Decoding the molecular water structure at complex interfaces through surface-specific spectroscopy of the water bending mode

文献情報

出版日 2020-04-23
DOI 10.1039/D0CP01269F
インパクトファクター 3.676
著者

Takakazu Seki, Chun-Chieh Yu, Xiaoqing Yu, Tatsuhiko Ohto, Mischa Bonn, Yuki Nagata


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要旨

The structure of interfacial water determines atmospheric chemistry, wetting properties of materials, and protein folding. The challenge of investigating the properties of specific interfacial water molecules has frequently been confronted using surface-specific sum-frequency generation (SFG) vibrational spectroscopy using the O–H stretch mode. While perfectly suited for the water–air interface, for complex interfaces, a potential complication arises from the contribution of hydroxyl or amine groups of non-water species present at the surface, such as surface hydroxyls on minerals, or O–H and N–H groups contained in proteins. Here, we present a protocol to extract the hydrogen bond strength selectively of interfacial water, through the water bending mode. The bending mode vibrational frequency distribution provides a new avenue for unveiling the hydrogen bonding structure of interfacial water at complex aqueous interfaces. We demonstrate this method for the water–CaF2 and water–protein interfaces. For the former, we show that this method can indeed single out water O–H groups from surface hydroxyls, and that with increasing pH, the hydrogen-bonded network of interfacial water strengthens. Furthermore, we unveil enhanced hydrogen bonding of water, compared to bulk water, at the interface with human serum albumin proteins, a prototypical bio-interface.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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