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

Biyokimya

Estruturas de nível molecular interfacial de polímeros e biomacromoléculas reveladas através de espectroscopia vibracional de geração de frequência de soma

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

Sendo utilizado de forma abrangente, a espectroscopia vibracional de geração de frequência de soma (SFG) pode ajudar a revelar a ordem conformacional da cadeia e a mudança estrutural secundária acontecendo em interfaces de polímero e biomacromolécula.

Abstract

Como espectroscopia óptica não linear de segunda ordem, a espectroscopia vibracional de geração de frequência de soma (SFG) tem sido amplamente utilizada na investigação de várias superfícies e interfaces. Esta técnica ótica não invasora pode fornecer a informação local do molecular-nível com monoolayer ou sensibilidade do submonolayer. Nós estamos aqui fornecendo a metodologia experimental em como detectar seletivamente a relação enterrada para macromoléculas e biomacromoléculas. Com isto na mente, as estruturas secundárias interfaciais do fibroína e das estruturas de água de seda em torno do duplex modelo da curto-corrente do oligonucleotide são discutidas. O primeiro mostra uma sobreposição da cadeia de cadeia ou o efeito de confinamento espacial e o último mostra uma função de proteção contra os íons Ca^{2 +} resultantes da superestrutura da coluna quiral da água.

Introduction

O desenvolvimento da espectroscopia vibracional de geração de frequência de soma (SFG) pode ser datado de volta ao trabalho realizado por Shen et al. há trinta anos^1,2^. A singularidade da seletividade interfacial e da sensibilidade da submonocamada faz com que a espectroscopia vibracional SFG seja apreciada por um grande número de pesquisadores nas áreas de física, química, biologia e ciência dos materiais, etc^3,4 ^,⁵. Atualmente, uma ampla gama de questões científicas relacionadas a superfícies e interfaces estão sendo investigadas usando o SFG, especialmente para interfaces complexas com relação a polímeros e biomacromoléculas, como as estruturas da cadeia e o relaxamento estrutural no interfaces de polímeros enterradas, as estruturas secundárias proteicas e as estruturas de água interfacial⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^, ¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^,²²^,²³^, ²⁴^,²⁵^,²⁶.

Para superfícies e interfaces de polímeros, as amostras de película fina são geralmente preparadas por spin-coating para obter as superfícies ou interfaces desejadas. O problema surge devido à interferência do sinal das duas interfaces dos filmes preparados, o que leva à inconveniência para analisar os espectros coletados do SFG²⁷^,²⁸^,²⁹. Na maioria dos casos, o sinal vibracional apenas a partir de uma única interface, quer filme/substrato ou filme/o outro meio, é desejável. Na verdade, a solução para este problema é muito fácil, ou seja, para maximizar experimentalmente os campos de luz na interface desejável e minimizar os campos de luz na outra interface. Assim, os coeficientes de Fresnel ou os coeficientes de campo local precisam ser calculados por meio do modelo de filme fino e ser validados em relação aos resultados experimentais³^,⁹^,^10,11, ¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,³⁰.

Com o fundo acima na mente, algumas relações do polímero e as biológicas podiam ser investigadas a fim compreender a ciência fundamental do nível molecular. A seguir, tomando três questões interfaciais como exemplos: sondagem de superfície poli (2-hidroxietil metacrilato) (PHEMA) e interface enterrada com substrato⁹, formação de fibroína de seda (SF) estruturas secundárias sobre a superfície de POLIESTIRENO (PS) e estruturas de água em torno do modelo de curto-cadeia de oligonucleotídeo duplex¹⁶^,²¹, vamos mostrar como a espectroscopia vibracional SFG ajuda a revelar as estruturas de nível molecular interfacial em conexão com a ciência subjacente.

Protocol

1. SFG experimental Use um sistema comercial degradam SFG (tabela de materiais), que fornece um feixe de 1064 nm fundamental com uma largura de pulso de ~ 20 PS e uma freqüência de 50 Hz, com base em um Nd: YAG laser. Converta o feixe de 1064 nm fundamental em um feixe de 532 nm e um feixe de 355 NM usando módulos de segundo e terceiro harmônicos. Orientar diretamente o feixe de 532 nm como um feixe de luz de entrada e gerar o outro feixe de entrada Mid-Infrared (…

Representative Results

Na parte do coeficiente de Fresnel da seção do protocolo, nós mostramos que, teoricamente, é praticável detectar seletivamente somente uma única relação em uma vez. Aqui, experimentalmente, confirmamos que essa metodologia está basicamente correta, como mostra a Figura 5 e a Figura 6. A Figura 5 mostra a estrutura de PHEMA interfacial enterrada após a intrusão da água com uma película do hidr…

Discussion

Para investigar as informações estruturais a partir de um nível molecular, a SFG tem suas vantagens inerentes (ou seja, sensibilidade monocamada ou submonocamada e seletividade interfacial), que pode ser aplicada para estudar várias interfaces, como o sólido/sólido, sólido/ líquido, sólido/gás, líquido/gás, líquido/líquido interfaces. Embora a manutenção do equipamento e o alinhamento ótico sejam ainda demorados, o retorno é significativo em que a informação detalhada do nível molecular nas superfíc…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudo foi apoiado pelo programa de desenvolvimento chave do estado para a pesquisa básica de China (2017YFA0700500) e a Fundação Nacional da ciência natural de China (21574020). Os fundos de pesquisa fundamentais para as universidades centrais, um projeto financiado pelo programa de desenvolvimento acadêmico prioritário das instituições de ensino superior de Jiangsu (PAPD) e o centro nacional de demonstração de Engenharia Biomédica experimental Educação (Universidade do sudeste) também foram muito apreciados.

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).