利用拉曼光譜分析馬海毛纖維的二級(jí)結(jié)構(gòu)

周安杰，劉洪玲，蘇 紅，于偉東，CARR C M

（1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620；2.Textiles ＆Paper，The University of Manchester，U.K.）

利用拉曼光譜分析馬海毛纖維的二級(jí)結(jié)構(gòu)

周安杰1，劉洪玲1，蘇 紅1，于偉東1，CARR C M2

（1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海201620；2.Textiles ＆Paper，The University of Manchester，U.K.）

拉伸細(xì)化技術(shù)可使纖維的微結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變.利用拉曼光譜技術(shù)研究經(jīng)亞硫酸鹽預(yù)處理、不同拉伸率下（0，20%，40%，60%）馬海毛纖維二級(jí)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變.通過對(duì)馬海毛纖維酰胺Ⅰ帶的擬合分峰分析可以得出，拉伸使馬海毛纖維大分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)由α－螺旋向β－折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，且隨著拉伸率的增加，α→β結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變幅度明顯降低，高拉伸率下主要發(fā)生纖維微結(jié)構(gòu)的滑移；通過對(duì)酰胺Ⅲ帶和C—C骨架振動(dòng)的分析同樣表明，拉伸過程中α－螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢郫B結(jié)構(gòu)；馬海毛纖維被明顯細(xì)化.

拉伸細(xì)化；拉曼光譜；拉伸率；馬海毛；二級(jí)結(jié)構(gòu)；滑移

馬海毛又稱安哥拉山羊毛，是珍貴的毛紡原料，具有光澤亮麗、強(qiáng)伸度大，同質(zhì)性好，手感柔軟滑爽等特性，一般用于高檔紡織制品.隨著穿著輕薄化、舒適化和功能化的轉(zhuǎn)變，對(duì)細(xì)支（18～21μm）和超細(xì)支（15～18μm）毛纖維的需求增多.馬海毛的直徑隨年齡增長(zhǎng)變化很大，一般情況下，育成羊毛纖維直徑比羔羊毛粗25%～30%，成年羊毛纖維直徑比羔羊毛粗30%～35%.羔羊毛纖細(xì)、柔軟、價(jià)格高，但產(chǎn)量低［1］.因此，對(duì)馬海毛進(jìn)行細(xì)化處理，對(duì)充分利用成年馬海毛纖維，提高產(chǎn)品的附加值具有重要意義.

目前多種測(cè)量技術(shù)已被運(yùn)用于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的定量研究，主要有X射線衍射法、差示掃描量熱（DSC）法、拉曼光譜法和紅外光譜法等.文獻(xiàn)［2］采用X射線衍射法發(fā)現(xiàn)羊毛纖維在拉伸率為5%左右時(shí)就發(fā)生了結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并且溫濕度對(duì)這種轉(zhuǎn)變有較大的影響；文獻(xiàn)［3］利用傅里葉變換拉曼光譜對(duì)拉伸前后羊毛纖維進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)α－螺旋向β－折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在拉伸的初始階段；文獻(xiàn)［4］對(duì)羊毛纖維進(jìn)行了拉伸率30%～110% 的研究發(fā)現(xiàn)，在拉伸過程中不僅發(fā)生了α－螺旋結(jié)構(gòu)向β－折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，還發(fā)生了纖維基質(zhì)、原纖等之間的滑移.

拉曼光譜與紅外光譜互補(bǔ)，用于測(cè)量分子振動(dòng)光譜，測(cè)量時(shí)無損樣品且不受水溶液的干擾，從拉曼光譜的圖譜中可得到4個(gè)參數(shù)：頻率、強(qiáng)度、偏振特性及峰形.因此，拉曼技術(shù)能夠提供高質(zhì)量的角朊圖譜，從這些圖譜上可以看出氨基酸的構(gòu)成和二級(jí)結(jié)構(gòu)的信息.本文采用文獻(xiàn)［5］中的羊毛纖維拉伸細(xì)化技術(shù)的工藝和原理制得細(xì)化毛條，并采用顯微拉曼光譜技術(shù)測(cè)量不同拉伸率下馬海毛纖維蛋白質(zhì)大分子的振動(dòng)光譜，研究蛋白質(zhì)大分子二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化情況，并進(jìn)行定量表征，總結(jié)馬海毛纖維拉伸細(xì)化機(jī)理.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

成年馬海毛纖維（直徑為35.35μm、長(zhǎng)度為128.7mm），課題組自制的拉伸溶液，酒精及石油醚.

1.2 試驗(yàn)步驟

將馬海毛纖維梳理成一端整齊后，剪取一定長(zhǎng)度的毛條試樣，兩端用膠帶固定，夾于試樣夾上，夾持長(zhǎng)度為6cm.將制取的毛條放在預(yù)處理液（恒溫80℃）中浸漬5min，然后放在裝有蒸汽罩的拉伸儀上固定并保持自然伸直狀態(tài)，在80℃的蒸汽環(huán)境下以20mm／min拉伸，當(dāng)拉伸到預(yù)定的牽伸率時(shí)停止.將拉伸過的毛條在保持張力情況下，放到一次定形液中浸漬3min，取出后用水沖洗3min；再放到二次定形液中浸漬3min，水洗3min；最后在預(yù)定溫度（80℃）下干燥30min，再在130℃下烘焙3min，這樣便制得細(xì)化馬海毛纖維.

1.3 測(cè)試方法

采用復(fù)旦大學(xué)分析測(cè)試中心提供的LabRam－1B型顯微拉曼光譜儀，該儀器采用氦－氖激光光源（632.8nm），功率為4.3MW.光譜范圍：450～1 050nm；分辨率：約1.2cm－1；波數(shù)精度：1.2 cm－1.測(cè)量拉曼光譜前分別用酒精和石油醚清洗馬海毛纖維3次，在室溫下晾干.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉曼光譜的基本特征

蛋白質(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)的拉曼光譜復(fù)雜多樣，它們主要是由肽鍵、C—C骨架和C—N引起的.馬海毛與羊毛有相似的氨基酸組分［6］，對(duì)其拉曼光譜的研究主要集中在酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅲ帶和C—C骨架模式.其中酰胺Ⅰ帶（～1 670cm－1）和酰胺Ⅲ帶（～1 270 cm－1）是縮氨酸主鏈結(jié)構(gòu)變化的敏感區(qū)域，表1和2分別描述了酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ譜帶的位置［3］及綜合描述了各酰胺譜帶的波數(shù)范圍和指定［7－8］.圖1為馬海毛原毛與不同拉伸率下的拉曼光譜圖，為了便于詳細(xì)的定量分析，對(duì)所獲得的拉曼圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理.數(shù)據(jù)處理以1 450cm－1附近的峰作為標(biāo)準(zhǔn)峰，這是由于在拉曼光譜中1 450cm－1處的譜帶主要是由CH2和CH3的彎曲振動(dòng)引起的，該官能團(tuán)與氨基酸側(cè)鏈相關(guān)，不受肽鏈主鏈結(jié)構(gòu)變化的影響.各個(gè)特征譜帶已標(biāo)于圖1中，可以看出，經(jīng)過不同拉伸處理，馬海毛纖維的拉曼光譜發(fā)生了一定的變化，且馬海毛的拉曼光譜圖比羊毛的復(fù)雜得多.

表1 酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ譜帶的位置Table 1 Location of amideⅠand amideⅢ

表2 拉曼特征譜帶和指定Table 2 Raman characteristic bands and their assignments

圖1 不同拉伸率下馬海毛纖維的拉曼光譜圖Fig.1 Raman spectra of mohair fibers with different stretching ratios

2.2 馬海毛纖維拉曼光譜中酰胺Ⅰ帶結(jié)構(gòu)分析

拉曼光譜中的酰胺Ⅰ帶對(duì)于表征蛋白質(zhì)纖維二級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特別敏感，尤其是對(duì)于纖維微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變相 聯(lián) 系 的 譜 帶［9］.酰 胺 Ⅰ 帶 出 現(xiàn) 在1 650～1 680cm－1處，主要是由羰基的振動(dòng)和少量的C—N—H平面彎曲和C—N的拉伸振動(dòng)組成，其中1 645～ 1 660cm－1處譜帶歸屬于 α－螺旋結(jié)構(gòu)；1 665～1 680cm－1處譜帶歸屬于β－折疊結(jié)構(gòu)；另外還包括無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)等，主要分布在1 660～1 670cm－1處.圖2為不同拉伸率下馬海毛纖維酰胺Ⅰ帶拉曼光譜圖，可以看出該區(qū)域譜帶形狀相當(dāng)復(fù)雜，除了有酰胺Ⅰ帶的振動(dòng)，還有氨基酸側(cè)鏈的作用，如羧酸、氨基及酪氨酸等都活躍在這一區(qū)域.馬海毛原毛在1 657cm－1處峰形歸屬于α－螺旋結(jié)構(gòu)，隨著拉伸率的增加該處的峰值變小，峰形逐漸趨于平坦，并伴隨著峰形向高波數(shù)轉(zhuǎn)移.對(duì)于拉細(xì)馬海毛，在1 667 cm－1附近逐漸形成較強(qiáng)的峰值，歸屬于β－折疊結(jié)構(gòu)，這表明拉伸使得馬海毛纖維大分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了α－螺旋向β－折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變.另外，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)拉伸率為20%和40% 時(shí)，1 657cm－1處的峰值變化并不大，由此得出這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在拉伸初期，隨著拉伸率增加，這種轉(zhuǎn)變幅度并沒有多大變化，這與文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)果相符，即在拉伸率為20%時(shí)，從α－螺旋向β－折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變速度較快，且轉(zhuǎn)變量呈1∶1的關(guān)系.根據(jù)文獻(xiàn)［4］對(duì)拉細(xì)羊毛的研究表明，在拉伸過程中，不僅發(fā)生了從α－螺旋向β－折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，還發(fā)生了纖維基質(zhì)、原纖等之間的滑移，即“滑移細(xì)化理論”.馬海毛原毛在1 695cm－1處有一個(gè)較弱的峰值，該處歸屬于C—N—H平面彎曲，在拉伸率為20%時(shí)該處峰值明顯減小，幾乎消失，但是隨著拉伸率的增加該處峰值又開始增加，關(guān)于其轉(zhuǎn)變理論還不清楚.

圖2 不同拉伸率下馬海毛纖維酰胺Ⅰ帶拉曼光譜圖Fig.2 Raman spectra of the amideⅠregion of mohair fibers with different stretching ratios

運(yùn)用Origin繪圖軟件，采用高斯函數(shù)對(duì)未拉伸和拉伸處理的馬海毛纖維的酰胺Ⅰ帶進(jìn)行擬合分峰.各結(jié)構(gòu)在酰胺Ⅰ帶中的分峰結(jié)果如3圖所示，并將擬合后的子峰的峰位進(jìn)行歸屬，表3對(duì)不同拉伸率下馬海毛纖維酰胺Ⅰ帶中各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了匯總.

表3 不同拉伸率下馬海毛纖維的分峰結(jié)果Table 3 Results of deconvolution of the mohair fibers with different stretching ratios

圖3 不同拉伸率下馬海毛纖維酰胺Ⅰ帶的擬合分峰Fig.3 Deconvolution of the amideⅠregion of the Raman spectra of the mohair fibers with different stretching ratios

由圖3可以看出，拉伸使酰胺Ⅰ帶各特征峰面積發(fā)生了很大的變化，尤其是α和β結(jié)構(gòu)的峰面積.將經(jīng)擬合分峰處理的酰胺Ⅰ帶進(jìn)行歸屬后，根據(jù)各特征峰的參數(shù)，依據(jù)文獻(xiàn)［4］的方法，這4個(gè)歸屬峰的面積百分率之和為100%，可定量地估算出這4種結(jié)構(gòu)分別所占的含量百分率.擬合分峰后α－螺旋結(jié)構(gòu)的含量百分率計(jì)算式為

其中：P螺旋為α－螺旋結(jié)構(gòu)的含量百分率；S螺旋，S無規(guī)，S折疊，S轉(zhuǎn)角分別為α－螺旋結(jié)構(gòu)、無規(guī)卷曲、β－折疊結(jié)構(gòu)和β－轉(zhuǎn)角的面積.不同拉伸率下馬海毛纖維酰胺I帶擬合分峰后各二級(jí)結(jié)構(gòu)的含量百分率如表4所示.

表4 不同拉伸率下馬海毛纖維二級(jí)結(jié)構(gòu)的含量百分率Table 4 Percentage of secondary structure of moahir fibers with different stretching ratios %

由圖3及表4可以看出，馬海毛原毛纖維以α－螺旋結(jié)構(gòu)為主，還含有較多β－折疊結(jié)構(gòu).當(dāng)拉伸率達(dá)到20%時(shí)，部分α－螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢D(zhuǎn)角，而β－折疊結(jié)構(gòu)幾乎保持不變；當(dāng)拉伸率繼續(xù)增加到40%時(shí)，α－螺旋結(jié)構(gòu)沒有進(jìn)一步的變化，此時(shí)β－轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢郫B結(jié)構(gòu)；當(dāng)拉伸率達(dá)到60%時(shí)，又發(fā)生了由α－螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢D(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)變，而此時(shí)β－折疊結(jié)構(gòu)繼續(xù)增加.從這里可以看出，β－轉(zhuǎn)角是α－螺旋結(jié)構(gòu)向β－折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一種過渡結(jié)構(gòu).根據(jù)文獻(xiàn)［9］對(duì)不同拉伸率下羊毛的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉伸率達(dá)80%時(shí)這種二級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變幾乎停止，隨后拉伸的增加將不會(huì)影響α－螺旋結(jié)構(gòu)向β－折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，在此過程中主要是纖維微結(jié)構(gòu)的滑移.文獻(xiàn)［10］對(duì)四川馬海毛的氨基酸分析中發(fā)現(xiàn)，馬海毛的胱氨酸含量為6.32%，比不同類型羊毛胱氨酸含量要高出1.1%～1.8%，而胱氨酸對(duì)毛纖維的彈性和強(qiáng)力有重大影響，胱氨酸鍵（即二硫鍵）可使多肽鏈形成網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)型結(jié)構(gòu)的存在，使得α－螺旋結(jié)構(gòu)向β－折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程變得緩慢，需經(jīng)過一種過渡結(jié)構(gòu)才能完成.對(duì)于無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，當(dāng)拉伸率較小時(shí)，隨著拉伸率的增加而逐漸增加，這可能由于部分α－螺旋結(jié)構(gòu)和β－轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，而當(dāng)拉伸率增加到60%時(shí)，由于各種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)诶斓某跏茧A段已基本完成，所以無規(guī)結(jié)構(gòu)含量與40%拉伸率相比幾乎沒有發(fā)生變化.

2.3 馬海毛拉曼光譜中酰胺Ⅲ帶結(jié)構(gòu)分析

酰胺Ⅲ帶出現(xiàn)在1 230～1 300cm－1，主要是由C—N—H平面彎曲和C—N拉伸模式組成，其中1 230～1 240cm－1表示β－折疊結(jié)構(gòu)的特征譜線，1 240～1 260cm－1表示無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的特征譜線，1 260～1 300cm－1為α－螺旋結(jié)構(gòu)的特征譜線.不同拉伸率下馬海毛纖維酰胺Ⅲ帶的拉曼光譜圖如圖4所示.圖4中1 230cm－1附近歸屬于β－折疊結(jié)構(gòu)，但馬海毛原毛此處的拉曼強(qiáng)度很低，譜形為下凹形；隨著拉伸率的增加，該處的拉曼強(qiáng)度略有所增加，拉曼光譜中各結(jié)構(gòu)的峰面積或高度直接與結(jié)構(gòu)含量成正比［3］，這說明拉伸過程中形成了β－折疊結(jié)構(gòu).馬海毛原毛在1 249cm－1處出現(xiàn)較強(qiáng)的拉曼譜線，歸屬于無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，從圖4可以看出，隨著拉伸率的增加，無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的特征峰向高波數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)移且整體的峰面積也在逐漸增加，當(dāng)拉伸率達(dá)到60%時(shí)，在1 260cm－1附近形成強(qiáng)的肩峰，這說明在拉伸過程中有無規(guī)結(jié)構(gòu)形成.而馬海毛原毛在1 269cm－1處出現(xiàn)較強(qiáng)的拉曼譜線，歸屬于α－螺旋結(jié)構(gòu)，可以看出，經(jīng)60%拉伸率處理后，該處α－螺旋結(jié)構(gòu)的譜帶強(qiáng)度很弱，表明經(jīng)拉伸后蛋白質(zhì)大分子的結(jié)構(gòu)從α－螺旋轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢郫B結(jié)構(gòu)，拉伸后馬海毛纖維的拉曼譜線上不存在α－螺旋結(jié)構(gòu)，這并不表明拉伸過程中α－螺旋結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)化為β－折疊構(gòu).

圖4 不同拉伸率下馬海毛纖維酰胺Ⅲ帶拉曼光譜圖Fig.4 Raman spectra of the amideⅢregion of mohair fibers with different stretching ratios

2.4 馬海毛拉曼光譜中C—C骨架振動(dòng)區(qū)結(jié)構(gòu)分析

C—C骨架振動(dòng)區(qū)出現(xiàn)在890～960cm－1，主要是C—C骨架的拉伸振動(dòng)，其中α－螺旋結(jié)構(gòu)的特征譜線主要出現(xiàn)在890～945cm－1，無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)在945～960cm－1.不同拉伸率下馬海毛纖維C—C骨架振動(dòng)拉曼光譜圖如圖5所示，可以看出，馬海毛原毛在α－螺旋結(jié)構(gòu)的特征譜帶范圍內(nèi)出現(xiàn)了較強(qiáng)的寬峰，當(dāng)拉伸率達(dá)到20%時(shí)，這些峰的強(qiáng)度和峰寬弱化，變成許多中等強(qiáng)度的肩峰，當(dāng)拉伸率繼續(xù)增加至40%和60%時(shí)，α－螺旋結(jié)構(gòu)總的含量明顯減少，表現(xiàn)為該范圍內(nèi)的譜線強(qiáng)度明顯減弱，沒有明顯的特征峰.這說明在較高拉伸率作用下，C—C骨架振動(dòng)區(qū)中大部分的α－螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢郫B結(jié)構(gòu).

圖5 不同拉伸率下馬海毛纖維C—C骨架振動(dòng)區(qū)拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of the C—C backbone vibration region of mohair fibers with different stretching ratios

3 結(jié) 語

本文采用拉曼光譜技術(shù)研究了經(jīng)亞硫酸鹽預(yù)處理及不同拉伸率下馬海毛纖維微結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變情況.通過對(duì)不同拉伸率馬海毛纖維酰胺Ⅰ帶的分析表明，在拉伸細(xì)化過程中，馬海毛纖維二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了由α－螺旋向β－折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變.由于馬海毛纖維存在網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，使得α－螺旋向β－折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程變得緩慢，需經(jīng)過一種過渡結(jié)構(gòu)（即β－轉(zhuǎn)角）才能完成，且α→β結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在拉伸的初級(jí)階段，當(dāng)拉伸率大于40%時(shí)，主要發(fā)生纖維微結(jié)構(gòu)的滑移，對(duì)于無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，在拉伸初始階段略有增加.通過對(duì)酰胺Ⅲ帶和C—C骨架振動(dòng)的分析表明，隨著拉伸率的增大，α－螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢郫B結(jié)構(gòu)，但同樣會(huì)發(fā)生纖維微結(jié)構(gòu)的滑移.

參 考 文 獻(xiàn)

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Secondary Structure Analysis of Stretched Mohair Fibers by Raman Spectroscopy

ZHOUAn－jie1，LIUHong－ling1，SUHong1，YUWei－dong1，CARRCM2
（1.College of Textiles，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Textiles ＆Paper，The University of Manchester，U.K.）

The essence of slenderization technology is to make fiber microstructure transformed to achieve refinement.Raman spectroscopy was used to investigate the secondary structure changes of sulphite pretreated mohair fibers with stretching ratios at 0，20%，40%and 60%.Through the curve－fitting method of the amide Ⅰ region implied that the secondary structure of stretched mohair fibers was mainly transformed from α－h(huán)elical structure toβ－pleated－sheet structure during the stretching process，when increased the stretching ratios，the range ofα→βtransformation significantly decreased，when at high stretching ratios，the mechanism of stretching mainly relied on the slippage of the fiber micro－structure.Analysis of the amideⅢband and the C—C skeletal vibration region also revealed thatα－h(huán)elical structure converted toβ－pleated－sheet structure during the stretching process.Mohair fibers were obviously refinement.

slenderization；Raman spectroscopy；stretching ratio；mohair；secondary structure；slippage

TS 102.3

A

1671－0444（2013）01－0031－06

2011－11－26

周安杰（1986—），女，河南南陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)物毛發(fā)的拉伸細(xì)化.E－mail：zhaj860＠126.com

劉洪玲（聯(lián)系人），女，教授，E－mail：hlliu＠dhu.edu.cn