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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yùn)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(tuán)（random coil）和α-螺旋（α-helix）組成，silk II由β-折疊（β-sheet）組成[4]。因?yàn)镚AGAGS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(jìn)行功能化，但是這一做法會降低絲素蛋白的力學(xué)強(qiáng)度。

帶有大量含氧官能團(tuán)的氧化石墨烯由于其單層結(jié)構(gòu)、親水性、官能團(tuán)可修飾性、比表面積高、力學(xué)性能出色等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于材料增強(qiáng)[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(qiáng)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(jìn)行了在線研究。

1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)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?yàn)?50 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(tuán)，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(tuán)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(dá)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?yàn)檠趸┍砻娲罅康暮豕倌軋F(tuán)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(yùn)動的能力和遷移速率。

為了進(jìn)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(jìn)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(tuán)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(tuán)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(jìn)無規(guī)線團(tuán)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(tuán)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(tuán)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(yàn)結(jié)果Table 4 Result of experiments orthogonal based on design

由表4的正交試驗(yàn)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(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)， 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(fèi)專項(xiàng)資金，項(xiàng)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(jìn)纖維及低維材料的成型和功能化。E-mail：yma@dhu.edu.cn。