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

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Biyokimya

Strutture a livello molecolare interfacciale di polimeri e biomacromolecole rivelate tramite spettroscopia vibrazionale di generazione della frequenza di somma

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

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 o^più 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

1. SFG sperimentale Utilizzare un sistema SFG picosecondo commerciale (Table of Materials), che fornisce un fascio fondamentale di 1064 nm con una larghezza dell’impulso di 20 ps e una frequenza di 50 Hz, basata su un laser Nd:YAG. Convertire il fascio fondamentale da 1064 nm in un fascio da 532 nm e in un fascio di 355 nm utilizzando il secondo e il terzo modulo armonico. Guidare direttamente il fascio di 532 nm come un fascio di luce di ingresso e generare l’altro f…

Representative Results

Nella parte del coefficiente Fresnel della Sezione Protocollo, abbiamo dimostrato che, teoricamente, è possibile rilevare selettivamente una sola interfaccia alla volta. Qui, sperimentalmente, abbiamo confermato che questa metodologia è fondamentalmente corretta, come illustrato nella Figura 5 e Figura 6. Figura 5 Mostra la struttura PHEMA interfacciale sepolta dopo l’intrusione dell’acqua con una pelli…

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…

Açıklamalar

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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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).