侵襲的な光学技術は、単層またはサブ単層感度を有する局所的な分子レベル情報を提供することができる。ここでは、高分子と生体高分子の両方の埋もれた界面を選択的に検出する方法に関する実験的方法論を提供する。これを念頭に置いて、モデル短鎖オリゴヌクレオチド二重の周りのシルクフィブロインおよび水構造の界面二次構造について議論する。前者は連鎖的な重なりまたは空間的な閉じ込め効果を示し、後者は水のキラル脊柱上部構造に起因するCa2+イオンに対する保護機能を示す。
Introduction
合計周波数生成(SFG)振動分光法の開発は、30年前のShen et al. 1,2.界面選択性とサブ単層感度の独自性により、物理学、化学、生物学、材料科学などの分野で多数の研究者がSFG振動分光法を評価3、4 、5.現在、SFGを用いて表面や界面に関する幅広い科学的問題が調査されており、特に、鎖構造や構造緩和など、ポリマーや生体高分子に関する複雑な界面に関しては、埋め埋めポリマー界面、タンパク質二次構造、および界面水構造9、10、11、12、13、14、 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.
ポリマー表面および界面の場合、薄膜サンプルは一般に、所望の表面または界面を得るためにスピンコーティングによって調製される。この問題は、準備されたフィルムの2つの界面からの信号干渉に起因し、収集されたSFGスペクトル27、28、29を分析する際の不便を引き起させる。ほとんどの場合、単一のインターフェイスからのみ振動信号(フィルム/基板またはフィルム/他の媒体)のみが望ましい。実際には、この問題の解決策は、望ましいインターフェイスで光フィールドを実験的に最大化し、他のインターフェイスの光フィールドを最小化することは非常に簡単です。したがって、フレネル係数または局所界型係数は、薄膜モデルを介して計算され、実験結果3、9、10、11に関して検証される必要があります。 12,13,14,15,30.
上記の背景を念頭に置いて、分子レベルから基礎科学を理解するために、いくつかのポリマーと生物学的界面を調べることができる。以下では、ポリ(2-ヒドロキセチルメタクリレート)(PHEMA)表面のプローブと基板9との埋設界面、ポリスチレン(PS)表面上のシルクフィブロイン(SF)二次構造の形成、および3つの界面問題を例として取り出す。モデル短鎖オリゴヌクレオチドデュプレックス16,21を取り巻く水構造は、SFG振動分光法が基礎科学に関連する界面分子レベル構造を明らかにするのにどのように役立つかを示す。
Protocol
1. SFG実験 Nd:YAGレーザーに基づいて、約20psのパルス幅と50 Hzの周波数を持つ基本的な1064 nmビームを提供する市販のピコ秒SFGシステム(材料の表)を使用してください。 2 番目と 3 番目の高調波モジュールを使用して、基本 1064 nm ビームを 532 nm ビームと 355 nm ビームに変換します。入力光線として532nmビームを直接導き、光学パラメトリック生成(OPG)/光パラ…
Representative Results
プロトコルセクションのフレネル係数部分では、理論的には、一度に1つのインタフェースのみを選択的に検出することが可能であることを示しました。ここでは、図5および図 6に示すように、この方法論が基本的に正しいことを実験的に確認しました。 図5は、約150nm PHEMAヒドロゲルフィルムを用いた水?…
Discussion
分子レベルから構造情報を調べるために、SFGには固有の利点(モノレイヤーまたはサブ単層感度および界面選択性)があり、固体/固体、固体などの様々な界面を研究するために適用することができます。液体、固体/気体、液体/気体、液体/液体界面。機器のメンテナンスと光学アライメントは依然として時間がかかりますが、表面や界面の詳細な分子レベル情報を得ることができるという意味?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国基礎研究のための国家キー開発プログラム(2017YFA0700500)と中国国家自然科学財団(21574020)によって支援されました。江蘇省高等教育機関(PAPD)の優先学術プログラム開発と国立実験生物医学工学実証センターが資金を提供する中央大学の基礎研究基金教育(東南大学)も高く評価されました。
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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Cite This Article
Li, X., Ma, L., Lu, X. Interfacial Molecular-level Structures of Polymers and Biomacromolecules Revealed via Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. J. Vis. Exp. (150), e59380, doi:10.3791/59380 (2019).