通过相频生成振动光谱揭示聚合物和生物大分子的界面分子级结构

摘要

综合利用,总频率生成(SFG)振动光谱有助于揭示聚合物和生物大分子界面发生的链构体顺序和二次结构变化。

摘要

作为二阶非线性光学光谱,相和频率生成(SFG)振动光谱已广泛应用于研究各种表面和界面。这种非侵入性光学技术可以提供具有单层或亚单层灵敏度的局部分子级信息。我们在这里提供了如何选择性地检测大分子和生物大分子的埋藏界面的实验方法。并在此基础上讨论了丝纤维素的界面二级结构以及模型短链寡核苷酸双相周围的水结构。前者显示链条重叠或空间约束效应,后者显示保护功能,防止由水的性脊柱上部结构产生的Ca²⁺离子。

引言

总频率生成(SFG)振动光谱的发展可以追溯到沈等人30年前1、2年^{所做的工作。}界面选择性和亚单层灵敏度的独特性使SFG振动光谱学受到物理学、化学、生物学和材料科学等领域大量研究人员的赞赏,^{3,4 , 5.}目前,使用SFG正在研究与表面和界面相关的广泛科学问题,特别是与聚合物和生物大分子相关的复杂界面,如链结构和结构松弛。埋藏聚合物界面,蛋白质二级结构,和界面水结构9,10,11,12,13,14, ^15,16,17,

方案

1. SFG实验

1. 使用商用皮秒 SFG 系统 (材料表),它基于 Nd:YAG 激光提供脉冲宽度为 ±20 ps 和 50 Hz 频率的基本 1064 nm 光束。
2. 通过使用第二和第三谐波模块,将基本 1064 nm 光束转换为 532 nm 光束和 355 nm 光束。直接引导 532 nm 光束作为输入光束,并通过光学参数生成 (OPG)/光学参数放大 (OPA)生成其他输入中红外 (IR) 光束,覆盖频率范围从 1000 到 4000 厘米^-1)差频生成 (DFG) 过程。
3. 将两个输入光束的入射角度分别设置为 53° (IR) 和 64°(可见),与曲面法线相对应。
4. 要检测聚合物界面结构(薄膜/基板界面或薄膜/其他介质界面),请使用sp(s极化和频率光束、s极化可见光束和p极化红外光束)和ppp极化组合。
5. 为了检测DNA周围的界面蛋白二级结构和水结构,除了ssp和ppp外,还使用了手性spp和psp极化组合。
6. 为确保样品不损坏,将红外和可见脉冲能量分别控制在+70和+30 mJ。图1显示了具有能量水平图的SFG过程原理图。图 2显示了洁净室中的 SFG 系统。

结果

在协议部分的菲涅尔系数部分,我们已经表明,从理论上讲,一次只选择性地检测一个接口是可行的。在这里,实验,我们确认这种方法基本上是正确的,如图5和图6所示。

图5显示了水侵入后埋藏的界面PHEMA结构,带有+150 nm PHEMA水凝胶膜,图6显示了水中表面结构与±430 nm PHEMA水凝胶膜。面板 A 和 B 分别对应于这两个数字的 CH 和 CO 范围。在埋藏的界面上,所有观察到的振动峰都是尖锐而清晰的。原因是CaF₂基板光滑,不能被PHEMA分子穿透,导致尖锐的CaF 2/PHEMA接口。然而,在表面上,由于水分子可以与PHEMA相互作用并扩散到体积中,PHEMA/水界面不会像埋藏的界面那样锋利。因此,观察到这两个接口的不同光谱轮廓。

讨论

为了从分子水平上研究结构信息,SFG 具有其固有的优势(即单层或亚单层灵敏度和界面选择性),可用于研究各种接口,如固体/固体、固体/液体、固体/气体、液体/气体、液体/液体接口。尽管设备维护和光学校准仍然耗时,但回报显著,因为可以在表面和接口上获得详细的分子级信息。

探测聚物(2-羟基乙二甲酸酯)溶液中的表面和埋藏界面:如上文所示,可以调整光场系数。我们可以用实验来证实这一点。在与基板的埋藏界面上,由于CaF₂基板表面光滑且不能被PHEMA分子穿透,因此该接口非常锐利。然而,在与水的表面,水分子可以与PHEMA分子相互作用,并扩散到体积。因此,这个界面是模糊的,而不是像埋藏的那么锋利。因此,将观察到这两个接口的不同SFG光谱剖面。我们的实验性SFG数据确实证明了这一点,表明能够有选择地探测与基板或溶液表面的埋藏接口。

链间相互作用或约束对丝纤维素二次结构的形成的影响:一个关键因素是关键重叠浓度(C#)。对于 SF,C# 为 ±1.8 mg/mL。在实验中,对于[90 m.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱 （DPPC）	Avanti Polar Lipids， Inc. 公司	850355P-1g
无水乙醇	药化学试剂有限公司	100092680	≥99.7%
CaF2棱镜	成都亚斯光电有限公司
水氯化钙	药化学试剂有限公司	10005817	≥96.0%
氘代 DPPC （d-DPPC）	Avanti Polar Lipids， Inc.	860345P-100mg
电磁炉	Zhejiang Supor Co.， Ltd	C21-SDHCB37
Langmuir-Blodgett （LB） 槽	KSV NIMA Co.， Ltd.	KN 2003
溴化锂无水	药化学试剂有限公司	20056926
Milli-Q合成系统 Millipore			超纯水
等离子清洗剂	成都明恒科技股份有限公司Technology Co.， Ltd	PDC-MG	氧气等离子清洗
聚（2-羟乙基甲基丙烯酸酯） （PHEMA）	Sigma-Aldrich Co.， LLC.	192066 MSDS	Mw = 300 000
聚苯乙烯	Sigma-Aldrich Co.， LLC。	330345 MSDS	Mw = 48 kDa 和 Mn = 47 kDa
家蚚	蚕茧
核苷酸的单互补链	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	胆固醇-三甘醇 （Chol-TEG） 修饰的 3¢ ;末端 （5¢-GCTTCCGAAGGTCGA-3¢）
碳酸钠无水	国药化学试剂有限公司	10019260	≥99.8%
中国科学院微电子研究所	KW-4A	涂机	塑料薄膜的制备
台阶轮廓仪	Veeco	DEKTAK 150	用于测量薄膜厚度
和频产生 （SFG） 振动光谱系统	EKSPLA		A 商用皮秒 SFG 系统