Interfacial Molecular-level Structures of Polymers and Biomacromolecules Revealed via Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy

Xu Li; Liang Ma; Xiaolin Lu

doi:10.3791/59380

JoVE Journal > Biochemistry

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

Biyokimya

Interfaciale moleculaire-niveau structuren van polymeren en biomacromoleculen onthuld via Sum frequentie generatie Vibrationele spectroscopie

Published: August 13, 2019

doi:

10.3791/59380

Xu Li¹, Liang Ma¹, Xiaolin Lu¹

¹State Key Laboratory of Bioelectronics, School of Biological Science & Medical Engineering,Southeast University

Özet

Wordt uitgebreid gebruikt, Sum Frequency Generation (sfg) Vibrationele spectroscopie kan helpen om te onthullen keten conformationele order en secundaire structurele verandering gebeurt op polymeer en biomacromolecule interfaces.

Abstract

Als een tweede-orde niet-lineaire optische spectroscopie, is Sum Frequency Generation (SFG) Vibrationele spectroscopie op grote schaal gebruikt bij het onderzoeken van verschillende oppervlakken en interfaces. Deze niet-invasieve optische techniek kan de lokale informatie op moleculair niveau bieden met monolaag of submonolayer gevoeligheid. We bieden hier een experimentele methodologie voor het selectief detecteren van de begraven interface voor zowel macromoleculen als biomacromoleculen. Met dit in gedachten, worden interfaciaal secundaire structuren van zijde aan en water structuren rond model korte-keten oligonucleotide duplex besproken. De eerste toont een keten overlapping of ruimtelijke opsluiting effect en de laatste toont een bescherming functie tegen de CA^{2 +} ionen die voortvloeien uit de chirale wervelkolom bovenbouw van water.

Introduction

Ontwikkeling van de som frequentie generatie (sfg) Vibrationele spectroscopie kan worden gedateerd terug naar het werk van Shen et al. dertig jaar geleden^1,2^. De uniciteit van de Interfaciale selectiviteit en sub-monolayer gevoeligheid maakt sfg Vibratie spectroscopie gewaardeerd door een groot aantal onderzoekers op het gebied van fysica, chemie, biologie, en materiaalkunde, etc³^,⁴ ^,⁵. Momenteel wordt een breed scala aan wetenschappelijke vraagstukken met betrekking tot oppervlakken en interfaces onderzocht met behulp van SFG, met name voor complexe interfaces met betrekking tot polymeren en biomacromoleculen, zoals de ketting structuren en structurele ontspanning in de begraven polymeer interfaces, de eiwit secundaire structuren, en de Interfaciale water structuren⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^, ¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^, ²⁴^,²⁵^,²⁶.

Voor polymeer oppervlakken en interfaces worden dun-film samples over het algemeen bereid door een spin coating om de gewenste oppervlakken of interfaces te verkrijgen. Het probleem ontstaat door de signaalstoring van de twee interfaces van de as-prepared films, wat leidt tot ongemak voor het analyseren van de verzamelde sfg Spectra²⁷^,²⁸^,²⁹. In de meeste gevallen is het trillationeel signaal alleen van een enkele interface, hetzij film/substraat of film/het andere medium, wenselijk. Eigenlijk is de oplossing voor dit probleemvrij eenvoudig, namelijk om de licht velden op de wenselijke interface te maximaliseren en de licht velden op de andere interface te minimaliseren. Vandaar dat de Fresnel-coëfficiënten of de lokale veld coëfficiënten moeten worden berekend via het dunne film model en moeten worden gevalideerd met betrekking tot de experimentele resultaten³^,⁹^,¹⁰^,¹¹^, ¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,³⁰.

Met de bovenstaande achtergrond in het achterhoofd, kunnen sommige polymeer-en biologische interfaces worden onderzocht om de fundamentele wetenschap van het moleculaire niveau te begrijpen. In het volgende, het nemen van drie interfaciaal problemen als voorbeelden: indringende poly (2-hydroxyethyl methacrylaat) (phema) oppervlak en begraven interface met substraat⁹, vorming van zijde aan (SF) secundaire structuren op het polystyreen (PS) oppervlak en water structuren omringende model korte-keten oligonucleotide duplex¹⁶^,²¹, we zullen laten zien hoe de sfg Vibrationele spectroscopie helpt om de interfaciaal moleculaire structuren te onthullen in verband met de onderliggende wetenschap.

Protocol

1. SFG experimentele Gebruik een commercieel Pico sfg-systeem (tabel met materialen), dat een fundamentele 1064 nm-straal biedt met een pulsbreedte van ~ 20 PS en een frequentie van 50 Hz, gebaseerd op een ND: YAG-laser. Zet de fundamentele 1064 nm Beam om in een 532 nm Beam en een 355 nm Beam met behulp van de tweede en derde harmonische modules. Leid de 532 nm Beam direct als een ingangs lichtbundel en Genereer de andere input mid-Infrared (IR) Beam die het frequent…

Representative Results

In de Fresnel coëfficiënt deel van protocol sectie, we hebben aangetoond dat, theoretisch, het haalbaar is om selectief te detecteren slechts één enkele interface in één keer. Hier, experimenteel, hebben we bevestigd dat deze methodologie in principe correct is, zoals weergegeven in Figuur 5 en Figuur 6. Figuur 5 toont de begraven INTERFACIALE phema structuur na water inbraak met een ~ 150 Nm phema …

Discussion

Om de structurele informatie op moleculair niveau te onderzoeken, heeft sfg zijn inherente voordelen (d.w.z. monolaag-of submonolayer-gevoeligheid en Interfaciale selectiviteit), die kunnen worden toegepast om verschillende interfaces te bestuderen, zoals de vaste/vaste, vaste/ vloeistof, vaste/gas, vloeistof/gas, vloeistof/vloeibare interfaces. Hoewel het onderhoud van de apparatuur en de optische uitlijning nog steeds tijdrovend zijn, is de uitbetaling belangrijk omdat de gedetailleerde moleculaire informatie op de opp…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Deze studie werd gesteund door het State Key Development Program voor fundamenteel onderzoek van China (2017YFA0700500) en de National Natural Science Foundation of China (21574020). De fundamentele onderzoeksfondsen voor de centrale universiteiten, een project gefinancierd door de prioritaire academische programma ontwikkeling van de Jiangsu hogeronderwijsinstellingen (PAPD) en het National demonstratie Center for experimental Biomedical Engineering Onderwijs (Zuidoost-Universiteit) werden ook zeer gewaardeerd.

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

Referanslar

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).

Etiketler

Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Interfacial Structures Polymers Biomacromolecules Fresnel Coefficient Solid-liquid Interface Film Preparation PHEMA

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Bu Makaleden Alıntı Yapın

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).