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

Grenseflate molekylær-nivå strukturer av polymerer og Biomacromolecules avdekket via sum frekvens generasjon vibrasjonen spektroskopi

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

Summary

Å være omfattende utnyttet, sum frekvens generering (SFG) vibrasjonsmedisin spektroskopi kan bidra til å avdekke kjeden conformational orden og sekundære strukturelle endringer skjer på polymer og biomacromolecule grensesnitt.

Abstract

Som en andre-ordre ikke-lineær optisk spektroskopi, sum hyppigheten generasjon (SFG) vibrasjonen spektroskopi har vidt blitt anvendt inne etterforske forskjellige overflater og grenseflate. Denne ikke-invasiv optisk teknikk kan gi lokal molekylær-nivå informasjon med monolag eller submonolayer følsomhet. Vi her er å tilby eksperimentell metodikk på hvordan du selektivt oppdage begravet grensesnitt for både makromolekyler og biomacromolecules. Med dette i bakhodet, grenseflate sekundære strukturer av silke fibroin og vann strukturer rundt modellen kort-kjeden oligonukleotid tosidig er diskutert. Den førstnevnte viser en kjede-kjeden overlapping eller romlig fødsel effekt og sistnevnte viser en beskyttelse funksjon mot ca2 + ioner som følge av chiral ryggraden over bygningen av vann.

Introduction

Utvikling av sum frekvens generering (SFG) vibrasjonsmedisin spektroskopi kan dateres tilbake til arbeidet gjort av Shen et al. tretti år siden1,2. Det unike med grenseflate selektivitet og sub-monolag følsomhet gjør SFG vibrasjonen spektroskopi verdsatt av et stort antall forskere innen fysikk, kjemi, biologi og materialer vitenskap, etc3,4 ,5. For tiden er et bredt spekter av vitenskapelige spørsmål knyttet til overflater og grensesnitt blir undersøkt ved hjelp SFG, spesielt for komplekse grensesnitt med hensyn til polymerer og biomacromolecules, slik som kjeden strukturer og strukturelle avslapping på begravet polymer grensesnitt, proteinet sekundære strukturer, og grenseflate vann strukturer9,10,11,12,13,14, 15,16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26.

For polymer overflater og grensesnitt, er tynn-film prøver generelt utarbeidet av Spin-belegg for å oppnå de ønskede overflater eller grensesnitt. Problemet oppstår på grunn av signalforstyrrelser fra de to grensesnittene i som-forberedt filmer, noe som fører til ulempe for å analysere de innsamlede SFG Spectra27,28,29. I de fleste tilfeller, vibrasjonsmedisin signalet bare fra ett enkelt grensesnitt, enten film/substrat eller film/det andre mediet, er ønskelig. Egentlig er løsningen på dette problemet ganske enkelt, nemlig å eksperimentelt maksimere lys feltene på ønskelig grensesnitt og minimere lys feltene på det andre grensesnittet. Derfor må Fresnel koeffisienter eller lokale felt koeffisienter beregnes via den tynne film modellen og bli validert med hensyn til de eksperimentelle resultatene3,9,10,11, 12,13,14,15,30.

Med ovennevnte bakgrunn i tankene, kan noen polymer og biologiske grensesnitt bli undersøkt for å forstå grunnleggende vitenskap fra molekylær nivå. I det følgende, tar tre grenseflate problemer som eksempler: undersøkelser Poly (2-hydroxyethyl akrylat) (PHEMA) overflate og begravet grensesnitt med substrat9, dannelse av silke FIBROIN (SF) sekundære strukturer på POLYSTYREN (PS) overflate og vann konstruksjoner rundt modellen kort-kjeden oligonukleotid duplex16,21, vil vi vise hvordan SFG vibrasjonen spektroskopi bidrar til å avdekke grenseflate molekylær-nivå strukturer i forbindelse med den underliggende vitenskapen.

Protocol

1. SFG eksperimentell Bruk en kommersiell picosecond SFG system (tabell av materialer), som gir en fundamental 1064 NM stråle med en pulsbredde på ~ 20 PS og en frekvens på 50 Hz, basert på en nd: YAG laser. Konverter den fundamentale 1064 NM strålen til en 532 nm stråle og en 355 NM stråle ved hjelp av andre og tredje harmoniske moduler. Direkte guide 532 nm strålen som en input lysstråle og generere andre innspill mid-infrarød (IR) strålen dekker frekvens…

Representative Results

I Fresnel koeffisient del av protokoll seksjon, har vi vist at teoretisk sett er det mulig å selektivt oppdage bare ett enkelt grensesnitt på en gang. Her, eksperimentelt, bekreftet vi at denne metodikken er i utgangspunktet riktig, som vist i figur 5 og figur 6. Figur 5 viser BEGRAVET grenseflate PHEMA struktur etter vann inntrenging med en ~ 150 NM PHEMA hydrogel film og figur 6</…

Discussion

For å undersøke den strukturelle informasjon fra et molekylnivå, har SFG sine iboende fordeler (dvs. monolag eller sub-monolag følsomhet og grenseflate selektivitet), som kan brukes til å studere ulike grensesnitt, for eksempel fast/fast, solid/ væske, fast/gass, væske/gass, væske/væske-grensesnitt. Selv om utstyret vedlikehold og den optiske justeringen er fortsatt tidkrevende, er utbetalingen betydelig i at detaljert molekylær-nivå informasjon på overflater og grensesnitt kan fås.

<p class="jove_conten…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne studien ble støttet av statens nøkkel utviklings program for grunnleggende forskning i Kina (2017YFA0700500) og National Natural Science Foundation i Kina (21574020). Den grunnleggende Research Funds for Central universiteter, et prosjekt finansiert av priority Academic program utvikling av Jiangsu Higher Education institusjoner (PAPD) og National demonstrasjon Center for Experimental Biomedical engineering Utdanning (Southeast University) ble også verdsatt.

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