Raman Spectroscopic Analysis of the Secondary Structure of Variant Cashmere Fiber
變異山羊絨纖維二級結(jié)構(gòu)的拉曼光譜分析
引言
山羊絨是毛紡工業(yè)的高檔原料，素有“軟黃金”之稱。我國羊絨產(chǎn)量居世界首位，生產(chǎn)全球大約75%的山羊絨，是羊絨生產(chǎn)與加工大國，在國際羊絨產(chǎn)業(yè)占據(jù)著重要地位。近年來山羊絨逐漸產(chǎn)生了變異分為羊毛纖維、兩型毛纖維、二細毛纖維、以及羊絨纖維。山羊絨變異后特別是代表優(yōu)質(zhì)山羊絨的特性指標-細度增加，為洗毛、分梳、染色等加工工藝帶來了困難，這些問題已經(jīng)影響到了山羊絨制品質(zhì)量，影響到了山羊絨的加工性能和制品的出口，給我國山羊絨產(chǎn)業(yè)帶來了嚴重的負面影響。
山羊絨變異后表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變，化學性質(zhì)也有所不同，為更高效、準確地區(qū)分毛與絨，不僅需要從纖維的粗細、質(zhì)量的輕重、表面鱗片、手感等方面綜合分析變異山羊絨纖維的結(jié)構(gòu)，還需要對表面與內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行深入研究。在結(jié)構(gòu)表征方面，從20世紀70年代就有蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)表征方面的研究報道，但實現(xiàn)定量分析仍具有一定難度，這就需要采用新的表征手段。本公司采用拉曼光譜分析技術(shù)探究四種變異山羊絨纖維的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，具有高分辨率、高靈敏度、無損傷、不接觸樣品等性能，以及樣品用量少、無需樣本處理、測試時間短等優(yōu)勢，已經(jīng)成為新一代表征分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段。
技術(shù)優(yōu)勢
拉曼光譜分析技術(shù)是依據(jù)散射光來獲得物質(zhì)信息的分子光譜技術(shù)，是由于晶格振動、電荷密度起伏、自旋密度起伏、電子躍遷以及它們的耦合等因素引起的。當一束單色光照射到樣品上后，分子可以使入射光發(fā)生散射。大部分光只是改變方向發(fā)生散射，而光的頻率仍與激發(fā)光的頻率相同，這種散射稱為瑞利散射；少部分光不僅改變了光的傳播方向，而且散射光的頻率也改變了，不同于激發(fā)光的頻率，稱為拉曼散射。散射光與入射光之間的頻率差v稱為拉曼位移，拉曼位移與入射光頻率無關(guān)，它只與散射分子本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。拉曼散射是由于分子極化率的改變而產(chǎn)生的。拉曼位移取決于分子振動能及的變化，不同化學鍵或基團有特征的分子振動，ΔE反映了指定能級的變化，因此與之對應的拉曼位移也是特征的。這是拉曼光譜可以作為分子結(jié)構(gòu)定性分析的依據(jù)。
激光顯微拉曼光譜儀是集光譜學、化學計量學、探測技術(shù)以及計算機技術(shù)為一體的高新技術(shù)，具有樣品用量少、無樣本處理、無損傷、無接觸、測試時間短、重復性好等優(yōu)良性能，可以對絕大多數(shù)的有機、無機化合物進行無損表征。變異山羊絨纖維屬于蛋白質(zhì)纖維，激光顯微拉曼光譜技術(shù)在研究變異山羊絨纖維具有以下優(yōu)勢:1）無損傷檢測，不破壞纖維結(jié)構(gòu)；2）靈敏度高，譜峰信息豐富；3）拉曼光譜可以表征蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，如，胱氨酸、肽鍵中的酞胺Ⅰ帶和酞胺Ⅲ帶等信息；4）變異山羊絨纖維具有非極性功能基團、芳香族氨基酸的強譜帶。
實驗儀器
樣品：4種變異山羊絨纖維
試驗設備：北京卓立漢光儀器有限公司研制的“Finder Vista”顯微共聚焦拉曼光譜儀系統(tǒng)；532nm激發(fā)光源進行激發(fā)；積分時間為3s，掃描尺寸為100X物鏡。
數(shù)據(jù)分析
在一定條件下，拉曼特征峰強度與待測物濃度成正比，但是，激光功率、測量參數(shù)、外界環(huán)境等對拉曼特征峰強度均具有一定影響，因此，不能利用拉曼的絕對強度判斷物質(zhì)的含量。變異山羊絨纖維1450cm-1波數(shù)的拉曼特征峰主要由氨基酸側(cè)鏈上CH2和CH3的彎曲振動引起，不受肽鏈主鏈構(gòu)象變化的影響。為比較變異山羊絨纖維的拉曼強度差異，選該譜帶為內(nèi)標，采用峰面積比法，分析變異山羊絨纖維表面與內(nèi)部縱向剖析的拉曼光譜特征
對于變異山羊絨纖維的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的拉曼光譜特征峰，根據(jù)已有文獻，可以解釋酰胺帶、S-S鍵帶、酪氨酸、胱氨酸等譜峰帶的信息。
828 cm-1：弱，酪氨酸振動；
851 cm-1：中等強度，酪氨酸雙峰譜帶，該雙峰譜帶強度比值的變化反映了酪氨酸化學環(huán)境的變化；
935 cm-1：肽鏈主鏈 螺旋的C-C骨架伸展振動；
1001.77 cm-1：色氨酸與丙氨酸共同的搖擺振動晶帶，由于色氨酸含量很少及不敏感性，該峰主要與苯丙氨酸有關(guān)，難以反映出色氨酸含量的變化；
1031 cm-1：弱，苯基丙氨酸振動；
變異山羊絨纖維的化學結(jié)構(gòu)主要是角朊蛋白，由多種 氨基酸組成，不同的變異山羊絨種類，氨基酸組成和含量有一定差異。所以，分析變異山羊絨的氨基酸含量對于鑒別山羊絨的種類與生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高檔羊絨產(chǎn)品具有很高的指導意義。不同變異山羊絨纖維的蛋白質(zhì)在氨基酸組成及二級結(jié)構(gòu)上不同的。變異山羊絨纖維的氨基酸拉曼光譜如圖所示，峰面積歸一化強度如表所示。
圖 四種變異山羊絨纖維的拉曼光譜圖
表 變異山羊絨纖維峰面積歸一化強度
|
特征峰
|
羊毛
|
兩型毛
|
二細毛
|
羊絨
|
|
828
|
0.395824
|
0.408907
|
0.431843
|
0.489311
|
|
851
|
0.738972
|
0.759791
|
0.772707
|
0.780282
|
|
935
|
0.763442
|
0.738708
|
0.551208
|
0.594393
|
|
1002
|
0.59859
|
0.494667
|
0.514251
|
0.721202
|
|
1031
|
0.454458
|
0.462764
|
0.486181
|
0.540878
|
828、851 cm-1代表酪氨酸的振動情況，1002 cm-1拉曼特征峰的歸一化強度代表色氨酸含量差異，1031cm-1代表苯基丙氨酸振動。從表中數(shù)據(jù)可以分析，酪氨酸、色氨酸、苯丙基氨酸的含量整體上隨著羊毛、兩型毛、二細毛、羊絨纖維的順序而增加，說明絨纖維的蛋白質(zhì)的含量要高于毛纖維，這也是絨纖維具有更加優(yōu)異的手感與理化功能的原因之一。
935 cm-1波數(shù)處的拉曼特征峰屬于 螺旋構(gòu)象的C-C骨架伸展振動，這一峰值表示變異山羊絨纖維的 螺旋含量的多少。從表中數(shù)據(jù)可以看出，毛纖維的 螺旋構(gòu)象的C-C骨架含量要明顯由于絨纖維。C-C骨架振動區(qū)出現(xiàn)在890-960 cm-1區(qū)，主要是骨架的拉伸振動，表征變異山羊絨纖維的拉伸性能，通過該特征峰可以為羊毛、羊絨纖維的拉伸、防粘縮等工藝提供指導意見。
總結(jié)
本公司利用拉曼光譜表征了變異山羊絨纖維的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，取得了優(yōu)異的結(jié)果。四種變異山羊絨纖維的蛋白質(zhì)氨基酸含量，如酪氨酸、色氨酸、苯丙基氨酸的含量整體上隨著羊毛、兩型毛、二細毛、羊絨纖維的順序而增加，說明絨纖維的蛋白質(zhì)的含量要高于毛纖維，這也是絨纖維具有更加優(yōu)異的手感與理化功能的原因之一。 螺旋構(gòu)象也呈現(xiàn)相似特征。這也是從理論上上證明了絨纖維的手感、光澤、拉伸等性能要優(yōu)于毛纖維。通過拉曼光譜對變異山羊絨纖維的為進一步探究變異山羊絨纖維的拉伸、染色、防縮等性能以及后加工整理技術(shù)提供一定的判斷依據(jù)。
【本文作者：分析儀器事業(yè)部（AID）應用研發(fā)部張麗文工程師】轉(zhuǎn)載請注明出處
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