JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Türkçe

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biochemistry

Toplam Frekans Üretimi TitreşimSpektroskopisi Ile Ortaya Çıkan Polimerlerin ve Biyomakromoleküllerin İnterasfer Moleküler Düzey Yapıları

Published: August 13, 2019
doi:
10.3791/59380
, ,
1State Key Laboratory of Bioelectronics, School of Biological Science & Medical Engineering,Southeast University

Summary

Kapsamlı olarak kullanılan, toplam frekans üretimi (SFG) titreşimsi polimer ve biyomakromolekül arayüzlerinde meydana gelen zincir konformasyonel düzen ve ikincil yapısal değişim ortaya çıkarmak için yardımcı olabilir.

Abstract

İkinci dereceden doğrusal olmayan optik spektroskopi olarak, sum frekans üretimi (SFG) titreşimsel spektroskopi çeşitli yüzeylerin ve arayüzlerin araştırılmasında yaygın olarak kullanılmıştır. Bu non-invaziv optik teknik monolayer veya submonolayer duyarlılık ile yerel moleküler düzeyde bilgi sağlayabilir. Burada hem makromoleküller hem de biyomakromoleküller için gömülü arayüzü seçici olarak nasıl tespit edebileceğimize ilişkin deneysel metodoloji salıyoruz. Bu göz önünde bulundurularak, model kısa zincirli oligonükleotid dubleks etrafındaki ipek fibroinin in interfasiyal sekonder yapıları ve su yapıları tartışılmıştır. Eski bir zincir-zincir örtüşme veya mekansal hapsi etkisi gösterir ve ikinci su chiral omurga üstyapısı ndan kaynaklanan Ca2 + iyonları karşı bir koruma fonksiyonu gösterir.

Introduction

Toplam frekans üretimi gelişimi (SFG) titreşimsi spektroskopisi Shen ve ark. otuz yıl önce1,2tarafından yapılan işe geri tarihli olabilir . Interfasiyal seçicilik ve alt-monolayer duyarlılık teklik SFG titreşimsi spektroskopi fizik, kimya, biyoloji ve malzeme bilimi, vb 3 alanlarında araştırmacıların çok sayıda tarafından takdir yapar,4 ,5. Şu anda, yüzeyler ve arayüzler ile ilgili bilimsel konular geniş bir yelpazede, özellikle polimerler ve biyomakromoleküller ile ilgili karmaşık arayüzler için, zincir yapıları ve yapısal gevşeme gibi SFG kullanılarak araştırılmaktadır gömülü polimer arayüzleri, protein ikincil yapıları ve interfacial su yapıları9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.

Polimer yüzeyler ve arayüzler için, ince film örnekleri genellikle istenilen yüzeyleri veya arayüzleri elde etmek için spin-kaplama ile hazırlanır. Sorun, hazırlanan filmlerin iki arabiriminden gelen sinyal paraziti nedeniyle ortaya çıkar, bu da toplanan SFG spektrum27,28,29’unanalizinde rahatsızlık sağlar. Çoğu durumda, sadece tek bir arabirimden gelen titreşim sinyali, film/substrat veya film/diğer ortam, arzu edilir. Aslında, bu sorunun çözümü oldukça kolaydır, yani, deneysel arzu arayüzü ışık alanları maksimize etmek ve diğer arayüz ışık alanları en aza indirmek. Bu nedenle, Fresnel katsayıları veya yerel alan katsayıları ince film modeli ile hesaplanması ve deneysel sonuçlara göre doğrulanması gerekir3,9,10,11, 12,13,14,15,30.

Yukarıdaki arka plan göz önünde bulundurularak, temel bilimi moleküler düzeyden anlamak için bazı polimer ve biyolojik arayüzler araştırılabilir. Aşağıda, örnek olarak üç interfasiyal konu ele: probing poli (2-hidroksietil metakrilat) (PHEMA) yüzey ve substrat 9 ile gömülü arayüz,polistiren (PS) yüzeyinde ipek fibroin (SF) ikincil yapıların oluşumu ve model kısa zincirli oligonükleotid dubleks çevreleyen su yapıları16,21, Biz Nasıl SFG titreşimsi spektroskopi altta yatan bilim ile bağlantılı olarak interfacial moleküler düzeyde yapıları ortaya çıkarmak için yardımcı olacağını gösterecektir.

Protocol

1. SFG deneysel Bir Nd:YAG lazerdayalı ,~ 20 ps ve 50 Hz bir frekans ile temel bir 1064 nm Kiriş sağlayan ticari bir pikosecond SFG sistemi (Tablo Malzemeler) kullanın. İkinci ve üçüncü harmonik modülleri kullanarak temel 1064 nm ışını 532 nm’lik bir Kirişe ve 355 nm’lik Bir Kirişe dönüştürün. Optik parametrik nesil (OPG)/optik parametrik amplifikasyon (OPA)/ ile frekans aralığını 1000 ile 4000 cm-1 arasında değişen diğer giriş…

Representative Results

Protokol Bölümü Fresnel katsayısı bölümünde, teorik olarak, tek bir arabirimi aynı anda seçici olarak algılamanın mümkün olduğunu gösterdik. Burada, deneysel olarak, şekil 5 ve Şekil6’da gösterildiği gibi, bu metodolojinin temelde doğru olduğunu doğruladık. Şekil 5 ~ 150 nm PHEMA hidrojel film ile su intrusion sonra gömülü interfacial PHEMA yapısını gösterir ve <strong clas…

Discussion

Yapısal bilgileri moleküler düzeyden araştırmak için SFG’nin, katı/katı, katı/ katı gibi çeşitli arayüzleri incelemek için uygulanabilen doğal avantajları (yani, monolayer veya alt-monolayer duyarlılığı ve interfacial seçicilik) vardır. sıvı, katı/gaz, sıvı/gaz, sıvı/sıvı arayüzleri. Ekipman bakımı ve optik hizalama hala zaman alıcı olmasına rağmen, ödeme yüzeylerde ve arayüzlerde ayrıntılı moleküler düzeyde bilgi elde edilebilir önemli.

Probi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Çin Temel Araştırma Devlet Anahtar Geliştirme Programı (2017YFA0700500) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (21574020) tarafından desteklenmiştir. Jiangsu Yüksek Öğretim Kurumları (PAPD) ve Deneysel Biyomedikal Mühendisliği Ulusal Gösteri Merkezi Öncelikli Akademik Program Geliştirme tarafından finanse edilen bir proje olan Merkez Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları Eğitim (Güneydoğu Üniversitesi) de büyük beğeni topladı.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shen, Y. R. Optical Second Harmonic Generation at Interfaces. Annual Review of Physical Chemistry. 40, 327-350 (1989).
  2. Shen, Y. R. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature. 337, 519-525 (1989).
  3. Lu, X., et al. Studying Polymer Surfaces and Interfaces with Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. Analytical Chemistry. 89 (1), 466-489 (2017).
  4. 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).
  5. Eisenthal, K. B. Liquid Interfaces Probed by Second-Harmonic and Sum-Frequency Spectroscopy. Chemical Reviews. 96 (4), 1343-1360 (1996).
  6. Richmond, G. L. Molcular Bonding and Interactions at Aqueous Surfaces as Probed by Vibrational Sum Frequency Spectroscopy. Chemical Reviews. 102 (8), 2693-2724 (2002).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Li, X., et al. Detecting Surface Hydration of Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) in Solution in situ. Macromolecules. 49, 3116-3125 (2016).
  10. Li, X., Lu, X. Evolution of Irreversibly Absorbed Layer Promotes Dewetting of Polystyrene Film on Sapphire. Macromolecules. 51, 6653-6660 (2018).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Lu, X., Myers, J. N., Chen, Z. Molecular Ordering of Phenyl Groups at the Buried Polystyrene/Metal Interface. Langmuir. 30, 9418-9422 (2014).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Wang, J., Buck, S., Chen, Z. Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Studies on Protein Adsorption. Journal of Physical Chemistry B. 106, 11666-11672 (2002).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Sartenaer, Y., et al. Sum-frequency generation spectroscopy of DNA monolayers. Biosensors & Bioelectronics. 22, 2179-2183 (2007).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Zhou, J., Anim-Danso, E., Zhang, Y., Zhou, Y., Dhinojwala, A. Interfacial Water at Polyurethane-Sapphire Interface. Langmuir. 31 (45), 12401-12407 (2015).
  32. Gautam, K. S., et al. Molecular Structure of Polystyrene at Air/Polymer and Solid/Polymer Interfaces. Physical Review Letters. 85 (18), 3854-3857 (2000).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Rockwood, D. N., et al. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nature Protocols. 6, 1612-1631 (2011).

Tags

Sum Frequency GenerationVibrational SpectroscopyInterfacial StructuresPolymersBiomacromoleculesFresnel CoefficientSolid-liquid InterfaceFilm PreparationPHEMA

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image