JoVE Journal > Biochemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Biochemistry

Interfacial molekyl niveau strukturer af polymerer og Biomakromolecules afsløret via sum frekvens generation Vibrational spektroskopi

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

Summary

At være omfattende udnyttet, sum frekvens generation (SFG) vibrationelle spektroskopi kan bidrage til at afsløre kæde konformationsmæssige orden og sekundær strukturel ændring sker på polymer og biomakromolecule grænseflader.

Abstract

Som en anden-Order ikke-lineære optisk spektroskopi, sum Frequency generation (SFG) vibrationelle spektroskopi har bredt været anvendt til at undersøge forskellige overflader og grænseflader. Denne ikke-invasive optiske teknik kan give den lokale molekyl niveau information med enkeltlags eller submonolayer følsomhed. Vi her giver eksperimentel metodologi for, hvordan man selektivt detekterer den begravede grænseflade for både makromolekyler og biomakromolekyler. Med dette i tankerne diskuteres grænseflade sekundære strukturer af silke fibroin og vand strukturer omkring modelkort kædede oligonukleotid duplex. Førstnævnte viser en kæde-kæde overlapning eller rumlig indespærring effekt og sidstnævnte viser en beskyttelse funktion mod ca2 + ioner som følge af chiral rygsøjlen overbygning af vand.

Introduction

Udvikling af sum Frequency generation (SFG) vibrationelle spektroskopi kan dateres tilbage til det arbejde, der udføres af Shen et al. tredive år siden1,2. Det unikke ved grænseflade selektivitet og sub-monolayer følsomhed gør SFG vibrationelle spektroskopi værdsat af et stort antal forskere inden for fysik, kemi, biologi, og materialevidenskab, etc3,4 ,5. I øjeblikket undersøges en bred vifte af videnskabelige spørgsmål vedrørende overflader og grænseflader ved hjælp af SFG, navnlig for komplekse grænseflader med hensyn til polymerer og biomakromolekyler, såsom kæde strukturer og strukturel afslapning ved begravet polymer interfaces, protein sekundære strukturer, og de grænseflade vand strukturer9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.

For polymer overflader og grænseflader fremstilles tynde film prøver generelt ved spin-coating for at opnå de ønskede overflader eller grænseflader. Problemet opstår på grund af signalet interferens fra de to grænseflader af de as-forberedte film, hvilket fører til ulejlighed for at analysere de indsamlede SFG Spectra27,28,29. I de fleste tilfælde, det vibrationelle signal kun fra en enkelt grænseflade, enten film/substrat eller film/det andet medium, er ønskelig. Faktisk, løsningen på dette problem er ganske let, nemlig at eksperimentelt maksimere lyset felter på ønskelig grænseflade og minimere de lyse felter på den anden grænseflade. Derfor skal Fresnel-koefficienterne eller de lokale felt koefficienter beregnes via den tynde film model og valideres med hensyn til forsøgsresultaterne3,9,10,11, 12,13,14,15,30.

Med ovenstående baggrund i tankerne, nogle polymer og biologiske grænseflader kunne undersøges for at forstå grundlæggende videnskab fra det molekylære niveau. I det følgende, at tage tre grænseflade spørgsmål som eksempler: sondering poly (2-hydroxyethyl methacrylat) (phema) overflade og begravet grænseflade med substrat9, dannelse af silke fibroin (SF) sekundære strukturer på polystyren (PS) overflade og vand strukturer omkring modelkort kædede oligonukleotid duplex16,21, vil vi vise, hvordan SFG vibrationelle spektroskopi hjælper med at afsløre de grænseflade molekyl niveau strukturer i forbindelse med den underliggende videnskab.

Protocol

1. SFG-eksperimentel Brug et kommercielt pikosekund SFG system (tabel over materialer), som giver en grundlæggende 1064 nm stråle med en pulsbredde på ~ 20 PS og en frekvens på 50 Hz, baseret på en nd: YAG laser. Konverter den grundlæggende 1064 nm stråle til en 532 nm stråle og en 355 nm stråle ved hjælp af anden og tredje harmoniske moduler. Direkte guide 532 nm stråle som en indgang lysstråle og generere den anden indgang Mid-infrarød (IR) stråle, der…

Representative Results

I den Fresnel koefficient del af protokollen sektion, har vi vist, at teoretisk set er det muligt selektivt at detektere kun én enkelt grænseflade på én gang. Her, eksperimentelt, vi bekræftede, at denne metode er dybest set korrekt, som vist i figur 5 og figur 6. Figur 5 viser den begravede grænseflade phema struktur efter vand indtrængen med en ~ 150 nm phema hydrogel film og <strong class="xfig"…

Discussion

For at undersøge de strukturelle oplysninger fra et molekyleniveau har SFG sine iboende fordele (dvs. enkeltlags eller sub-enkeltlags følsomhed og grænseflade selektivitet), som kan anvendes til at studere forskellige grænseflader, såsom solid/solid, solid/ flydende, fast/gas, væske/gas, flydende/flydende grænseflader. Selv om vedligeholdelsen af udstyret og den optiske justering stadig er tidskrævende, er udbyttet signifikant, da de detaljerede molekylære oplysninger på overfladerne og grænsefladerne kan opn?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne undersøgelse blev støttet af staten Key Development program for grundforskning i Kina (2017YFA0700500) og National Natural Science Foundation i Kina (21574020). De grundlæggende forskningsmidler til de centrale universiteter, et projekt finansieret af den prioriterede akademiske program udvikling af Jiangsu videregående uddannelsesinstitutioner (PAPD) og det nationale demonstrations Center for eksperimentel biomedicinsk ingeniør Uddannelse (sydøstlige Universitet) blev også meget værdsat.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shen, Y. R. Optical Second Harmonic Generation at Interfaces. Annual Review of Physical Chemistry. 40, 327-350 (1989).
  2. Shen, Y. R. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature. 337, 519-525 (1989).
  3. Lu, X., et al. Studying Polymer Surfaces and Interfaces with Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. Analytical Chemistry. 89 (1), 466-489 (2017).
  4. Chen, X., Clarke, M. L., Wang, J., Chen, Z. Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Studies on Molecular Conformation and Orientation of Biological Molecules at Interfaces. International Journal of Modern Physics B. 19 (4), 691-713 (2005).
  5. Eisenthal, K. B. Liquid Interfaces Probed by Second-Harmonic and Sum-Frequency Spectroscopy. Chemical Reviews. 96 (4), 1343-1360 (1996).
  6. Richmond, G. L. Molcular Bonding and Interactions at Aqueous Surfaces as Probed by Vibrational Sum Frequency Spectroscopy. Chemical Reviews. 102 (8), 2693-2724 (2002).
  7. Wang, H., Gan, W., Lu, R., Rao, Y., Wu, B. Quantitative spectral and orientational analysis in surface sum frequency generation vibrational spectroscopy(SFG-VS). International Reviews in Physical Chemistry. 24 (2), 191-256 (2007).
  8. Shultz, M. J., Schnitzer, C., Simonelli, D., Baldelli, S. Sum frequency generation spectroscopy of the aqueous interface: Ionic and soluble molecular solutions. International Reviews in Physical Chemistry. 19 (1), 123-153 (2010).
  9. Li, X., et al. Detecting Surface Hydration of Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) in Solution in situ. Macromolecules. 49, 3116-3125 (2016).
  10. Li, X., Lu, X. Evolution of Irreversibly Absorbed Layer Promotes Dewetting of Polystyrene Film on Sapphire. Macromolecules. 51, 6653-6660 (2018).
  11. Lu, X., Spanninga, S. A., Kristalyn, C. B., Chen, Z. Surface Orientation of Phenyl Groups in Poly(sodium 4-styrenesulfonate) and in Poly(sodium 4-styrenesulfonate): Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Mixture Examined by Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. Langmuir. 26 (17), 14231-14235 (2010).
  12. Lu, X., Clarke, M. L., Li, D., Wang, X., Chen, Z. A Sum Frequency Generation Vibrational Study of the Interference Effect in Poly(n-butyl methacrylate) Thin Films Sandwiched between Silica and Water. Journal of Physical Chemistry C. 115, 13759-13767 (2011).
  13. Lu, X., et al. Directly Probing Molecular Ordering at the Buried Polymer/Metal Interface 2: Using P-Polarized Input Beams. Macromolecules. 45, 6087-6094 (2012).
  14. Lu, X., Myers, J. N., Chen, Z. Molecular Ordering of Phenyl Groups at the Buried Polystyrene/Metal Interface. Langmuir. 30, 9418-9422 (2014).
  15. Li, B., Lu, X., Ma, Y., Han, X., Chen, Z. Method to Probe Glass Transition Temperatures of Polymer Thin Films. ACS Macro Letters. 4, 548-551 (2015).
  16. Li, X., Deng, G., Ma, L., Lu, X. Interchain Overlap Affects Formation of Silk Fibroin Secondary Structure on Hydrophobic Polystyrene Surface Detected via Achiral/Chiral Sum Frequency Generation. Langmuir. 34, 9453-9459 (2018).
  17. Kai, S., Li, X., Li, B., Han, X., Lu, X. Calcium-dependent hydrolysis of supported planar lipids was triggered by honey bee venom phospholipase A2 with the right orientation at the interface. Physical Chemistry Chemical Physics. 20, 63-67 (2018).
  18. Wang, J., Buck, S., Chen, Z. Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Studies on Protein Adsorption. Journal of Physical Chemistry B. 106, 11666-11672 (2002).
  19. Wang, J., et al. Detection of Amide I Signals of Interfacial Proteins in Situ Using SFG. Journal of American Chemical Society. 125, 9914-9915 (2003).
  20. Nguyen, K. T., et al. Probing the Spontaneous Membrane Insertion of a Tall-Anchored Membrane Protein by Sum Frequency Generation Spectroscopy. Journal of American Chemistry Society. 132, 15112-15115 (2010).
  21. Li, X., Ma, L., Lu, X. Calcium Ions Affect Water Molecular Structures Surrounding an Oligonucleotide Duplex as Revealed by Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy. Langmuir. , (2018).
  22. Sartenaer, Y., et al. Sum-frequency generation spectroscopy of DNA monolayers. Biosensors & Bioelectronics. 22, 2179-2183 (2007).
  23. Asanuma, H., Noguchi, H., Uosaki, K., Yu, H. Metal Cation-induced Deformation of DNA Self-Assembled Monolayers on Silicon: Vibrational Sum Frequency Generation Spectroscopy. Journal of American Chemistry Society. 130, 8016-8022 (2008).
  24. Howell, C., Schmidt, R., Kurz, V., Koelsch, P. Sum-frequency-generation spectroscopy of DNA films in air and aqueous environments. Biointerphases. 3 (3), FC47 (2008).
  25. Walter, S. R., Geiger, F. M. DNA on Stage: Showcasing Oligonucleotides at Surfaces and Interfaces with Second Harmonic and Vibrational Sum Frequency Generation. Journal of Physical Chemistry Letters. 1, 9-15 (2010).
  26. Li, Z., Weeraman, C., Azam, M. S., Osman, E., Gibbs-Davis, J. The thermal reorganization of DNA immobilized at the silica/buffer interface: a vibrational sum frequency generation investigation. Physical Chemistry Chemical Physics. 17, 12452-12457 (2015).
  27. Lambert, A. G., Neivandt, D. J., Briggs, A. M., Usadi, E. W., Davies, P. B. Interference Effects in Sum Frequency Spectra from Monolayers on Composite Dielectric/Metal Substrates. Journal of Physical Chemistry B. 106, 5461-5469 (2002).
  28. Tong, Y., et al. Interference effects in the sum frequency generation spectra of thin organic films. I. Theoretical modeling and simulation. Journal of Chemical Physics. 133, 034704 (2010).
  29. McGall, S. J., Davies, P. B., Neivandt, D. J. Interference Effects in Sum Frequency Vibrational Spectra of Thin Polymer Films: An Experimental and Modeling Investigation. Journal of Physical Chemistry B. 108, 16030-16039 (2004).
  30. Li, B., et al. Interfacial Fresnel Coefficients and Molecular Structures of Model Cell Membranes: From a Lipid Monolayer to a Lipid Bilayer. Journal of Physical Chemistry C. 118, 28631-28639 (2014).
  31. Zhou, J., Anim-Danso, E., Zhang, Y., Zhou, Y., Dhinojwala, A. Interfacial Water at Polyurethane-Sapphire Interface. Langmuir. 31 (45), 12401-12407 (2015).
  32. Gautam, K. S., et al. Molecular Structure of Polystyrene at Air/Polymer and Solid/Polymer Interfaces. Physical Review Letters. 85 (18), 3854-3857 (2000).
  33. Yan, E. Y., Fu, L., Wang, Z., Liu, W. Biological Macromolecules at Interfaces Probed by Chiral Vibrational Sum Frequency Generation Spectroscopy. Chemical Reviews. 114, 8471-8498 (2014).
  34. Belkin, M. A., Kulakov, T. A., Ernst, K. H., Yan, L., Shen, Y. R. Sum-Frequency Vibrational Spectroscopy on Chiral Liquids: A Novel Technique to Probe Molecular Chirality. Physical Review Letters. 85, 4474 (2000).
  35. Rockwood, D. N., et al. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nature Protocols. 6, 1612-1631 (2011).

Tags

Sum Frequency GenerationVibrational SpectroscopyInterfacial StructuresPolymersBiomacromoleculesFresnel CoefficientSolid-liquid InterfaceFilm PreparationPHEMA

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image