和频产生（SFG）振动光谱被广泛应用，有助于揭示聚合物和生物大分子界面处发生的链构象有序性及二级结构变化。
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本文内容
摘要
摘要
作为一种二阶非线性光学光谱技术，和频生成（SFG）振动光谱已广泛应用于各类表面和界面的研究。这种非侵入性光学技术能够以单分子层甚至亚单分子层的灵敏度提供局部分子水平的信息。本文介绍了如何选择性地检测大分子及生物大分子中埋藏界面的实验方法。基于此，讨论了丝素蛋白的界面二级结构以及围绕模型短链寡核苷酸双螺旋的水结构。前者表现出链间重叠或空间限域效应，后者则因水的手性脊状超结构而对Ca2+离子具有保护作用。
引言
和频生成（SFG）振动光谱技术的发展可追溯到三十年前沈等人的工作1,2。其独特的界面选择性和亚单分子层灵敏度，使SFG振动光谱受到物理学、化学、生物学和材料科学等领域众多研究人员的青睐3,4,5。目前，SFG被广泛用于研究与表面和界面相关的多种科学问题，特别是涉及聚合物和生物大分子的复杂界面，例如埋藏聚合物界面处的链结构与结构弛豫、蛋白质二级结构以及界面水结构9,10,11,12,13,14,15,16,17,<....
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方案
1. SFG 实验
- 使用商用皮秒和频生成（SFG）系统（材料表），该系统基于 Nd:YAG 激光器，提供脉宽约为 20 ps、频率为 50 Hz 的 1064 nm 基频光束。
- 利用二次和三次谐波模块将 1064 nm 基频光束分别转换为 532 nm 光束和 355 nm 光束。将 532 nm 光束直接引导作为可见光输入光束，并通过光参量产生（OPG）/光参量放大（OPA）/差频产生（DFG）过程生成另一束覆盖 1000 至 4000 cm-1 频率范围的中红外（IR）输入光束。
- 将两束输入光的入射角分别设置为 53°（红外光）和 64°（可见光），相对于表面法线方向。
- 为检测聚合物界面结构（包括薄膜/基底界面或薄膜/其他介质界面），采用 ssp（和频信号为 s 偏振，可见光为 s 偏振，红外光为 p 偏振）和 ppp 偏振组合。
- 为检测界面蛋白质二级结构及 DNA 周围的水结构，除 ssp 和 ppp 外，还需采用手性敏感的 spp 和 psp 偏振组合。
- 为确保样品不受损伤，将红外光和可见光的脉冲能量分别控制在约 70 和约 30 μJ。带有能级图的 SFG 过程示意图见图 1。图 2展示了我们....
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结果
在协议部分的菲涅耳系数内容中，我们已经表明，从理论上讲，可以实现仅在某一时刻选择性地检测单一界面。在此，通过实验我们证实了该方法基本正确，如图5和图6所示。
图5展示了水侵入后埋藏界面处约150 nm厚PHEMA水凝胶薄膜的结构，图6展示了水中表面处约430 nm厚PHEMA水凝胶薄膜的结构。两个图中的图A和图B分别对应CH和CO谱段。在埋藏界面处，所有观察到的振动峰均尖锐且清晰。其原因是CaF2基底表面光滑，且PHEMA分子无法渗入，从而形成了清晰的CaF2/PHEMA界面。然而，在表面处，由于水分子可与PHEMA相互作用并扩散至其本体内部，PHEMA/水界面不如埋藏界面清晰。因此，这两个界面呈现出不同的光谱特征。
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讨论
为了从分子层面研究结构信息，和频光谱（SFG）具有其固有的优势（即对单层或亚单层的高灵敏度以及对界面的选择性），可用于研究多种界面，如固/固、固/液、固/气、液/气和液/液界面。尽管设备维护和光学对准仍较为耗时，但其所带来的回报是显著的，因为可以获得表面和界面处详细的分子水平信息。
溶液中聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯）表面与埋藏界面的研究：如上所述，光场系数可以进行调节。我们可以通过实验验证这一点。在与基底的埋藏界面处，由于氟化钙（CaF2）基底表面光滑且无法被PHEMA分子渗透，该界面非常清晰。然而，在与水接触的表面界面处，水分子能够与PHEMA分子相互作用并扩散至其本体内部，因此该界面较为模糊，不如埋藏界面清晰。因此，这两个界面会呈现出不同的和频振动光谱（SFG）谱图特征。我们的实验SFG数据确实证实了这一点，表明该技术具备选择性探测埋藏界面（与基底之间）或溶液中表面界面的能力。
链间相互作用或限域效应对丝素蛋白二级结构形成的影响：一个关键因素是临界重叠浓度（C*）。.......
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
本研究得到国家重点基础研究发展计划（2017YFA0700500）和国家自然科学基金（21574020）的支持。同时感谢中央高校基本科研业务费专项资金、江苏省高校优势学科建设工程（PAPD）项目以及国家级生物医学工程实验教学示范中心（东南大学）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷脂酰胆碱（DPPC） | Avanti Polar Lipids, Inc. | 850355P-1g | |
| 无水乙醇 | 国药集团化学试剂有限公司 | 100092680 | ≥99.7% |
| CaF2 棱镜 | 成都雅诗光电有限公司 | ||
| 无水氯化钙 | 国药集团化学试剂有限公司 | 10005817 | ≥96.0% |
| 氘代DPPC（d-DPPC） | Avanti Polar Lipids, Inc. | 860345P-100mg | |
| 电磁炉 | 浙江苏泊尔有限公司 | C21-SDHCB37 | |
| 朗缪尔-布洛杰特槽（Langmuir-Blodgett, LB） | KSV NIMA Co., Ltd. | KN 2003 | |
| 无水溴化锂 | 国药集团化学试剂有限公司 | 20056926 | |
| Milli-Q 综合系统 | 默克密理博 | 超纯水 | |
| 等离子清洗机 | 成都明恒科技&有限公司 | PDC-MG | 氧气等离子清洗 |
| 聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯）（PHEMA） | Sigma-Aldrich 公司 | 192066 安全数据表 | Mw = 300 000 |
| 聚苯乙烯 | Sigma-Aldrich 公司 | 330345 MSDS | Mw = 48 kDa，Mn = 47 kDa |
| 蚕茧 | 来自家蚕（Bombyx mori） | ||
| 单条寡核苷酸互补链 | 南京金斯瑞生物科技有限公司 | H03596 | 5'-CGAAGGCTTCCAGCT-3' |
| 单链寡核苷酸 | 南京金斯瑞生物科技有限公司 | H04936 | 3¢-末端由胆固醇-三乙二醇（Chol-TEG）（5¢-GCTTCCGAAGGTCGA-3¢) |
| 无水碳酸钠 | 国药集团化学试剂有限公司 | 10019260 | ≥99.8% |
| 旋涂仪 | 中国科学院微电子研究所 | KW-4A | 用于聚合物薄膜的制备 |
| 台阶轮廓仪 | Veeco | DEKTAK 150 | 用于薄膜厚度的测量 |
| 和频产生（SFG）振动光谱系统 | EKSPLA | 商用飞秒SFG系统 |
参考文献
- Shen, Y. R. Optical Second Harmonic Generation at Interfaces. Annual Review of Physical Chemistry. 40, 327-350 (1989).
- Shen, Y. R. Surface properties probed by second-harmonic and sum-frequency generation. Nature. 337, 519-525 (1989).
- Lu, X....
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重印与许可
