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

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Biyokimya

Grenzflächenphysikalische Strukturen von Polymeren und Biomakromolekülen, die über sum frequency generation Vibrational Spectroscopy aufgedeckt werden

Published: August 13, 2019

doi:

10.3791/59380

Xu Li, Liang Ma, Xiaolin Lu

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

Özet

Die umfassende Nutzung der SUM-Frequenzerzeugung (SFG) kann dazu beitragen, die Kettenkonformationsreihenfolge und den sekundären Strukturwandel an Polymer- und Biomakromolekülschnittstellen aufzudecken.

Abstract

Als nichtlineare optische Spektroskopie zweiter Ordnung wurde die SUM-Frequenzerzeugung (SFG) in der Untersuchung verschiedener Oberflächen und Schnittstellen weit verbreitet eingesetzt. Diese nicht-invasive optische Technik kann die lokalen molekularen Informationen mit Monolayer- oder Submonolayer-Empfindlichkeit versorgen. Wir bieten hier experimentelle Methoden an, wie die vergrabene Schnittstelle sowohl für Makromoleküle als auch für Biomakromoleküle selektiv erkannt werden kann. Vor diesem Hintergrund werden grenzflächenförmige Sekundärstrukturen von Seidenfibroin und Wasserstrukturen um Modell-Kurzketten-Oligonukleotid-Duplex diskutiert. Erstere zeigt eine Kettenüberlappung oder räumliche Einschließungswirkung und letztere zeigt eine Schutzfunktion gegen die Ca 2+-Ionen, die sich aus dem chiralen Wirbelsäulenüberbau von Wasser ergeben.

Introduction

Die Entwicklung der Summenfrequenzerzeugung (SFG) Schwingungsspektroskopie kann auf die Arbeit von Shen et al. vor dreißig Jahren¹^,²zurückdatiert werden. Die Einzigartigkeit der Grenzflächenselektivität und Submonolayer-Empfindlichkeit macht die SFG-Schwingungsspektroskopie von einer großen Anzahl von Forschern aus den Bereichen Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaft usw. geschätzt³^,⁴ ^,⁵. Derzeit wird ein breites Spektrum wissenschaftlicher Fragen im Zusammenhang mit Oberflächen und Schnittstellen mit SFG untersucht, insbesondere für komplexe Schnittstellen in Bezug auf Polymere und Biomakromoleküle, wie z.B. die Kettenstrukturen und die strukturelle Entspannung an der vergrabene Polymerschnittstellen, die Proteinsekundärstrukturen und die Grenzflächenwasserstrukturen⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^, ¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^, ²⁴^,²⁵^,²⁶.

Für Polymeroberflächen und -schnittstellen werden Dünnschichtproben in der Regel durch Spin-Beschichtung hergestellt, um die gewünschten Oberflächen oder Schnittstellen zu erhalten. Das Problem ergibt sich aus der Signalstörung der beiden Schnittstellen der vorbereiteten Filme, was zu Unannehmlichkeiten bei der Analyse der gesammelten SFG-Spektren²⁷^,²⁸^,²⁹führt. In den meisten Fällen ist das Schwingungssignal nur von einer einzigen Schnittstelle, entweder Film/Substrat oder Film/das andere Medium, wünschenswert. Eigentlich ist die Lösung für dieses Problem ganz einfach, nämlich die Lichtfelder an der wünschenswerten Schnittstelle experimentell zu maximieren und die Lichtfelder an der anderen Schnittstelle zu minimieren. Daher müssen die Fresnel-Koeffizienten oder die lokalen Feldkoeffizienten über das Dünnschichtmodell berechnet und in Bezug auf die experimentellen Ergebnisse³^,⁹^,¹⁰^,¹¹^, ¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,³⁰.

Unter Berücksichtigung des obigen Hintergrunds könnten einige polymere und biologische Schnittstellen untersucht werden, um die Grundlagenforschung auf molekularer Ebene zu verstehen. Im Folgenden, unter Deriddrei grenzflächenfragen als Beispiele: Sondierung Poly(2-Hydroxyethylmethacrylat) (PHEMA) Oberfläche und vergrabene Schnittstelle mit Substrat⁹, Bildung von Seidenfibroin (SF) Sekundärstrukturen auf der Polystyrol (PS) Oberfläche und Wasserstrukturen, die das Modell Kurzketten-Oligonukleotid Duplex¹⁶^,²¹umgeben, zeigen wir, wie die SFG-Schwingungsspektroskopie hilft, die grenzflächenförmigen molekularen Strukturen im Zusammenhang mit der zugrunde liegenden Wissenschaft aufzudecken.

Protocol

1. SFG experimentell Verwenden Sie ein kommerzielles Picosecond SFG-System (Tabelle der Materialien), das einen grundlegenden 1064 nm Strahl mit einer Pulsbreite von 20 ps und einer Frequenz von 50 Hz, basierend auf einem Nd:YAG-Laser, bietet. Konvertieren Sie den basisgebischen 1064 nm-Strahl in einen 532 nm-Strahl und einen 355 nm-Strahl mit Hilfe von zweiten und dritten harmonischen Modulen. Führen Sie den 532 nm-Strahl direkt als Eingangslichtstrahl und erzeugen …

Representative Results

Im Fresnel-Koeffiziententeil des Protokollabschnitts haben wir gezeigt, dass es theoretisch möglich ist, selektiv nur eine einzige Schnittstelle gleichzeitig zu erkennen. Hier haben wir experimentell bestätigt, dass diese Methode grundsätzlich korrekt ist, wie in Abbildung 5 und Abbildung 6dargestellt. Abbildung 5 zeigt die vergrabene Grenzflächen-PHEMA-Struktur nach Wassereinbruch mit einem PHEMA-Hyd…

Discussion

Um die strukturellen Informationen von molekularer Ebene aus zu untersuchen, hat SFG seine inhärenten Vorteile (z.B. Monolayer- oder Submonolayer-Empfindlichkeit und Grenzflächenselektivität), die zur Untersuchung verschiedener Schnittstellen, wie z. B. der fest/fest Flüssigkeit, Feststoff/Gas, Flüssigkeit/Gas, Flüssigkeit/Flüssigkeitsschnittstellen. Obwohl die Wartung der Geräte und die optische Ausrichtung noch zeitaufwändig sind, ist der Gewinn insofern erheblich, als die detaillierten molekularen Information…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde vom State Key Development Program for Basic Research of China (2017YFA0700500) und der National Natural Science Foundation of China (21574020) unterstützt. The Fundamental Research Funds for the Central Universities, ein Projekt, das von der prioritären akademischen Programmentwicklung der Jiangsu-Hochschuleinrichtungen (PAPD) und des Nationalen Demonstrationszentrums für experimentelle biomedizinische Technik finanziert wird Auch die Bildung (Southeast University) wurde sehr geschätzt.

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

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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).