蜘蛛丝和桑蚕丝三级红外光谱研究

武玉洁，赵英淋，殷俊荣，张 莹 ，封卓帆 ，辛 畅 ，肖 霄 ，于宏伟

（1.河北一品制药股份有限公司，河北 石家庄 052165；2.石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

蜘蛛丝是一种天然动物纤维.在力学强度方面，蜘蛛丝与强度最高的碳纤维及高强度合成纤维等强度相接近，但它的韧性明显优于上述几种纤维.因此，蜘蛛丝在国防军事[1]、体育科学[2，3]、生命科学[4]等领域具有广阔的应用前景.蜘蛛丝的优异理化性能与其特殊的结构有关.红外光谱法广泛应用在天然纤维的结构研究方面[5-11]，但蜘蛛丝的研究却少见报道.本研究以蜘蛛丝为研究对象，而以桑蚕丝作为对比研究对象[12，13]，分别开展了蜘蛛丝和桑蚕丝的三级红外光谱的研究，包括：红外（IR）光谱、变温红外（TD-IR）光谱和二维红外（2D-IR）光谱，为天然动物纤维的应用及改性研究提供了有益的科学借鉴.

1 材料与方法

1.1 材料

大腹园蛛生丝，生桑蚕丝.

1.2 仪器及操作方法

傅里叶中红外光谱仪（Spectrum 100型号，美国PE公司）；单次内反射ATR-FTIR附件（Golden Gate型号，英国Specac公司）；ATR-FTIR变温控件（WEST 6100+型号，英国Specac公司）.

红外光谱实验以空气为背景，每次对信号进行8次扫描累加；测温范围303~393 K（变温步长10 K）.

1.3 IR光谱数据获得及图形处理

IR光谱采用Spectrum v 6.3.5软件；2D-IR光谱的数据获得采用TD Version 4.2软件.

2 结果与讨论

2.1 蜘蛛丝和桑蚕丝的IR光谱研究

2.1.1 蜘蛛丝的IR光谱研究

开展了蜘蛛丝的一维IR光谱研究，见图1（a）.根据文献[14]报道3 282 cm-1处的吸收峰是蜘蛛丝NH和OH的伸缩振动组合模式（νNH-spidersilk+νOH-spidersilk）；2 921 cm-1处的吸收峰是蜘蛛丝CH2不对称伸缩振动模式（νasCH2-spidersilk）；2 852 cm-1处的吸收峰是蜘蛛丝 CH2对称伸缩振动模式（νsCH2-spidersilk）；1 627 cm-1处的吸收峰是蜘蛛丝酰胺Ⅰ带吸收模式（νamide-Ⅰ-spidersilk）；1 516 cm-1处的吸收峰是蜘蛛丝酰胺Ⅱ带吸收模式（νamide-Ⅱ-spidersilk），而1 236 cm-1处的吸收峰是蜘蛛丝酰胺Ⅲ带吸收模式（νamide-Ⅲ-spidersilk）.进一步研究了蜘蛛丝的二阶导数IR光谱，见图1（b），发现其谱图分辨能力有了一定提高.其中蜘蛛丝νamide-Ⅰ-spidersilk对应的吸收频率包括：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）；蜘蛛丝νamide-Ⅱ-spider silk对应的吸收频率包括：1539cm-1（νamide-Ⅱ-spidersilk-1），1529cm-1（νamide-Ⅱ-spidersilk-2）和1513cm-1（νamide-Ⅱ-spidersilk-3）；而1235cm-1处的吸收峰归属于酰胺Ⅲ带吸收模式（νamide-Ⅲ-spidersilk），相关光谱信息见表1.

2.1.2 桑蚕丝的IR光谱研究

图1 蜘蛛丝IR光谱（313 K）

表1 蜘蛛丝和桑蚕丝IR光谱数据（313 K）cm-1

图2 桑蚕丝IR光谱（313 K）

首先开展了桑蚕丝的一维IR光谱研究，如图2（a）所示.根据文献[14]的报道，3 277 cm-1处的吸收峰是νNH-mulberrysilk+νOH-mulberrysilk；1621cm-1处的吸收峰是 νamide-Ⅰ-mulberrysilk；1514cm-1处的吸收峰是 νamide-Ⅱ-mulberrysilk，而 1230cm-1处的吸收峰是νamide-Ⅲ-mulberrysilk.进一步研究了桑蚕丝的二阶导数IR光谱，如图2（b）所示，发现其谱图分辨能力有了一定的提高.其中，桑蚕丝νamide-Ⅰ-mulberrysilk对应的吸收频率包括：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）；而桑蚕丝νamide-Ⅱ-mulberrysilk对应的吸收频率包括：1 540 cm-1（νamide-Ⅱ-mulberrysilk-1）和1 513 cm-1（νamide-Ⅱ-mulberrysilk-2），相关IR光谱信息见表1.

由表1数据可知，蜘蛛丝νasCH2和νsCH2对应的吸收强度较大，则证明蜘蛛丝中烃类及其衍生物的含量高于相应的桑蚕丝.此外，蜘蛛丝和桑蚕丝νamide-Ⅰ，νamide-Ⅱ和νamide-Ⅲ对应的吸收频率有较大的差异.这主要是因为，尽管桑蚕丝和蜘蛛丝的主要化学组成基本相同（均为蛋白质），但蛋白质的种类及排列方式存在着较大的差异.

2.2 蜘蛛丝和桑蚕丝的TD-IR光谱研究

蜘蛛丝和桑蚕丝的主要吸收频率集中在3 600~2 800 cm-1，1 700~1 500 cm-1，1 250~1200 cm-13个频率区间，因此分别在这3个区间开展了桑蚕丝和蜘蛛丝的TD-IR光谱研究，来进一步研究温度变化对于桑蚕丝和蜘蛛丝分子结构的影响.

2.2.1 3 600~2 800 cm-1频率范围内蜘蛛丝和桑蚕丝的TD-IR光谱研究

2.2.1.1 3 600~2 800 cm-1频率范围内蜘蛛丝TD-IR光谱研究

开展了蜘蛛丝的一维TD-IR光谱研究，见图3（a），实验发现：随着测定温度的升高，蜘蛛丝νNH-spidersilk+νOH-spidersilk，νasCH2-spidersilk和νsCH2-spidersilk对应的吸收强度增加，而相应吸收频率出现蓝移现象.进一步开展了蜘蛛丝的二阶导数TD-IR 光谱研究，见图3（b），研究发现，随着测定温度的升高，蜘蛛丝νNH-spidersilk+νOH-spidersilk，νasCH2-spidersilk和νsCH2-spidersilk对应吸收频率出现了明显的蓝移现象.蜘蛛丝νNH-spidersilk+νOH-spidersilk对应吸收强度增加，而蜘蛛丝νasCH2-spidersilk和νsCH2-spidersilk对应吸收强度降低（表2）.

图 3 3 600～2 800 cm-1范围内蜘蛛丝TD-IR 光谱（313～393 K）

表2 蜘蛛丝TD-IR光谱数据（313～393 K）cm-1

2.2.1.2 3 600~2 800 cm-1频率范围内桑蚕丝的TD-IR光谱研究

首先开展了桑蚕丝的一维TD-IR光谱研究，如图4（a）所示，实验发现：随着测定温度的升高，桑蚕丝νNH-mulberrysilk+νOH-mulberrysilk对应的吸收强度和频率并没有发生明显的改变.进一步开展了桑蚕丝的二阶导数TDIR光谱研究，见图4（b），并没有得到有价值的光谱信息（表3）.

2.2.2 1 700~1 500 cm-1频率范围内蜘蛛丝和桑蚕丝的TD-IR光谱研究

2.2.2.1 1 700~1 500 cm-1频率范围内蜘蛛丝TD-IR光谱研究

图 4 3 600～2 800 cm-1范围内桑蚕丝TD-IR光谱（313～393 K）

表3 桑蚕丝TD-IR光谱数据（313～393 K）cm-1

图5 1 700～1 500 cm-1范围内蜘蛛丝TD-IR 光谱（303～393 K）

开展了蜘蛛丝的一维TD-IR光谱研究，见图5（a）.研究发现：随着测定温度的升高，蜘蛛丝νamide-Ⅰ-spidersilk和νamide-Ⅱ-spidersilk对应的吸收频率没有明显变化，而相应的吸收强度略有增加.进一步研究了蜘蛛丝的二阶导数TD-IR光谱，见图5（b），则得到了同样的光谱信息（表2）.

2.2.2.2 1 700~1 500 cm-1频率范围内桑蚕丝的TD-IR光谱研究

首先开展了桑蚕丝的一维TD-IR光谱研究，如图6（a）所示.研究发现：随着测定温度的升高，桑蚕丝νamide-Ⅰ-mulberrysilk对应的吸收频率出现了蓝移现象，而νamide-Ⅱ-mulberrysilk对应的吸收频率出现了红移现象.随着测定温度的升高，桑蚕丝νamide-Ⅰ-mulberrysilk和νamide-Ⅱ-mulberrysilk对应的吸收强度增加.进一步研究了桑蚕丝的二阶导数TD-IR 光谱研究，见图 6（b），随着测定温度的升高，桑蚕丝 νamide-Ⅰ-mulberrysilk-4和 νamide-Ⅱ-mulberrysilk-2对应的吸收频率出现了明显的蓝移现象.显然桑蚕丝的νamide-Ⅰ-mulberrysilk-4和νamide-Ⅱ-mulberrysilk-2对于温度变化非常敏感（表3）.

2.2.3 1 250~1 200 cm-1频率范围内蜘蛛丝和桑蚕丝的TD-IR光谱研究

2.2.3.1 1 250~1 200 cm-1频率范围内蜘蛛丝的TD-IR光谱研究

开展了蜘蛛丝的一维TD-IR光谱研究，见图7（a）.实验发现：随着测定温度的升高，蜘蛛丝νamide-Ⅲ-spidersilk对应的吸收频率出现了红移，相应的吸收强度增加.进一步研究了蜘蛛丝νamide-Ⅲ-spidersilk相应的二阶导数TDIR光谱，见图7（b），实验发现νamide-Ⅲ-spidersilk对应的吸收频率出现了红移，但相应的吸收强度降低（表2）.

图 6 1 700～1 500 cm-1桑蚕丝 TD-IR 光谱（313～393 K）

图 7 1 250～1 200 cm-1范围内蜘蛛丝TD-IR光谱（313～393 K）

2.2.3.2 1 250~1 200 cm-1频率范围内桑蚕丝的TD-IR光谱研究

首先开展了桑蚕丝的一维TD-IR光谱研究，如图8（a）所示.研究发现：随着测定温度的升高，桑蚕丝νamide-Ⅲ-mulberrysilk对应的吸收频率出现了红移，相应的吸收强度增加.进一步研究了桑蚕丝νamide-Ⅲ-mulberrysilk相应的二阶导数TD-IR光谱，如图8（b）所示，则得到了同样的光谱信息（表3）.

图 8 1 250～1 200 cm-1范围内桑蚕丝TD-IR光谱（313～393 K）

根据表2数据可知，蜘蛛丝的热稳定较好，随着测定温度的升高，蜘蛛丝主要官能团对应的吸收频率、强度及峰型均没有发生明显的改变.

根据表3数据可知，桑蚕丝的热稳定较差，随着测定温度的升高，桑蚕丝νamide-Ⅰ-mulberrysilk和νamide-Ⅱ-mulberrysilk对应的吸收频率、强度及峰型均发生了明显的改变.

2.3 蜘蛛丝和桑蚕丝的2D-IR光谱研究

由于蜘蛛丝和桑蚕丝νamide-Ⅰ对应的吸收强度较大，并且对于温度比较敏感，因此重点开展了蜘蛛丝和桑蚕丝νamide-Ⅰ的2D-IR光谱研究，来进一步研究温度变化对于蜘蛛丝和桑蚕丝蛋白质微观结构的影响.

2.3.1 蜘蛛丝νamide-Ⅰ-spidersilk的2D-IR光谱研究

开展了蜘蛛丝 νamide-Ⅰ-spidersilk的同步 2D-IR 光谱的研究，如图 9（a）所示. 首先在（1 626 cm-1，1 626 cm-1）和（1 652 cm-1，1 652 cm-1）处发现了2个相对强度较大的自动峰，此外在（1 626 cm-1，1 652 cm-1）处发现了 1个相对强度较大的交叉峰.进一步开展了蜘蛛丝νamide-Ⅰ-spidersilk的异步2D-IR光谱的研究，如图9（b）所示.在（1 626 cm-1，1 652 cm-1）处发现了1个相对强度较大的交叉峰.蜘蛛丝2D-IR光谱则进一步证明：蜘蛛丝的νamide-Ⅰ-spidersilk对应的吸收频率包括：1 626 cm-1和 1 652 cm-1. 根据文献报道[9，10]，1 626 cm-1频率的吸收峰归属于蛋白质β-sheet构象，而1 652 cm-1频率的吸收峰归属于蛋白质α-helix构象，相关2D-IR光谱信息见表4.

根据NODA原则[15-19]和表4数据可知，随着测定温度的升高，蜘蛛丝νamide-Ⅰ-spidersilk吸收峰变化快慢的顺序为：1 626 cm-1（β-sheet-spider silk）>1 652 cm-1（α-helix-spider silk）.实验发现：蜘蛛丝蛋白质结构中，β-sheetspider silk构象结构对于温度变化比较敏感，随着温度的升高，其结构最先改变，而α-helix-spider silk构象结构相对较为稳定.

图 9 蜘蛛丝 νamide-Ⅰ-spider silk的 2D-IR 光谱（1 680～1 610 cm-1）

表 4 蜘蛛丝 νamide-Ⅰ-spider silk的 2D-IR 光谱解释（1 680～1 610 cm-1）

2.3.2 桑蚕丝νamide-Ⅰ-mulberrysilk的2D-IR光谱研究

开展了桑蚕丝 νamide-Ⅰ-mulberrysilk的同步 2D-IR 光谱研究，见图 10（a）. 首先在（1 626 cm-1，1 626 cm-1）和（1 658 cm-1，1 658 cm-1）处发现 2 个相对强度较大的自动峰. 此外在（1 626 cm-1，1 658 cm-1）处发现 1 个相对强度较大的交叉峰.进一步开展桑蚕丝νamide-Ⅰ的异步2D-IR光谱的研究，见图10（b）.在（1624cm-1，1658cm-1），（1624cm-1，1665cm-1），（1658cm-1，1665cm-1）等处发现了3个相对强度较大的交叉峰.桑蚕丝2D-IR光谱数据证明：桑蚕丝的 νamide-Ⅰ-mulberrysilk对应的吸收频率包括：1624，1658，1665cm-1.根据文献[9，10]的报道，1624cm-1频率处的吸收峰归属于蛋白质β-sheet-mulberry silk构象，1 658 cm-1频率处的吸收峰归属于蛋白质α-helixmulberry silk构象；而1 665 cm-1频率处的吸收峰归属于蛋白质random coil-mulberry silk构象，相关2D-IR光谱信息见表5.

根据NODA原则[15-19]和表5数据可知，随着测定温度的升高，桑蚕丝νamide-Ⅰ-mulberrysilk吸收峰变化快慢的顺序为：1 658 cm-1（α-helix-mulberry silk）>1 624 cm-1（β-sheet-mulberry silk）>1 665 cm-1（random coil-mulberry silk）.实验发现：桑蚕丝蛋白质结构中，α-helix-mulberry silk构象对于温度变化比较敏感，随着温度的升高，其结构最先改变，而random coil-mulberry silk构象结构相对较为稳定.

图 10 桑蚕丝 νamide-Ⅰ-mulberry silk的 2D-IR 光谱（1 680～1 610 cm-1）

表5 桑蚕丝νamide-Ⅰ的2D-IR光谱解释（1 680～1 610 cm-1）

3 结论

首先开展了蜘蛛丝和桑蚕丝的IR光谱研究.实验发现：蜘蛛丝和桑蚕丝存在νNH+νOH，νasCH2，νsCH2，νamide-Ⅰ，νamide-Ⅱ，νamide-Ⅲ等6种红外吸收模式.在313~393 K的测定温度范围内，进一步开展蜘蛛丝和桑蚕丝的TD-IR光谱研究，实验发现桑蚕丝的热稳定较差.以蜘蛛丝和桑蚕丝νamide-Ⅰ为研究对象，进一步开展了相关2D-IR光谱的研究.实验发现：蜘蛛丝的νamide-Ⅰ-spidersilk对应的吸收频率包括：1 626 cm-1（β-sheet-spider silk）和1 652 cm-1（α-helix-spider silk），随着测定温度的升高，蜘蛛丝νamide-Ⅰ-spidersilk吸收峰变化快慢的顺序为：1626 cm-1（β-sheet-spider silk）>1 652 cm-1（α-helix-spider silk）；桑蚕丝 νamide-Ⅰ-mulberrysilk对应的吸收频率包括：1 624 cm-1（β-sheet-mulberry silk），1658cm-1（α-helix-mulberry silk），1 665 cm-1（random coil-mulberry silk）.随着测定温度的升高，桑蚕丝 νamide-Ⅰ-mulberrysilk吸收峰变化快慢的顺序为：1 658 cm-1（α-helix-mulberry silk）>1 624 cm-1（βsheet-mulberry silk）>1665cm-1（random coil-mulberry silk）.