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Biochimie

Estructuras interfaciales a nivel molecular de polímeros y biomacromoléculas reveladas a través de la espectroscopia vibratoria de generación de frecuencia de suma

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

Summary

Al ser ampliamente utilizada, la espectroscopia vibratoria de la generación de frecuencia de suma (SFG) puede ayudar a revelar el orden de la conformación de la cadena y el cambio estructural secundario que ocurre en las interfaces de polímero y biomacromolécula.

Abstract

Como espectroscopia óptica no lineal de segundo orden, la espectroscopia vibratoria de generación de frecuencia de suma (SFG) se ha utilizado ampliamente en la investigación de varias superficies e interfaces. Esta técnica óptica no invasiva puede proporcionar la información de nivel molecular local con sensibilidad monocapa o submonocapa. Aquí estamos proporcionando metodología experimental sobre cómo detectar selectivamente la interfaz enterrada tanto para macromoléculas como para biomacromoléculas. Con esto en mente, se discuten las estructuras secundarias interfaciales de fibroína de seda y estructuras de agua alrededor del modelo de dúplex de oligonucleótido de cadena corta. El primero muestra una superposición de cadena o un efecto de confinamiento espacial y el segundo muestra una función de protección contra los iones Ca2+ resultantes de la superestructura quiral de la columna vertebral del agua.

Introduction

El desarrollo de la espectroscopia vibratoria de generación de frecuencia de suma (SFG) puede datarse del trabajo realizado por Shen et al. hace treinta años1,2. La singularidad de la selectividad interfacial y la sensibilidad de la subcapa hace que la espectroscopia vibratoria SFG sea apreciada por un gran número de investigadores en los campos de la física, la química, la biología y la ciencia de los materiales, etc3,4 ,5. Actualmente, se está investigando una amplia gama de cuestiones científicas relacionadas con superficies e interfaces utilizando SFG, especialmente para interfaces complejas con respecto a polímeros y biomacromoléculas, como las estructuras de la cadena y la relajación estructural en el estructuras de polímeros enterrados, las estructuras secundarias de proteínas, y las estructuras de agua interfaciales 9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.

Para superficies e interfaces de polímeros, las muestras de película delgada generalmente se preparan mediante recubrimiento de espín para obtener las superficies o interfaces deseadas. El problema surge debido a la interferencia de la señal de las dos interfaces de las películas preparadas, lo que conduce a inconvenientes para analizar los espectros SFG recogidos27,28,29. En la mayoría de los casos, la señal vibratoria sólo desde una sola interfaz, ya sea película / sustrato o película / el otro medio, es deseable. En realidad, la solución a este problema es bastante fácil, a saber, maximizar experimentalmente los campos de luz en la interfaz deseable y minimizar los campos de luz en la otra interfaz. Por lo tanto, los coeficientes de Fresnel o los coeficientes de campo locales deben calcularse a través del modelo de película delgada y ser validados con respecto a los resultados experimentales3,9,10,11, 12,13,14,15,30.

Con el antecedente anterior en mente, algunas interfaces poliméricas y biológicas podrían ser investigadas con el fin de entender la ciencia fundamental desde el nivel molecular. A continuación, tomando tres problemas interfaciales como ejemplos: sondeo de poli(2-hidroxietilo metacrilato) (PHEMA) superficie y enterrada interfaz con sustrato9, formación de estructuras secundarias de fibroína de seda (SF) en la superficie de poliestireno (PS) y estructuras de agua que rodean el modelo de oligonucleótido de cadena corta dúplex16,21, mostraremos cómo la espectroscopia vibratoria SFG ayuda a revelar las estructuras interfaciales de nivel molecular en conexión con la ciencia subyacente.

Protocol

1. SFG experimental Utilice un sistema comercial de picosegundo SFG (Tablade materiales),que proporciona un haz fundamental de 1064 nm con un ancho de pulso de 20 ps y una frecuencia de 50 Hz, basado en un láser Nd:YAG. Convierta el haz fundamental de 1064 nm en un haz de 532 nm y un haz de 355 nm utilizando módulos armónicos segundo y tercero. Guiar directamente el haz de 532 nm como un haz de luz de entrada y generar el otro haz de infrarrojo medio de entrada (IR…

Representative Results

En la parte del coeficiente Fresnel de la Sección de Protocolo, hemos demostrado que, teóricamente, es factible detectar selectivamente una sola interfaz a la vez. Aquí, experimentalmente, confirmamos que esta metodología es básicamente correcta, como se muestra en la Figura 5 y la Figura 6. La Figura 5 muestra la estructura interfacial enterrada PHEMA después de la intrusión de agua con una pelíc…

Discussion

Para investigar la información estructural desde un nivel molecular, SFG tiene sus ventajas inherentes (es decir, sensibilidad monocapa o submonocapa e selectividad interfacial), que se pueden aplicar para estudiar diversas interfaces, como la sólida/sólida, sólida/ líquido, sólido/gas, líquido/gas, interfaces líquido/líquido. Aunque el mantenimiento del equipo y la alineación óptica siguen llevando mucho tiempo, el pago es significativo en el medida en que se puede obtener la información detallada a nivel mo…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudio fue apoyado por el Programa Estatal de Desarrollo Clave para la Investigación Básica de China (2017YFA0700500) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (21574020). Los Fondos Fundamentales de Investigación para las Universidades Centrales, un proyecto financiado por el Programa Académico Prioritario desarrollo de las Instituciones de Educación Superior de Jiangsu (PAPD) y el Centro Nacional de Demostración de Ingeniería Biomédica Experimental Educación (Universidad del Sureste) también fueron muy 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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References

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Keywords: Sum Frequency GenerationVibrational SpectroscopyInterfacial StructuresPolymersBiomacromoleculesFresnel CoefficientSolid-liquid InterfaceFilm PreparationPHEMA
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Citer Cet 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).
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