蜘蛛絲和桑蠶絲三級紅外光譜研究

武玉潔，趙英淋，殷俊榮，張 瑩 ，封卓帆 ，辛 暢 ，肖 霄 ，于宏偉

（1.河北一品制藥股份有限公司，河北 石家莊 052165；2.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

蜘蛛絲是一種天然動物纖維.在力學(xué)強(qiáng)度方面，蜘蛛絲與強(qiáng)度最高的碳纖維及高強(qiáng)度合成纖維等強(qiáng)度相接近，但它的韌性明顯優(yōu)于上述幾種纖維.因此，蜘蛛絲在國防軍事[1]、體育科學(xué)[2，3]、生命科學(xué)[4]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.蜘蛛絲的優(yōu)異理化性能與其特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān).紅外光譜法廣泛應(yīng)用在天然纖維的結(jié)構(gòu)研究方面[5-11]，但蜘蛛絲的研究卻少見報道.本研究以蜘蛛絲為研究對象，而以桑蠶絲作為對比研究對象[12，13]，分別開展了蜘蛛絲和桑蠶絲的三級紅外光譜的研究，包括：紅外（IR）光譜、變溫紅外（TD-IR）光譜和二維紅外（2D-IR）光譜，為天然動物纖維的應(yīng)用及改性研究提供了有益的科學(xué)借鑒.

1 材料與方法

1.1 材料

大腹園蛛生絲，生桑蠶絲.

1.2 儀器及操作方法

傅里葉中紅外光譜儀（Spectrum 100型號，美國PE公司）；單次內(nèi)反射ATR-FTIR附件（Golden Gate型號，英國Specac公司）；ATR-FTIR變溫控件（WEST 6100+型號，英國Specac公司）.

紅外光譜實(shí)驗(yàn)以空氣為背景，每次對信號進(jìn)行8次掃描累加；測溫范圍303~393 K（變溫步長10 K）.

1.3 IR光譜數(shù)據(jù)獲得及圖形處理

IR光譜采用Spectrum v 6.3.5軟件；2D-IR光譜的數(shù)據(jù)獲得采用TD Version 4.2軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 蜘蛛絲和桑蠶絲的IR光譜研究

2.1.1 蜘蛛絲的IR光譜研究

開展了蜘蛛絲的一維IR光譜研究，見圖1（a）.根據(jù)文獻(xiàn)[14]報道3 282 cm-1處的吸收峰是蜘蛛絲NH和OH的伸縮振動組合模式（νNH-spidersilk+νOH-spidersilk）；2 921 cm-1處的吸收峰是蜘蛛絲CH2不對稱伸縮振動模式（νasCH2-spidersilk）；2 852 cm-1處的吸收峰是蜘蛛絲 CH2對稱伸縮振動模式（νsCH2-spidersilk）；1 627 cm-1處的吸收峰是蜘蛛絲酰胺Ⅰ帶吸收模式（νamide-Ⅰ-spidersilk）；1 516 cm-1處的吸收峰是蜘蛛絲酰胺Ⅱ帶吸收模式（νamide-Ⅱ-spidersilk），而1 236 cm-1處的吸收峰是蜘蛛絲酰胺Ⅲ帶吸收模式（νamide-Ⅲ-spidersilk）.進(jìn)一步研究了蜘蛛絲的二階導(dǎo)數(shù)IR光譜，見圖1（b），發(fā)現(xiàn)其譜圖分辨能力有了一定提高.其中蜘蛛絲νamide-Ⅰ-spidersilk對應(yīng)的吸收頻率包括：1 660 cm-1（νamide-Ⅰ-spider silk-1），1649cm-1（νamide-Ⅰ-spider silk-2），1632cm-1（νamide-Ⅰ-spider silk-3）和1624cm-1（νamide-Ⅰ-spider silk-4）；蜘蛛絲νamide-Ⅱ-spider silk對應(yīng)的吸收頻率包括：1539cm-1（νamide-Ⅱ-spidersilk-1），1529cm-1（νamide-Ⅱ-spidersilk-2）和1513cm-1（νamide-Ⅱ-spidersilk-3）；而1235cm-1處的吸收峰歸屬于酰胺Ⅲ帶吸收模式（νamide-Ⅲ-spidersilk），相關(guān)光譜信息見表1.

2.1.2 桑蠶絲的IR光譜研究

圖1 蜘蛛絲IR光譜（313 K）

表1 蜘蛛絲和桑蠶絲IR光譜數(shù)據(jù)（313 K）cm-1

圖2 桑蠶絲IR光譜（313 K）

首先開展了桑蠶絲的一維IR光譜研究，如圖2（a）所示.根據(jù)文獻(xiàn)[14]的報道，3 277 cm-1處的吸收峰是νNH-mulberrysilk+νOH-mulberrysilk；1621cm-1處的吸收峰是 νamide-Ⅰ-mulberrysilk；1514cm-1處的吸收峰是 νamide-Ⅱ-mulberrysilk，而 1230cm-1處的吸收峰是νamide-Ⅲ-mulberrysilk.進(jìn)一步研究了桑蠶絲的二階導(dǎo)數(shù)IR光譜，如圖2（b）所示，發(fā)現(xiàn)其譜圖分辨能力有了一定的提高.其中，桑蠶絲νamide-Ⅰ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率包括：1 660 cm-1（νamide-Ⅰ-mulberrysilk-1），1 649 cm-1（νamide-Ⅰ-mulberrysilk-2），1 633 cm-1（νamide-Ⅰ-mulberrysilk-3）和1 618 cm-1（νamide-Ⅰ-mulberrysilk-4）；而桑蠶絲νamide-Ⅱ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率包括：1 540 cm-1（νamide-Ⅱ-mulberrysilk-1）和1 513 cm-1（νamide-Ⅱ-mulberrysilk-2），相關(guān)IR光譜信息見表1.

由表1數(shù)據(jù)可知，蜘蛛絲νasCH2和νsCH2對應(yīng)的吸收強(qiáng)度較大，則證明蜘蛛絲中烴類及其衍生物的含量高于相應(yīng)的桑蠶絲.此外，蜘蛛絲和桑蠶絲νamide-Ⅰ，νamide-Ⅱ和νamide-Ⅲ對應(yīng)的吸收頻率有較大的差異.這主要是因?yàn)?，盡管桑蠶絲和蜘蛛絲的主要化學(xué)組成基本相同（均為蛋白質(zhì)），但蛋白質(zhì)的種類及排列方式存在著較大的差異.

2.2 蜘蛛絲和桑蠶絲的TD-IR光譜研究

蜘蛛絲和桑蠶絲的主要吸收頻率集中在3 600~2 800 cm-1，1 700~1 500 cm-1，1 250~1200 cm-13個頻率區(qū)間，因此分別在這3個區(qū)間開展了桑蠶絲和蜘蛛絲的TD-IR光譜研究，來進(jìn)一步研究溫度變化對于桑蠶絲和蜘蛛絲分子結(jié)構(gòu)的影響.

2.2.1 3 600~2 800 cm-1頻率范圍內(nèi)蜘蛛絲和桑蠶絲的TD-IR光譜研究

2.2.1.1 3 600~2 800 cm-1頻率范圍內(nèi)蜘蛛絲TD-IR光譜研究

開展了蜘蛛絲的一維TD-IR光譜研究，見圖3（a），實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，蜘蛛絲νNH-spidersilk+νOH-spidersilk，νasCH2-spidersilk和νsCH2-spidersilk對應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加，而相應(yīng)吸收頻率出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象.進(jìn)一步開展了蜘蛛絲的二階導(dǎo)數(shù)TD-IR 光譜研究，見圖3（b），研究發(fā)現(xiàn)，隨著測定溫度的升高，蜘蛛絲νNH-spidersilk+νOH-spidersilk，νasCH2-spidersilk和νsCH2-spidersilk對應(yīng)吸收頻率出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象.蜘蛛絲νNH-spidersilk+νOH-spidersilk對應(yīng)吸收強(qiáng)度增加，而蜘蛛絲νasCH2-spidersilk和νsCH2-spidersilk對應(yīng)吸收強(qiáng)度降低（表2）.

圖 3 3 600～2 800 cm-1范圍內(nèi)蜘蛛絲TD-IR 光譜（313～393 K）

表2 蜘蛛絲TD-IR光譜數(shù)據(jù)（313～393 K）cm-1

2.2.1.2 3 600~2 800 cm-1頻率范圍內(nèi)桑蠶絲的TD-IR光譜研究

首先開展了桑蠶絲的一維TD-IR光譜研究，如圖4（a）所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，桑蠶絲νNH-mulberrysilk+νOH-mulberrysilk對應(yīng)的吸收強(qiáng)度和頻率并沒有發(fā)生明顯的改變.進(jìn)一步開展了桑蠶絲的二階導(dǎo)數(shù)TDIR光譜研究，見圖4（b），并沒有得到有價值的光譜信息（表3）.

2.2.2 1 700~1 500 cm-1頻率范圍內(nèi)蜘蛛絲和桑蠶絲的TD-IR光譜研究

2.2.2.1 1 700~1 500 cm-1頻率范圍內(nèi)蜘蛛絲TD-IR光譜研究

圖 4 3 600～2 800 cm-1范圍內(nèi)桑蠶絲TD-IR光譜（313～393 K）

表3 桑蠶絲TD-IR光譜數(shù)據(jù)（313～393 K）cm-1

圖5 1 700～1 500 cm-1范圍內(nèi)蜘蛛絲TD-IR 光譜（303～393 K）

開展了蜘蛛絲的一維TD-IR光譜研究，見圖5（a）.研究發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，蜘蛛絲νamide-Ⅰ-spidersilk和νamide-Ⅱ-spidersilk對應(yīng)的吸收頻率沒有明顯變化，而相應(yīng)的吸收強(qiáng)度略有增加.進(jìn)一步研究了蜘蛛絲的二階導(dǎo)數(shù)TD-IR光譜，見圖5（b），則得到了同樣的光譜信息（表2）.

2.2.2.2 1 700~1 500 cm-1頻率范圍內(nèi)桑蠶絲的TD-IR光譜研究

首先開展了桑蠶絲的一維TD-IR光譜研究，如圖6（a）所示.研究發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，桑蠶絲νamide-Ⅰ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，而νamide-Ⅱ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象.隨著測定溫度的升高，桑蠶絲νamide-Ⅰ-mulberrysilk和νamide-Ⅱ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加.進(jìn)一步研究了桑蠶絲的二階導(dǎo)數(shù)TD-IR 光譜研究，見圖 6（b），隨著測定溫度的升高，桑蠶絲 νamide-Ⅰ-mulberrysilk-4和 νamide-Ⅱ-mulberrysilk-2對應(yīng)的吸收頻率出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象.顯然桑蠶絲的νamide-Ⅰ-mulberrysilk-4和νamide-Ⅱ-mulberrysilk-2對于溫度變化非常敏感（表3）.

2.2.3 1 250~1 200 cm-1頻率范圍內(nèi)蜘蛛絲和桑蠶絲的TD-IR光譜研究

2.2.3.1 1 250~1 200 cm-1頻率范圍內(nèi)蜘蛛絲的TD-IR光譜研究

開展了蜘蛛絲的一維TD-IR光譜研究，見圖7（a）.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，蜘蛛絲νamide-Ⅲ-spidersilk對應(yīng)的吸收頻率出現(xiàn)了紅移，相應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加.進(jìn)一步研究了蜘蛛絲νamide-Ⅲ-spidersilk相應(yīng)的二階導(dǎo)數(shù)TDIR光譜，見圖7（b），實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)νamide-Ⅲ-spidersilk對應(yīng)的吸收頻率出現(xiàn)了紅移，但相應(yīng)的吸收強(qiáng)度降低（表2）.

圖 6 1 700～1 500 cm-1桑蠶絲 TD-IR 光譜（313～393 K）

圖 7 1 250～1 200 cm-1范圍內(nèi)蜘蛛絲TD-IR光譜（313～393 K）

2.2.3.2 1 250~1 200 cm-1頻率范圍內(nèi)桑蠶絲的TD-IR光譜研究

首先開展了桑蠶絲的一維TD-IR光譜研究，如圖8（a）所示.研究發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，桑蠶絲νamide-Ⅲ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率出現(xiàn)了紅移，相應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加.進(jìn)一步研究了桑蠶絲νamide-Ⅲ-mulberrysilk相應(yīng)的二階導(dǎo)數(shù)TD-IR光譜，如圖8（b）所示，則得到了同樣的光譜信息（表3）.

圖 8 1 250～1 200 cm-1范圍內(nèi)桑蠶絲TD-IR光譜（313～393 K）

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，蜘蛛絲的熱穩(wěn)定較好，隨著測定溫度的升高，蜘蛛絲主要官能團(tuán)對應(yīng)的吸收頻率、強(qiáng)度及峰型均沒有發(fā)生明顯的改變.

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，桑蠶絲的熱穩(wěn)定較差，隨著測定溫度的升高，桑蠶絲νamide-Ⅰ-mulberrysilk和νamide-Ⅱ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率、強(qiáng)度及峰型均發(fā)生了明顯的改變.

2.3 蜘蛛絲和桑蠶絲的2D-IR光譜研究

由于蜘蛛絲和桑蠶絲νamide-Ⅰ對應(yīng)的吸收強(qiáng)度較大，并且對于溫度比較敏感，因此重點(diǎn)開展了蜘蛛絲和桑蠶絲νamide-Ⅰ的2D-IR光譜研究，來進(jìn)一步研究溫度變化對于蜘蛛絲和桑蠶絲蛋白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響.

2.3.1 蜘蛛絲νamide-Ⅰ-spidersilk的2D-IR光譜研究

開展了蜘蛛絲 νamide-Ⅰ-spidersilk的同步 2D-IR 光譜的研究，如圖 9（a）所示. 首先在（1 626 cm-1，1 626 cm-1）和（1 652 cm-1，1 652 cm-1）處發(fā)現(xiàn)了2個相對強(qiáng)度較大的自動峰，此外在（1 626 cm-1，1 652 cm-1）處發(fā)現(xiàn)了 1個相對強(qiáng)度較大的交叉峰.進(jìn)一步開展了蜘蛛絲νamide-Ⅰ-spidersilk的異步2D-IR光譜的研究，如圖9（b）所示.在（1 626 cm-1，1 652 cm-1）處發(fā)現(xiàn)了1個相對強(qiáng)度較大的交叉峰.蜘蛛絲2D-IR光譜則進(jìn)一步證明：蜘蛛絲的νamide-Ⅰ-spidersilk對應(yīng)的吸收頻率包括：1 626 cm-1和 1 652 cm-1. 根據(jù)文獻(xiàn)報道[9，10]，1 626 cm-1頻率的吸收峰歸屬于蛋白質(zhì)β-sheet構(gòu)象，而1 652 cm-1頻率的吸收峰歸屬于蛋白質(zhì)α-helix構(gòu)象，相關(guān)2D-IR光譜信息見表4.

根據(jù)NODA原則[15-19]和表4數(shù)據(jù)可知，隨著測定溫度的升高，蜘蛛絲νamide-Ⅰ-spidersilk吸收峰變化快慢的順序?yàn)椋? 626 cm-1（β-sheet-spider silk）>1 652 cm-1（α-helix-spider silk）.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：蜘蛛絲蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，β-sheetspider silk構(gòu)象結(jié)構(gòu)對于溫度變化比較敏感，隨著溫度的升高，其結(jié)構(gòu)最先改變，而α-helix-spider silk構(gòu)象結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定.

圖 9 蜘蛛絲 νamide-Ⅰ-spider silk的 2D-IR 光譜（1 680～1 610 cm-1）

表 4 蜘蛛絲 νamide-Ⅰ-spider silk的 2D-IR 光譜解釋（1 680～1 610 cm-1）

2.3.2 桑蠶絲νamide-Ⅰ-mulberrysilk的2D-IR光譜研究

開展了桑蠶絲 νamide-Ⅰ-mulberrysilk的同步 2D-IR 光譜研究，見圖 10（a）. 首先在（1 626 cm-1，1 626 cm-1）和（1 658 cm-1，1 658 cm-1）處發(fā)現(xiàn) 2 個相對強(qiáng)度較大的自動峰. 此外在（1 626 cm-1，1 658 cm-1）處發(fā)現(xiàn) 1 個相對強(qiáng)度較大的交叉峰.進(jìn)一步開展桑蠶絲νamide-Ⅰ的異步2D-IR光譜的研究，見圖10（b）.在（1624cm-1，1658cm-1），（1624cm-1，1665cm-1），（1658cm-1，1665cm-1）等處發(fā)現(xiàn)了3個相對強(qiáng)度較大的交叉峰.桑蠶絲2D-IR光譜數(shù)據(jù)證明：桑蠶絲的 νamide-Ⅰ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率包括：1624，1658，1665cm-1.根據(jù)文獻(xiàn)[9，10]的報道，1624cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蛋白質(zhì)β-sheet-mulberry silk構(gòu)象，1 658 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蛋白質(zhì)α-helixmulberry silk構(gòu)象；而1 665 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蛋白質(zhì)random coil-mulberry silk構(gòu)象，相關(guān)2D-IR光譜信息見表5.

根據(jù)NODA原則[15-19]和表5數(shù)據(jù)可知，隨著測定溫度的升高，桑蠶絲νamide-Ⅰ-mulberrysilk吸收峰變化快慢的順序?yàn)椋? 658 cm-1（α-helix-mulberry silk）>1 624 cm-1（β-sheet-mulberry silk）>1 665 cm-1（random coil-mulberry silk）.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：桑蠶絲蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，α-helix-mulberry silk構(gòu)象對于溫度變化比較敏感，隨著溫度的升高，其結(jié)構(gòu)最先改變，而random coil-mulberry silk構(gòu)象結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定.

圖 10 桑蠶絲 νamide-Ⅰ-mulberry silk的 2D-IR 光譜（1 680～1 610 cm-1）

表5 桑蠶絲νamide-Ⅰ的2D-IR光譜解釋（1 680～1 610 cm-1）

3 結(jié)論

首先開展了蜘蛛絲和桑蠶絲的IR光譜研究.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：蜘蛛絲和桑蠶絲存在νNH+νOH，νasCH2，νsCH2，νamide-Ⅰ，νamide-Ⅱ，νamide-Ⅲ等6種紅外吸收模式.在313~393 K的測定溫度范圍內(nèi)，進(jìn)一步開展蜘蛛絲和桑蠶絲的TD-IR光譜研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)桑蠶絲的熱穩(wěn)定較差.以蜘蛛絲和桑蠶絲νamide-Ⅰ為研究對象，進(jìn)一步開展了相關(guān)2D-IR光譜的研究.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：蜘蛛絲的νamide-Ⅰ-spidersilk對應(yīng)的吸收頻率包括：1 626 cm-1（β-sheet-spider silk）和1 652 cm-1（α-helix-spider silk），隨著測定溫度的升高，蜘蛛絲νamide-Ⅰ-spidersilk吸收峰變化快慢的順序?yàn)椋?626 cm-1（β-sheet-spider silk）>1 652 cm-1（α-helix-spider silk）；桑蠶絲 νamide-Ⅰ-mulberrysilk對應(yīng)的吸收頻率包括：1 624 cm-1（β-sheet-mulberry silk），1658cm-1（α-helix-mulberry silk），1 665 cm-1（random coil-mulberry silk）.隨著測定溫度的升高，桑蠶絲 νamide-Ⅰ-mulberrysilk吸收峰變化快慢的順序?yàn)椋? 658 cm-1（α-helix-mulberry silk）>1 624 cm-1（βsheet-mulberry silk）>1665cm-1（random coil-mulberry silk）.