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생화학

합계 주파수 생성 진동 분광법을 통해 밝혀진 중합체 및 생체 거력의 계면 분자 수준 구조

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

Summary

종합적으로 활용되는 합계 주파수 생성(SFG) 진동 분광법은 중합체 및 생체 거시적 계면에서 일어나는 사슬 형태 순서 및 이차 구조 변화를 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.

Abstract

2차 비선형 광학 분광법으로서, 합계 주파수 생성(SFG) 진동 분광법은 다양한 표면과 인터페이스를 조사하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 이 비침습적 광학 기술은 단층 또는 하위 단일층 감도로 국소 분자 수준 정보를 제공할 수 있습니다. 우리는 여기에서 거대 분자와 생체 거대 분자 둘 다를 위한 매장된 계면을 선택적으로 검출하는 방법에 대한 실험적인 방법론을 제공하고 있습니다. 이를 염두에 두고, 실크 섬유인의 계면 보조 구조와 모델 짧은 사슬 올리고뉴클레오티드 이중 을 둘러싼 물 구조가 논의된다. 전자는 체인 체인 중복 또는 공간 감금 효과를 나타내며, 후자는 물의 키랄 척추 상부 구조로 인한Ca2+ 이온에 대한 보호 기능을 보여줍니다.

Introduction

화 주파수 생성 (SFG) 진동 분광법의 개발은 30 년 전1,2. 계면 선택성 및 하위 단층 감도의 고유성은 SFG 진동 분광법을 물리학, 화학, 생물학 및 재료 과학 등의 분야에서 많은수의 연구자들이 평가하게 합니다 3,4 ,5. 현재 표면 및 인터페이스와 관련된 광범위한 과학적 문제가 SFG를 사용하여 조사되고 있으며, 특히 중합체 및 생체 거시 분자와 관련된 복잡한 인터페이스(예: 체인 구조 및 구조적 이완)에 대해 매장 된 폴리머 인터페이스, 단백질 이차 구조및 계면 물 구조 9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.

폴리머 표면 및 인터페이스의 경우, 박막 샘플은 일반적으로 원하는 표면 또는 인터페이스를 얻기 위해 스핀 코팅으로 제조됩니다. 문제는 준비된 필름의 두 인터페이스로부터의 신호 간섭으로 인해 발생하며, 이는 수집된 SFG스펙트럼(27,28,29)을분석하는 데 불편함을 초래한다. 대부분의 경우 필름/기판 또는 필름/기타 매체중 하나의 인터페이스에서만 진동 신호가 바람직합니다. 사실,이 문제에 대한 해결책은 실험적으로 바람직한 인터페이스에서 광필드를 최대화하고 다른 인터페이스에서 광필드를 최소화하는 것은 매우 쉽습니다. 따라서, 프레넬 계수 또는 국부적 필드 계수는 박막 모델을 통해 계산되어야 하며 실험 결과3,9,10,11에대하여 검증되어야 한다. 12,13,14,15,30.

위의 배경을 염두에 두고 분자 수준에서 기초 과학을 이해하기 위해 일부 중합체 및 생물학적 인터페이스를 조사 할 수 있습니다. 다음에서, 예를 들어, 세 가지 계면 문제를 예로 들자면, 폴리티렌(PS) 표면에 폴리(2-hydroxyethyl methacrylate) 표면 및 기판9와의 부설 된 인터페이스, 실크 섬유린 (SF) 이차 구조물의 형성 및 모델 단사슬 올리고뉴클레오티드 듀플렉스16,21을둘러싼 물 구조는 SFG 진동 분광법을 기본 과학과 관련하여 계면 분자 수준 구조를 밝히는 데 어떻게 도움이되는지 보여줍니다.

Protocol

1. SFG 실험 Nd:YAG 레이저를 기반으로 펄스폭 ~20ps 및 주파수 50Hz의 기본 1064 nm 빔을 제공하는 상업용 피코초 SFG 시스템(재료 표)을 사용합니다. 기본 1064 nm 빔을 두 번째 및 세 번째 고조파 모듈을 사용하여 532 nm 빔과 355 nm 빔으로 변환합니다. 직접 입력 광 빔으로 532 nm 빔을 안내하고 광학 파라 메트릭 생성 (OPG)/ 광학 파라 메트릭 증폭 (OPA)를 통해 1000 ~ 4000cm<sup…

Representative Results

프로토콜 섹션의 프레넬 계수 부분에서는 이론적으로 한 번에 하나의 인터페이스만 선택적으로 감지하는 것이 가능하다는 것을 보여 주어 도모했습니다. 여기서, 실험적으로, 우리는 이 방법론이 그림 5 및 그림 6에 도시된 바와 같이 기본적으로 정확하다는 것을 확인하였다. 도 5는 ~150 nm PHEMA 하이드로겔 필?…

Discussion

분자 수준에서 구조 정보를 조사하기 위해 SFG는 고유의 장점 (즉, 단층 또는 하위 단면 감도 및 계면 선택성)을 가지고 있으며, 이는 솔리드 / 솔리드, 솔리드 / 액체, 고체/가스, 액체/가스, 액체/액체 인터페이스. 장비 유지 보수 및 광학 정렬은 여전히 시간이 많이 걸리지만 표면 및 인터페이스에서 상세한 분자 수준 정보를 얻을 수 있다는 점에서 보수가 중요합니다.

프로?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 중국 의 기본 연구를위한 국가 핵심 개발 프로그램 (2017YFA0700500)과 중국의 국립 자연 과학 재단 (21574020)에 의해 지원되었다. 중앙대학의 기초연구기금, 강소고등교육기관(PAPD)의 우선학술프로그램 개발사업과 국립실험생물의학공학시범센터 교육 (동남 대학) 또한 크게 평가했다.

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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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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