丝素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜热处理红外光谱研究

李 堃，赵俊丽，张建军，马 禹

（东华大学， 上海 201620）

丝素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜热处理红外光谱研究

李 堃，赵俊丽，张建军，马 禹

（东华大学， 上海 201620）

近些年，人们开始对丝素蛋白-氧化石墨烯这一体系进行了研究，发现氧化石墨烯可以大大提高丝素蛋白的力学性能。在本实验中，利用显微红外对丝素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜的热处理过程进行了在线研究。通过对丝素蛋白酰胺I区的分峰拟合，分析了热处理前后纯丝素蛋白薄膜和含有10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜中丝素蛋白二级结构的转变，初步解释了共混薄膜中氧化石墨烯和热处理对丝素蛋白二级结构的影响。

丝素蛋白；氧化石墨烯；红外光谱

蚕丝由于其优异的力学性能、可调控多级结构和生物相容性广泛运用于药物缓释、生物支架和再生组织等各个领域[1-3]。蚕丝之所以拥有如此优异的性能，主要是由于其特殊的结构。蚕丝由丝素和丝胶组成，其中丝素是人们最常使用的部分。丝素蛋白的二级结构主要由silk I和silk II组成。silk I主要由无规线团（random coil）和α-螺旋（α-helix）组成，silk II由β-折叠（β-sheet）组成[4]。因为GAGAGS氨基酸重复序列组成的β-折叠可以结晶[5]，并以反极反平行方式排列[6]，所以丝素蛋白拥有很好的力学性能和耐生物降解性，也因此增加了对丝素蛋白纤维改性的难度。丝素蛋白的改性一般是先将丝素蛋白纤维溶解再进行功能化，但是这一做法会降低丝素蛋白的力学强度。

带有大量含氧官能团的氧化石墨烯由于其单层结构、亲水性、官能团可修饰性、比表面积高、力学性能出色等优点被广泛运用于材料增强[7-9]。目前，人们已经开始研究丝素蛋白-氧化石墨烯这一复合体系[10-13]，发现氧化石墨烯可以提高丝素蛋白的力学强度，但是氧化石墨烯对丝素蛋白二级结构影响鲜有研究。在各种表征方法中，通过解析红外光谱来了解丝素蛋白二级结构变化是最简单有效的。诱导丝素蛋白二级结构变化的方法有很多，例如热处理、溶剂溶胀、施加应力等[14-16]。热处理是工业上最为简单和成熟的方法，便于改性丝素蛋白纳米复合材料的大规模制备。因此我们利用显微红外对丝素蛋白-氧化石墨烯共混薄膜热处理过程中丝素蛋白二级结构变化进行了在线研究。

1 实验方法

将浓度均为 0.1%(wt)的丝素蛋白水溶液和氧化石墨烯分散液按9:1的比例混合并搅拌3 min，其中氧化石墨烯分散液预先调节至 10～11。将混合液浇铸在聚苯乙烯培养皿上，放入真空烘箱中干燥四天，得到共混薄膜样品。将样品置于200 °C热台上，用ThermoFisher公司的iN10傅立叶显微红外光谱仪进行在线测试2 h。扫描次数为64，分辨率为4 cm-1，扫描区域为150 μm×150 μm。

2 结果与讨论

丝素蛋白红外光谱酰胺I区（1 600～1 700 cm-1）和酰胺II区（1 500～1 600 cm-1）常被用来解析丝素蛋白二级结构。通过分峰拟合可以将酰胺I区分为1 627 cm-1处的β-折叠，1 655 cm-1处的无规线团，1 664 cm-1处的α-螺旋以及 1 688 cm-1处的β-折叠[14,17-20]。图1是纯丝素蛋白薄膜和含有10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜在线红外光谱图。我们可以看出无论是纯丝素蛋白薄膜还是共混薄膜，丝素蛋白红外光谱都发生了明显变化。

图1 纯丝素蛋白薄膜（A）和含10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜（B）在线红外光谱图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)

从图1(A)可以看到酰胺I区丝素蛋白峰位发生了显著的位移，由1 655 cm-1处位移到1 664 cm-1处，这说明丝素蛋白silk I结构由以无规线团为主变为以α-螺旋为主。此外，还出现了位于1 627 cm-1处的β-折叠。在含有 10%氧化石墨烯的共混薄膜中（图1(B)），我们发现刚开始时丝素蛋白就含有一定含量的β-折叠并且在热处理过程中丝素蛋白达到平衡状态的时间要比纯丝素蛋白薄膜要快得多，这很有可能是因为氧化石墨烯表面大量的含氧官能团可以诱导丝素蛋白链段形成有序排列并且在热的作用下大大加快链段运动的能力和迁移速率。

为了进一步了解氧化石墨烯对丝素蛋白二级结构的影响，我们对丝素蛋白酰胺I区进行分峰拟合，如图2所示。我们发现热处理之前，含有10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜1 627 20 cm-1处β-折叠含量要比纯丝素蛋白高4.8%，1 655 cm-1处无规线团含量要低 3.4%，1 664 cm-1处α-螺旋含量要低1%。这说明共混薄膜中10%的氧化石墨烯有利于提高1 627 cm-1处β-折叠含量。纯丝素蛋白薄膜热处理之后，1 627 cm-1处β-折叠含量提高了11.8%，1 655 cm-1处无规线团含量下降了29.6%，1 664 cm-1处β-螺旋含量上升了18.7%。这说明热处理可以促进无规线团向α-螺旋的转变以及α-螺旋向β-折叠的转变，从而提高了丝素蛋白中β-折叠含量。含有10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜热处理之后，1 627 cm-1处β-折叠含量提高了14.7%，1 655 cm-1处无规线团含量下降了23.8%，1 664 cm-1处β-螺旋含量上升了9.6%。与纯丝素蛋白薄膜相比，热处理2 h后，含有10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜 1 627 cm-1处β-折叠含量较高且1 664 cm-1处α-螺旋含量较低。此外，含有10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜热处理之后，1 627 cm-1处β-折叠含量提高量较大且1 664 cm-1处α-螺旋含量提高量较小。这说明了在热处理过程中，10%的氧化石墨烯有利于提高丝素蛋白α-螺旋向β-折叠转变的程度。

图2 纯丝素蛋白热处理2 h前（A）、后（B）和含有10%氧化石墨烯丝素蛋白共混薄膜热处理2 h前（C）、后（D）的酰胺I区的分峰拟合。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 结束语

纯丝素蛋白和含有10%氧化石墨烯的丝素蛋白共混薄膜经热处理之后，都有利于无规线团构象向α-螺旋构象转变以及α-螺旋构象向β-折叠转变。由于10%氧化石墨烯的存在，在热处理之前，丝素蛋白就有一定含量的β-折叠。并且在热处理过程中，更有利于α-螺旋构象向β-折叠转变。

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表4 正交试验结果Table 4 Result of experiments orthogonal based on design

由表4的正交试验可知，改变不同的工艺条件，用氢氧化钾作为催化剂生产的 AEO-9产品具有较好的恒温稳定性能。用相同的正交试验，用氢氧化钠作为催化剂生产的AEO-9产品在恒定温度60 ℃条件下加热24 h，外观浑浊，有絮状物析出。

3 结 论

（1）实验结果证实， Pressindustria(PI) 工艺第二代乙氧基化技术，采用不同种类的催化剂生产的不同规格的AEO产品，恒温稳定性现象不同；

（2）采用氢氧化钾作为催化剂生产的聚乙氧基化脂肪醇（AEO-9）产品较以氢氧化钠作为催化剂有较好的恒温热稳定性能；

（3）固定催化剂种类（氢氧化钠或氢氧化钾），通过改变反应温度、反应物料配比、反应速率等工艺条件合成AEO-9产品，对AEO-9产品恒温稳定性无明显影响。

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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

中央高校基本科研业务费专项资金，项目号：2232014D3-30。

2015-02-03

堃李 （1990-），男，江苏南京人，硕士，2015年毕业于东华大学材料物理化学，研究方向：丝素蛋白自组装过程。E-mail：likunedward@163.com。

马禹（1981-），男，副教授，博士，研究方向：高分子体系的多级结构和物理化学过程；先进纤维及低维材料的成型和功能化。E-mail：yma@dhu.edu.cn。