Method Article

サム周波数生成振動分光法で明らかになったポリマーと生体マクロ分子の界面分子レベル構造

DOI:

10.3791/59380

⸱

August 13th, 2019

 ,  , 
1State Key Laboratory of Bioelectronics, School of Biological Science & Medical Engineering, Southeast University

In This Article

Summary

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サム周波数生成(SFG)振動分光法は、ポリマーおよび生体高分子界面で起こっている鎖立体構造の順序と二次構造変化を明らかにするのに役立ちます。

Abstract

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第2次非線形光分光法として、合計周波数発生(SFG)振動分光法は、様々な表面や界面の調査に広く用いられてきた。この非侵襲的な光学技術は、単層またはサブ単層感度を有する局所的な分子レベル情報を提供することができる。ここでは、高分子と生体高分子の両方の埋もれた界面を選択的に検出する方法に関する実験的方法論を提供する。これを念頭に置いて、モデル短鎖オリゴヌクレオチド二重の周りのシルクフィブロインおよび水構造の界面二次構造について議論する。前者は連鎖的な重なりまたは空間的な閉じ込め効果を示し、後者は水のキラル脊柱上部構造に起因するCa2+イオンに対する保護機能を示す。

Introduction

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合計周波数生成(SFG)振動分光法の開発は、30年前のShen et al. 1,2.界面選択性とサブ単層感度の独自性により、物理学、化学、生物学、材料科学などの分野で多数の研究者がSFG振動分光法を評価3、4 、5.現在、SFGを用いて表面や界面に関する幅広い科学的問題が調査されており、特に、鎖構造や構造緩和など、ポリマーや生体高分子に関する複雑な界面に関しては、埋め埋めポリマー界面、タンパク質二次構造、および界面水構造9、10、11、12、13、14、 15,16,

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Protocol

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1. SFG実験

  1. Nd:YAGレーザーに基づいて、約20psのパルス幅と50 Hzの周波数を持つ基本的な1064 nmビームを提供する市販のピコ秒SFGシステム(材料の表)を使用してください。
  2. 2 番目と 3 番目の高調波モジュールを使用して、基本 1064 nm ビームを 532 nm ビームと 355 nm ビームに変換します。入力光線として532nmビームを直接導き、光学パラメトリック生成(OPG)/光パラメトリック増幅(OPA)/を介して1000から4000 cm-1までの周波数範囲をカバーする他の入力中赤外線(IR)ビームを生成します。差周波数生成(DFG)プロセス。
  3. 2 つの入力ビームの入射角度をそれぞれ 53° (IR) と 64° (可視) に設定します。
  4. ポリマー界面構造(フィルム/基板界面またはフィルム/その他の媒体界面)を検出するには、ssp(s偏光サム周波数ビーム、S偏光可視ビーム、p偏光赤外線ビーム)とppp偏光の組み合わせを使用します。
  5. DNAを取り巻く界面タンパク質二次構造および水構造を検出するために、sspおよびpppに加えて、キラルスップとpsp偏光の組み合わせを使用した。
  6. サンプルが損傷していないことを確認するには、赤外線および可視パルスエネルギーをそれぞれ~70mJと~30 mJに制御し....

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Results

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プロトコルセクションのフレネル係数部分では、理論的には、一度に1つのインタフェースのみを選択的に検出することが可能であることを示しました。ここでは、図5および図 6に示すように、この方法論が基本的に正しいことを実験的に確認しました。

図5は、約150nm PHEMAヒドロゲルフィルムを用いた水侵入後の埋め込み界面PHEMA構造を示し、図6は、約430nm PHEMAヒドロゲルフィルムを用いた水中の表面構造を示す。パネル A とパネル B は、両方の図の CH 範囲と CO 範囲にそれぞれ対応します。埋設された界面では、観測された振動ピークはすべてシャープで明確です。その理由は、CaF2基板が滑らかでPHEMA分子に浸透できず、鋭いCaF2/PHEMA界面に導くからである。しかし、表面では、水分子がPHE.......

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Discussion

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分子レベルから構造情報を調べるために、SFGには固有の利点(モノレイヤーまたはサブ単層感度および界面選択性)があり、固体/固体、固体などの様々な界面を研究するために適用することができます。液体、固体/気体、液体/気体、液体/液体界面。機器のメンテナンスと光学アライメントは依然として時間がかかりますが、表面や界面の詳細な分子レベル情報を得ることができるという意味で、その見返りは大きくなります。

プローブポリ(2-ヒドロキセチルメタクリレート)表面および埋め込み界面 :上記で示したように、光界係数は調整可能です。実験的に確認できます。基板との埋め埋め面では、CaF2基板表面が滑らかでPHEMA分子に浸透できないため、この界面はシャープなインターフェースである。しかし、水と水の表面では、水分子はPHEMA分子と相互作用し、バルクに拡散することができます。したがって、このインターフェイスはぼやけていて、埋もれたインターフェイスほどシャープではありません。したがって、これら 2 つのインターフェイスでは異なる SFG スペクトル プロファイルが観察され.......

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Disclosures

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何も開示することはない

Acknowledgements

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この研究は、中国基礎研究のための国家キー開発プログラム(2017YFA0700500)と中国国家自然科学財団(21574020)によって支援されました。江蘇省高等教育機関(PAPD)の優先学術プログラム開発と国立実験生物医学工学実証センターが資金を提供する中央大学の基礎研究基金教育(東南大学)も高く評価されました。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1,2-ジパルミトイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン(DPPC) Avanti Polar Lipids, Inc. (アバンティ ポーラー リピッズ インク)850355P-1g
無水エタノールSinopharm化学試薬Co.、株式会社100092680≥99.7%
CaF2プリズム成都YaSiオプトエレクトロニクス株式会社
塩化カルシウム無水Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd10005817≥96.0%
重水素化DPPC(d-DPPC)Avanti Polar Lipids, Inc.860345P-100mg
電磁オーブン浙江Supor Co.、LtdC21-SDHCB37
Langmuir-Blodgett(LB)トラフKSV NIMA Co.、Ltd.KN 2003
臭化リチウム無水Sinopharm化学試薬Co.、株式会社20056926
Milli-Q合成システムMillipore超純水
プラズマクリーナー成都Mingheng科学&テクノロジー株式会社PDC-MG酸素プラズマクリーニング
ポリ(2-ヒドロキシエチルメタクリレート) (PHEMA)Sigma-Aldrich Co., LLC.192066 MSDSMW = 300 000
ポリスチレンSigma-Aldrich Co., LLC.330345 MSDSMw = 48 kDaおよびMn = 47 kDa
絹の繭Bombyx mori
ゴヌクレオチドの単一の相補的な鎖南京Genscriptバイオテクノロジー株式会社。H035965'-CGAAGGCTTCCAGCT-3'
オリゴヌクレオチドの一本鎖南京ジェンスクリプトバイオテクノロジー株式会社H04936 3.末端はコレステロール-トリエチレングリコール(Chol-TEG)によって修飾されます(5.c.-GCTTCCGAAGGTCGA-3¢)
炭酸ナトリウム無水Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd10019260≥99.8%
中国科学院マイクロエレクトロニクス研究所コーターKW-4Aプロイマーフィルムの準備用 
ステッププロファイラーVeecoDEKTAK 150膜厚の測定用
和周波数発生(SFG)振動分光法システムEKSPLA商用ピコ秒SFGシステム
のからオリスピン

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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....

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Sum Frequency GenerationVibrational SpectroscopyInterfacial SelectivityFresnel CoefficientPHEMA Film PreparationSilk Fibroin SolutionOligonucleotide DuplexChiral Water SignalsCalcium Ion ProtectionLangmuir Blodgett Trough

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