絲素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜熱處理紅外光譜研究

李 堃，趙俊麗，張建軍，馬 禹

（東華大學(xué)， 上海 201620）

絲素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜熱處理紅外光譜研究

李 堃，趙俊麗，張建軍，馬 禹

（東華大學(xué)， 上海 201620）

近些年，人們開始對絲素蛋白-氧化石墨烯這一體系進行了研究，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯可以大大提高絲素蛋白的力學(xué)性能。在本實驗中，利用顯微紅外對絲素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜的熱處理過程進行了在線研究。通過對絲素蛋白酰胺I區(qū)的分峰擬合，分析了熱處理前后純絲素蛋白薄膜和含有10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜中絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，初步解釋了共混薄膜中氧化石墨烯和熱處理對絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響。

絲素蛋白；氧化石墨烯；紅外光譜

蠶絲由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、可調(diào)控多級結(jié)構(gòu)和生物相容性廣泛運用于藥物緩釋、生物支架和再生組織等各個領(lǐng)域[1-3]。蠶絲之所以擁有如此優(yōu)異的性能，主要是由于其特殊的結(jié)構(gòu)。蠶絲由絲素和絲膠組成，其中絲素是人們最常使用的部分。絲素蛋白的二級結(jié)構(gòu)主要由silk I和silk II組成。silk I主要由無規(guī)線團（random coil）和α-螺旋（α-helix）組成，silk II由β-折疊（β-sheet）組成[4]。因為GAGAGS氨基酸重復(fù)序列組成的β-折疊可以結(jié)晶[5]，并以反極反平行方式排列[6]，所以絲素蛋白擁有很好的力學(xué)性能和耐生物降解性，也因此增加了對絲素蛋白纖維改性的難度。絲素蛋白的改性一般是先將絲素蛋白纖維溶解再進行功能化，但是這一做法會降低絲素蛋白的力學(xué)強度。

帶有大量含氧官能團的氧化石墨烯由于其單層結(jié)構(gòu)、親水性、官能團可修飾性、比表面積高、力學(xué)性能出色等優(yōu)點被廣泛運用于材料增強[7-9]。目前，人們已經(jīng)開始研究絲素蛋白-氧化石墨烯這一復(fù)合體系[10-13]，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯可以提高絲素蛋白的力學(xué)強度，但是氧化石墨烯對絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)影響鮮有研究。在各種表征方法中，通過解析紅外光譜來了解絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)變化是最簡單有效的。誘導(dǎo)絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)變化的方法有很多，例如熱處理、溶劑溶脹、施加應(yīng)力等[14-16]。熱處理是工業(yè)上最為簡單和成熟的方法，便于改性絲素蛋白納米復(fù)合材料的大規(guī)模制備。因此我們利用顯微紅外對絲素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜熱處理過程中絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)變化進行了在線研究。

1 實驗方法

將濃度均為 0.1%(wt)的絲素蛋白水溶液和氧化石墨烯分散液按9:1的比例混合并攪拌3 min，其中氧化石墨烯分散液預(yù)先調(diào)節(jié)至 10～11。將混合液澆鑄在聚苯乙烯培養(yǎng)皿上，放入真空烘箱中干燥四天，得到共混薄膜樣品。將樣品置于200 °C熱臺上，用ThermoFisher公司的iN10傅立葉顯微紅外光譜儀進行在線測試2 h。掃描次數(shù)為64，分辨率為4 cm-1，掃描區(qū)域為150 μm×150 μm。

2 結(jié)果與討論

絲素蛋白紅外光譜酰胺I區(qū)（1 600～1 700 cm-1）和酰胺II區(qū)（1 500～1 600 cm-1）常被用來解析絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)。通過分峰擬合可以將酰胺I區(qū)分為1 627 cm-1處的β-折疊，1 655 cm-1處的無規(guī)線團，1 664 cm-1處的α-螺旋以及 1 688 cm-1處的β-折疊[14,17-20]。圖1是純絲素蛋白薄膜和含有10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜在線紅外光譜圖。我們可以看出無論是純絲素蛋白薄膜還是共混薄膜，絲素蛋白紅外光譜都發(fā)生了明顯變化。

圖1 純絲素蛋白薄膜（A）和含10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜（B）在線紅外光譜圖Fig.1 The in-suit FTIR sprctra of the pure silk fibroin film (A) and the silk fibroin blending film containing 10% graphene oxide (B)

從圖1(A)可以看到酰胺I區(qū)絲素蛋白峰位發(fā)生了顯著的位移，由1 655 cm-1處位移到1 664 cm-1處，這說明絲素蛋白silk I結(jié)構(gòu)由以無規(guī)線團為主變?yōu)橐驭?螺旋為主。此外，還出現(xiàn)了位于1 627 cm-1處的β-折疊。在含有 10%氧化石墨烯的共混薄膜中（圖1(B)），我們發(fā)現(xiàn)剛開始時絲素蛋白就含有一定含量的β-折疊并且在熱處理過程中絲素蛋白達到平衡狀態(tài)的時間要比純絲素蛋白薄膜要快得多，這很有可能是因為氧化石墨烯表面大量的含氧官能團可以誘導(dǎo)絲素蛋白鏈段形成有序排列并且在熱的作用下大大加快鏈段運動的能力和遷移速率。

為了進一步了解氧化石墨烯對絲素蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響，我們對絲素蛋白酰胺I區(qū)進行分峰擬合，如圖2所示。我們發(fā)現(xiàn)熱處理之前，含有10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜1 627 20 cm-1處β-折疊含量要比純絲素蛋白高4.8%，1 655 cm-1處無規(guī)線團含量要低 3.4%，1 664 cm-1處α-螺旋含量要低1%。這說明共混薄膜中10%的氧化石墨烯有利于提高1 627 cm-1處β-折疊含量。純絲素蛋白薄膜熱處理之后，1 627 cm-1處β-折疊含量提高了11.8%，1 655 cm-1處無規(guī)線團含量下降了29.6%，1 664 cm-1處β-螺旋含量上升了18.7%。這說明熱處理可以促進無規(guī)線團向α-螺旋的轉(zhuǎn)變以及α-螺旋向β-折疊的轉(zhuǎn)變，從而提高了絲素蛋白中β-折疊含量。含有10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜熱處理之后，1 627 cm-1處β-折疊含量提高了14.7%，1 655 cm-1處無規(guī)線團含量下降了23.8%，1 664 cm-1處β-螺旋含量上升了9.6%。與純絲素蛋白薄膜相比，熱處理2 h后，含有10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜 1 627 cm-1處β-折疊含量較高且1 664 cm-1處α-螺旋含量較低。此外，含有10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜熱處理之后，1 627 cm-1處β-折疊含量提高量較大且1 664 cm-1處α-螺旋含量提高量較小。這說明了在熱處理過程中，10%的氧化石墨烯有利于提高絲素蛋白α-螺旋向β-折疊轉(zhuǎn)變的程度。

圖2 純絲素蛋白熱處理2 h前（A）、后（B）和含有10%氧化石墨烯絲素蛋白共混薄膜熱處理2 h前（C）、后（D）的酰胺I區(qū)的分峰擬合。Fig.2 Decomposition of Amide I of the pure silk fibroin film before (A) and after (B) heat treatment and the silk fibroin blending film containing 10% graphene oxide before (C) and after (D) heat treatment.

3 結(jié)束語

純絲素蛋白和含有10%氧化石墨烯的絲素蛋白共混薄膜經(jīng)熱處理之后，都有利于無規(guī)線團構(gòu)象向α-螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)變以及α-螺旋構(gòu)象向β-折疊轉(zhuǎn)變。由于10%氧化石墨烯的存在，在熱處理之前，絲素蛋白就有一定含量的β-折疊。并且在熱處理過程中，更有利于α-螺旋構(gòu)象向β-折疊轉(zhuǎn)變。

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表4 正交試驗結(jié)果Table 4 Result of experiments orthogonal based on design

由表4的正交試驗可知，改變不同的工藝條件，用氫氧化鉀作為催化劑生產(chǎn)的 AEO-9產(chǎn)品具有較好的恒溫穩(wěn)定性能。用相同的正交試驗，用氫氧化鈉作為催化劑生產(chǎn)的AEO-9產(chǎn)品在恒定溫度60 ℃條件下加熱24 h，外觀渾濁，有絮狀物析出。

3 結(jié) 論

（1）實驗結(jié)果證實， Pressindustria(PI) 工藝第二代乙氧基化技術(shù)，采用不同種類的催化劑生產(chǎn)的不同規(guī)格的AEO產(chǎn)品，恒溫穩(wěn)定性現(xiàn)象不同；

（2）采用氫氧化鉀作為催化劑生產(chǎn)的聚乙氧基化脂肪醇（AEO-9）產(chǎn)品較以氫氧化鈉作為催化劑有較好的恒溫?zé)岱€(wěn)定性能；

（3）固定催化劑種類（氫氧化鈉或氫氧化鉀），通過改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)物料配比、反應(yīng)速率等工藝條件合成AEO-9產(chǎn)品，對AEO-9產(chǎn)品恒溫穩(wěn)定性無明顯影響。

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Study on Structure Variation of Silk Fibroin-Graphene Oxide Composite Film During Heat Treatment by FTIR

LI Kun，ZHAO Jun-li，ZHANG Jian-jun，MA Yu
（Donghua University, Shanghai 201620, China）

Recently, silk fibroin-graphene oxide composites were studied, which showed that graphene oxide can improve mechanical properties of silk fibroin greatly. In this research, Fourier transform infrared microspectroscopy was used for in-suit examination of the heat treatment process of the silk fibroin-graphene oxide composite film. Secondary structures of the pure silk fibroin film and the silk fibroin-graphene oxide composite film containing 10% graphene oxide before and after the heat treatment were analyzed. Effect of graphene oxide and heat treatment on secondary structures of silk fibroin was discussed.

Silk fibroin; Graphene oxide; FTIR

TQ 321

A

1671-0460（2015）08-1769-00

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金，項目號：2232014D3-30。

2015-02-03

堃李 （1990-），男，江蘇南京人，碩士，2015年畢業(yè)于東華大學(xué)材料物理化學(xué)，研究方向：絲素蛋白自組裝過程。E-mail：likunedward@163.com。

馬禹（1981-），男，副教授，博士，研究方向：高分子體系的多級結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)過程；先進纖維及低維材料的成型和功能化。E-mail：yma@dhu.edu.cn。