The structure of protein and peptide at interfaces plays a crucial role in various biological processes and technological advancements. Understanding these structures is critical for diagnosing diseases, drug delivery, and developing biomaterials. However, the complexity of these systems and limitations in analytical tools have hindered the in-depth exploration. Despite significant efforts in determining protein structures using advanced techniques like X-ray crystallography and cryo-electron microscopy, the understanding of surface-bound protein structures in real conditions remains relatively limited, posing a current challenge in this field. Vibrational sum frequency generation (SFG) spectroscopy has been developed as a versatile method for elucidating molecular structures of proteins across interfaces. This review is intended to introduce the basic principle of SFG spectroscopy, discuss its current advancements in phase measurement, and showcase recent examples (2021–2023) illustrating SFG’s ability in revealing the molecular structure of peptides and proteins at interfaces. This concise review aims to establish a foundation for future studies and applications exploring different types of peptides and proteins at interfaces using SFG.
REFERENCES
[1]
C. L.
Ji
, J. Y.
Wei
, L.
Zhang
, X. R.
Hou
, J.
Tan
, Q.
Yuan
, and W. H.
Tan
, Chem. Rev.
123
, 12471
(2023
).[2]
M.
Merkx
, ACS Sens.
1
, 1280
(2016
).[3]
H. T.
Kratochvil
, L. C.
Watkins
, M.
Mravic
, J. L.
Thomaston
, J. M.
Nicoludis
, N. H.
Somberg
, L. J.
Liu
, M.
Hong
, G. A.
Voth
, and W. F.
DeGrado
, Nat. Chem.
15
1012
(2023
).[4]
G.
Di Conza
, P. C.
Ho
, J. R.
Cubillos-Ruiz
, and S. C. C.
Huang
, Nat. Rev. Immunol.
23
, 546
(2023
).[5]
S. L.
Lovelock
, R.
Crawshaw
, S.
Basler
, C.
Levy
, D.
Baker
, D.
Hilvert
, and A. P.
Green
, Nature
606
49
(2022
).[6]
C.
Akkawi
, J.
Feuillard
, F. L.
Diaz
, K.
Belkhir
, N.
Godefroy
, J. M.
Peloponese
, M.
Mougel
, and S.
Laine
, Retrovirology
20
, 16
(2023
).[7]
M. S.
Nawaz
, P.
Fournier-Viger
, Y. L.
He
, and Q.
Zhang
, Comput. Biol. Med.
158
106814
(2023
).[8]
D. J.
Reid
, S.
Thibert
, and M. W.
Zhou
, Protein Sei.
32
, e4612
(2023
).[9]
S. G.
Ramalli
, A. J.
Miles
, R. W.
Janes
, and B. A.
Wallace
, J. Mol. Biol.
434
, 167441
(2022
).[10]
T.
Seeholzer
, D.
Tarau
, L.
Hollendonner
, A.
Auer
, R.
Rachel
, D.
Grohmann
, F. J.
Giessibl
, and A. J.
Weymouth
, J. Phys. Chem. B
127
6949
(2023
).[11]
H.
Ma
, S.
Yan
, X. Y.
Lu
, Y. F.
Bao
, J.
Liu
, L. X.
Liao
, K.
Dai
, M. F.
Cao
, X. J.
Zhao
, H.
Yan
, H. L.
Wang
, X. H.
Peng
, N. Y.
Chen
, H. S.
Feng
, L. L.
Zhu
, G. B.
Yao
, C. H.
Fan
, D. Y.
Wu
, B. J.
Wang
, X.
Wang
, and B.
Ren
, Sei. Adv.
9
, eadh8362
(2023
).[12]
F. T.
Tanouye
, J. R.
Alves
, F.
Spinozzi
, and R.
Itri
, Int. J. Biol.
Macromol.
248
, 125869
(2023
).[13]
A. A.
Hargett
, A. M.
Marcella
, H. F.
Yu
, C.
Li
, J.
Orwenyo
, M. D.
Battistel
, L. X.
Wang
, and D. I.
Freedberg
, Molecules
26
4308
(2021
).[14]
N.
Giri
, R. S.
Roy
, and J. L.
Cheng
, Curr. Opin. Struc.
Biol.
79
102536
(2023
).[15]
Z.
Chen
, Biointerphases
17
031202
(2022
).[16]
H. X.
Hao
, Q.
Xie
, J. W.
Ai
, Y.
Wang
, and H. T.
Bian
, Phys. Chem. Chem.
Phys.
22
, 10106
(2020
).[17]
Z. G.
Wang
, L.
Fu
, G.
Ma
, and E. C. Y.
Yan
, Langmuir
31
11384
(2015
).[18]
S. J.
Roeters
, K.
Strunge
, K. B.
Pedersen
, T. W.
Golbek
, M.
Bregnhoj
, Y. G.
Zhang
, Y.
Wang
, M. D.
Dong
, J.
Nielsen
, D. E.
Otzen
, B.
Schiøtt
, and T.
Weidner
, Nat. Commun.
14
5731
(2023
).[19]
L. J.
Yang
, W. K.
Zhang
, H. T.
Bian
, and G.
Ma
, Biointerphases.
17
051201
(2022
).[20]
E. C. Y.
Yan
, L.
Fu
, Z. G.
Wang
, and W.
Liu
, Chem. Rev.
114
8471
(2014
).[21]
E. C. Y.
Yan
, E. A.
Perets
, D.
Konstantinovsky
, and S.
Hammes-Schiffer
, Acc. Chem.
Res.
56
1494
(2023
).[22]
B.
Ding
, J.
Jasensky
, Y. X.
Li
, and Z.
Chen
, Acc. Chem. Res.
49
, 1149
(2016
).[23]
S. J.
Ye
, K. T.
Nguyen
, S. V.
Le Clair
, and Z.
Chen
, J. Struct. Biol.
168
61
(2009
).[24]
S.
Hosseinpour
, S. J.
Roeters
, M.
Bonn
, W.
Peukert
, S.
Woutersen
, and T.
Weidner
, Chem. Rev.
120
3420
(2020
).[25]
T.
Weidner
and D. G.
Castner
, Annu. Rev. Anal.
Chem.
14
, 389
(2021
).[26]
D.
Konstantinovsky
, E. A.
Perets
, T.
Santiago
, K.
Olesen
, Z. J.
Wang
, A. V.
Soudackov
, E. C. Y.
Yan
, and S.
Hammes-Schiffer
, J. Phys. Chem.
B
127
, 2418
(2023
).[27]
J.
Lee
, A. M.
Chaves
, J.
Choi
, A. W.
Roberts
, and S. H.
Kim
, Cellulose
30
, 8395
(2023
).[28]
C.
Wang
, C. X.
Hou
, J. Y.
Pu
, S. Y.
Li
, S. A.
Luo
, X. F.
Han
, and X. L.
Lu
, Langmuir
39
, 9875
(2023
).[29]
J. P.
Gao
, P.
Stengel
, T. Y.
Lu
, Y. C.
Wu
, D. D.
Hawker
, K. E.
Gutowski
, J. M.
Hankett
, M.
Kellermeier
, and Z.
Chen
, Langmuir
39
, 12270
(2023
).[30]
M.
Fomich
, V. P.
Día
, U. I.
Premadasa
, B.
Doughty
, H. B.
Krishnan
, and T.
Wang
, J. Agric. Food Chem.
71
, 11587
(2023
).[31]
T.
Guckeisen
, S.
Hosseinpour
, and W.
Peukert
, J. Colloid Interf.
Sei.
590
, 38
(2021
).[32]
P.
Gahtori
, V.
Gunwant
, and R.
Pandey
, Chem. Phys.
Impact.
7
, 100314
(2023
).[33]
S.
Chaudhary
, H.
Kaur
, H.
Kaur
, and K. C.
Jena
, Appl. Phys. Lett.
123
, 033703
(2023
).[34]
K.
Strunge
, T.
Burgin
, T. W.
Golbek
, S. J.
Roeters
, J.
Pfaendtner
, and T.
Weidner
, J. Phys. Chem.
Lett.
14
, 11030
(2023
).[35]
P.
Yang
, W.
Guo
, A.
Ramamoorthy
, and Z.
Chen
, Langmuir
39
, 5352
(2023
).[36]
E. A.
Perets
, K. B.
Olesen
, and E. C. Y.
Yan
, Langmuir
38
, 5765
(2022
).[37]
D.
Konstantinovsky
, E. A.
Perets
, T.
Santiago
, L.
Velarde
, S.
Hammes-Schiffer
, and E. C. Y.
Yan
, ACS Cent. Sei.
8
, 1404
(2022
).[38]
H.
Rozak
, S.
Nihonyanagi
, A.
Myalitsin
, S.
Roy
, M.
Ahmed
, T.
Tahara
, and I. I.
Rzeznicka
, J. Phys. Chem.
B
127
, 4406
(2023
).[39]
W.
Guo
, X. Q.
Zou
, H. J.
Jiang
, K. J.
Koebke
, M.
Hoarau
, R.
Crisci
, T. Y.
Lu
, T.
Wei
, E. N. G.
Marsh
, and Z.
Chen
, J. Phys. Chem. B
125
, 7706
(2021
).[40]
T. W.
Golbek
, S. C.
Otto
, S. J.
Roeters
, T.
Weidner
, C. P.
Johnson
, and J. E.
Baio
, J. Phys. Chem. B
125
, 148
(2021
).[41]
S.
Chaudhary
, H.
Kaur
, H.
Kaur
, B.
Rana
, D.
Tomar
, and K. C.
Jena
, Appl. Spectrosc.
75
, 1497
(2021
).[42]
Y.
Zhao
, L.
Liang
, Y. R.
Li
, K. T. T.
Hien
, G.
Mizutani
, and H. N.
Rutt
, Spectrochim. Acta Part
A
263
, 120161
(2021
).[43]
T. Y.
Lu
, W.
Guo
, P. M.
Datar
, Y.
Xin
, E. N. G.
Marsh
, and Z.
Chen
, Chem. Sei.
13
, 975
(2022
).[44]
S. J.
Roeters
, T. W.
Golbek
, M.
Bregnhøj
, T.
Drace
, S.
Alamdari
, W.
Roseboom
, G.
Kramer
, T.
Šantl-Temkiv
, K.
Finster
, J.
Pfaendtner
, S.
Woutersen
, T.
Boesen
, and T.
Weidner
, Nat. Commun.
12
, 1183
(2021
).[45]
S. J.
Wang
, W. H.
Sun
, S. X.
Guo
, X. Y.
Liu
, and X. F.
Han
, Langmuir
37
, 4441
(2021
).[46]
A. G.
Lambert
, P. B.
Davies
, and D. J.
Neivandt
, Appl. Spectrosc.
Rev.
40
, 103
(2005
).[47]
Y. R.
Shen
, Fundamentals of Sum-Frequency Spectroscopy,
Cambridge
: Cambridge University
Press
, (2016
).[48]
X. H.
Hu
, F.
Wei
, H.
Wang
, and H. F.
Wang
, J. Phys. Chem. C
123
, 15071
(2019
).[49]
R. R.
Feng
, Y.
Guo
, and H. F.
Wang
, J. Chem. Phys.
141
, 18C507
(2014
).[50]
L.
Velarde
, X. Y.
Zhang
, Z.
Lu
, A. G.
Joly
, Z. M.
Wang
, and H. F.
Wang
, J. Chem. Phys.
135
, 241102
(2011
).[51]
Y. R.
Shen
, Annu. Rev. Phys.
Chem.
64
, 129
(2013
).[52]
V.
Ostroverkhov
, G. A.
Waychunas
, and Y. R.
Shen
, Phys. Rev. Lett.
94
, 046102
(2005
).[53]
N.
Ji
, V.
Ostroverkhov
, C. Y.
Chen
, and Y. R.
Shen
, J. Am. Chem. Soc.
129
, 10056
(2007
).[54]
R.
Superfine
, J. Y.
Huang
, and Y. R.
Shen
, Opt. Lett.
15
, 1276
(1990
).[55]
S. M.
Sun
, C. S.
Tian
, and Y. R.
Shen
, Proc. Natl. Acad. Sci.
USA
112
, 5883
(2015
).[56]
S.
Yamaguchi
, H.
Watanabe
, S. K.
Mondai
, A.
Kundu
, and T.
Tahara
, J. Chem. Phys.
135
, 194705
(2011
).[57]
A.
Kundu
, S.
Yamaguchi
, and T.
Tahara
, J. Phys. Chem. B
127
, 5445
(2023
).[58]
K.
Matsuzaki
, S.
Yamaguchi
, and T.
Tahara
, J. Chem. Phys.
159
, 224708
(2023
).[59]
S.
Nihonyanagi
, S.
Yamaguchi
, and T.
Tahara
, Chem. Rev.
117
, 10665
(2017
).[60]
H. F.
Wang
, Prog. Surf. Sci.
91
, 155
(2016
).[61]
Y.
Han
, V.
Raghunathan
, R. R.
Feng
, H.
Maekawa
, C. Y.
Chung
, Y.
Feng
, E. O.
Potma
, and N. H.
Ge
, J. Phys. Chem. B
117
, 6149
(2013
).[62]
K. A.
Henzler-Wildman
, M.
Lei
, V.
Thai
, S. J.
Kerns
, M.
Karplus
, and D.
Kern
, Nature
450
, 913
(2007
).[63]
K. I.
Inoue
, S.
Nihonyanagi
, P. C.
Singh
, S.
Yamaguchi
, and T.
Tahara
, J. Chem. Phys.
142
, 212431
(2015
).[64]
J. A.
McGuire
and Y. R.
Shen
, Science
313
, 1945
(2006
).[65]
J. E.
Laaser
, D. R.
Skoff
, J. J.
Ho
, Y.
Joo
, A. L.
Serrano
, J. D.
Steinkruger
, P.
Gopalan
, S. H.
Gellman
, and M. T.
Zanni
, J. Am. Chem. Soc.
136
, 956
(2014
).[66]
R. F.
Yuan
and M. D.
Fayer
, J. Phys. Chem. B
123
, 7628
(2019
).[67]
W.
Xiong
, J. E.
Laaser
, R. D.
Mehlenbacher
, and M. T.
Zanni
, Proc. Natl. Acad. Sci.
USA
108
, 20902
(2011
).[68]
J. J.
Tan
, B. X.
Zhang
, Y.
Luo
, and S. J.
Ye
, Angew. Chem. Int. Ed.
56
, 12977
(2017
).[69]
J. J.
Tan
, J. H.
Zhang
, C. Z.
Li
, Y.
Luo
, and S. J.
Ye
, Nat. Commun.
10
, 1010
(2019
).[70]
B. X.
Zhang
, J. J.
Tan
, C. Z.
Li
, J. H.
Zhang
, and S. J.
Ye
, Langmuir
34
, 7554
(2018
).[71]
A.
Momotake
, T.
Mizuguchi
, M.
Hishida
, Y.
Yamamoto
, M.
Yasui
, and M.
Nuriya
, Colloids Surf. B
186
, 110716
(2020
).[72]
C. M.
Lee
, K.
Rafie
, S. X.
Huang
, and S. H.
Kim
, J. Phys. Chem. B
120
, 102
(2016
).[73]
F. Y.
Yang
and S.
Baldelli
, J. Phys. Chem. B
126
, 5637
(2022
).[74]
J. M.
Cao
, A. A.
Liu
, S. Y.
Yang
, X. X.
Peng
, and H. F.
Wang
, J. Phys. Chem. C
127
, 14013
(2023
).[75]
Z.
Chen
, R.
Ward
, Y.
Tian
, F.
Malizia
, D. H.
Gracias
, Y. R.
Shen
, and G. A.
Somorjai
, J. Biomed. Mater.
Res.
62
, 254
(2002
).[76]
K.
Engelhardt
, W.
Peukert
, and B.
Braunschweig
, Curr. Opin. Colloid
Interface Sci.
19
, 207
(2014
).[77]
P.
Gahtori
, A.
Mishra
, S. R.
Varanasi
, and R.
Pandey
, J. Phys. Chem. B
127
, 4072
(2023
).[78]
Y.
Zou
, Y. Y.
Li
, W. Y.
Hao
, X. Q.
Hu
, and G.
Ma
, J. Phys. Chem. B
117
, 4003
(2013
).[79]
M.
Makarem
, D.
Sawada
, H. M.
O’Neill
, C. M.
Lee
, K.
Rafle
, Y. B.
Park
, A.
Mittal
, and S. H.
Kim
, J. Phys. Chem. C
121
, 10249
(2017
).[80]
J. J.
Ho
, A.
Ghosh
, T. O.
Zhang
, and M. T.
Zanni
, J. Phys. Chem. A
122
, 1270
(2018
).[81]
J.
Wang
, X. Y.
Chen
, M. L.
Clarke
, and Z.
Chen
, Proc. Natl. Acad. Sci.
USA
102
, 4978
(2005
).[82]
X. H.
Hu
, L.
Fu
, J.
Hou
, Y. N.
Zhang
, Z.
Zhang
, and H. F.
Wang
, J. Phys. Chem. Lett.
11
, 1282
(2020
).
This content is only available via PDF.
© 2024 Chinese Physical Society.
2024
Chinese Physical Society
You do not currently have access to this content.
