手性相敏和频光谱研究蛋白质吸附的分子机制

Protein adsorption is a crucial process in many cross-disciplinary areas such as bio-medicine, bio-materials and bio-engineering. However, monitoring conformational changes of proteins at interfaces has long been a bottleneck in protein adsorption process. This project aims to observe in situ and in real-time the protein orientations and structures at interfaces by developing the chiral phase-sensitive sum frequency generation (Chiral-PS-SFG), for which we take the advantage of the Chiral SFG in probing protein structures at interfaces and the Heterodyne-Detected SFG for signal amplification and phase sensitivity. Using bovine serum albumin (BSA) and bovine fibrinogen (BFG) as the model proteins, protein adsorption onto silica surface will be studied. By changing solution properties (temperature, pH, ion concentration, etc.), surface properties (modified by polymer film or metallized film), and even protein properties (modified at protein domain), the conformational changes and dynamics of adsorbed proteins at interfaces will be probed directly. Then the relationship of protein structures, adsorption characteristics and protein-surface interactions at the molecular level will be investigated, in order to understand, predict, control, manipulate or resist protein adsorption, based on monitoring, This study not only gives a novel method to investigate the conformational changes of adsorbed proteins at interfaces, but also provides a guide to the design of biocompatible materials or biosensor.

蛋白质吸附是生物医学、生物材料和生物工程等交叉学科的关键科学问题。其中，蛋白质吸附过程中的构象动态变化，一直是实验检测的瓶颈所在。本项目结合手性和频光谱解析界面蛋白质结构的独特能力和光外差探测技术增幅相敏的优势，发展新型的手性相敏和频光谱(Chiral-PS-SFG)，从而实现原位实时测量界面蛋白质取向和结构。选择牛血清白蛋白(BSA)和牛纤维蛋白原(BFg)为模型蛋白质，通过改变外界因素(温度、PH值、离子浓度等)，表面特性(镀高分子膜、镀金属膜)，乃至蛋白质本身的性质(结构域修饰)，观察蛋白质在熔融石英玻璃表面上的取向和结构的动态变化及规律，在分子层面上考察蛋白质结构-吸附特性-相互作用之间的关系，以期能够理解、控制并利用或阻抗蛋白质在界面上的吸附。该研究不仅为动态检测蛋白质吸附的构象变化提供了一种新的思路和方法，而且可以为设计生物相容材料和生物传感器等提供实验基础和理论依据。

本项目发展了一种新型的共线式相敏和频光谱，该系统基于光外差探测，可以直接获取被测样品界面分子的相位信息，这是传统SFG系统不能做到的。通过将可见光、红外光和样品产生的SFG信号途经同样的光学元件，保证它们之间的光程差不会随光学元件位置的平移和抖动而改变，且样品产生的SFG与本振光（LO）的延时固定。从而巧妙的解决了相位漂移的难题。.目前集合手性多见于贵金属纳米颗粒等可以产生等离子效应的体系中，但是非贵金属体系还没有发现。课题组合成了一种CdS/CdTe，采用手性和频光谱，在实验上观察到了来源于半胱氨酸诱导的纳米粒子超结构集合手性。借助和频光谱的界面特异性和手性响应，研究了纳米颗粒界面上半胱氨酸的取向和半胱氨酸对纳米颗粒的手性诱导效应，从而澄清了纳米粒子超结构的手性来源。.采用手性相敏和频光谱，直接观察了香芹酮的表面手性信号。借助于这种手段，我们可以直观清晰地从光谱虚部中观察到对映异构体的手性基团，也充分证明了相敏和频光谱在界面手性探测中的优势及可行性。.采用相敏和频光谱，在离子液体溶液界面研究中探测了纯水、KCl溶液、离子液体[EMIM][BF4]及其溶液的气液界面，以及这些样品覆盖有带正电荷油膜的界面。通过对光谱的定性分析，我们可以借助水分子OH键的构型进一步推测溶液、离子液体及离子液体溶液的界面结构。.本项目提出了一种时频分辨二维和频光谱，可以直接从时频分辨二维和频光谱上提取分子响应的频率、相位和动力学信息。研究了脉冲相位调制对不同分子响应函数所产生的时频分辨二维和频光谱的时频特性。通过调制脉冲相位，可以增加包含有效信息的信号在时域的持续时间，放大谱峰之间的相位差异。其中，对于窄带分子响应线型，无论是单峰还是多峰分子响应，相位调制的时频分辨二维和频光谱中具有明显的频率与相位特征。