《同步輻射紅外光譜對動物絲結構和成絲機理的研究》是依託復旦大學，由陳新擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：同步輻射紅外光譜對動物絲結構和成絲機理的研究
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：陳新
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
動物絲(蜘蛛絲和蠶絲等)具有優異的力學性能，但是動物如何在溫和條件下製備出這種高性能纖維材料，即動物的吐絲機理目前尚未完全破譯；同時人們通過工業紡絲技術紡制的人工絲纖維遠未到達天然動物絲的力學性能。因此本項目擬運用同步輻射紅外光譜對不同種類、不同來源，具有不同綜合力學性能的天然動物絲單絲進行結構表征，通過定量地獲得在動物絲結構與性能中起決定作用的絲蛋白b-摺疊的含量，以及絲蛋白分子鏈沿纖維軸的取向程度，創建動物絲微觀結構(絲蛋白b-摺疊的含量及分子鏈的取向程度)與巨觀力學性能(模量、斷裂強度、斷裂伸長率以及斷裂能)之間相互關係的模型；同時運用同步輻射紅外成像技術，描繪出絲蛋白在動物體內整個吐絲系統中構象和取向度變化的全景圖像，明確絲蛋白從絲腺體中的無規線團/螺旋結構轉變為在吐絲口附近的b-摺疊結構的過程，進一步完善動物的吐絲機理。最後，期望將以上兩項研究結果用於指導人工絲纖維的仿生製備。
結題摘要
動物絲具有優異的綜合力學性能，受到了生物學家和材料學家的廣泛重視，各國科學家都試圖通過各種表征手段來破譯絲的強韌之謎。由於動物絲力學差異很大，這種差異不僅存在於不同的動物絲之間，也存在同種動物絲不同部位，因此最好的方法是對動物單絲進行表征。但是作為表征蛋白質結構最為常用的紅外光譜卻極少用於動物單絲的表征，其原因在於動物絲普遍較細(520 μm)，而傳統的紅外光譜的光斑則相對較大(約為200 μm)。本項目利用同步輻射紅外顯微光譜具有的極高亮度和超高空間解析度的優勢對動物單絲進行表征。我們首先採用合適的狹縫成功獲得了桑蠶絲(B. mori)、柞蠶絲(A. pernyi)和蜘蛛主腺體絲(N. edulis)單絲的高質量紅外光譜。接著我們採用絲蛋白膜作為模型樣本，證實了可以採用受水氣影響較小的醯胺III譜帶代替醯胺I譜帶用於對絲蛋白各種構象組成進行定量分析。從紅外光譜中我們得到三種動物單絲中絲蛋白分子的β-摺疊百分含量，其中桑蠶絲為28%、柞蠶絲為23%、蜘蛛主腺體絲為17%，結果與採用核磁共振、X-射線衍射和拉曼光譜得到的結果基本一致。我們在成功建立同步輻射紅外顯微光譜表征動物單絲的基礎上，深入地研究了柞蠶單絲中絲蛋白分子鏈的取向，結果表明除了β-摺疊沿纖維軸方向上高度取向外，α-螺旋也沿纖維軸方向存在一定程度的取向。我們還研究了在拉伸條件下，柞蠶單絲中分子鏈二級結構的取向和百分含量的變化。研究發現，在拉伸過程中，β-摺疊的含量和取向並未發生明顯變化，但α-螺旋和無規線團的取向程度明顯提高，表明α-螺旋和無規線團對拉伸應變具有決定性作用。我們還成功地將紅外顯微光譜成像技術用於研究絲蛋白/高分子共混材料的相行為。我們以套用範圍最廣的絲蛋白/殼聚糖、絲蛋白/海藻酸鈉、絲蛋白/聚乙烯醇、絲蛋白/聚氧化乙烯共混膜為研究對象，採用紅外顯微光譜成像技術對其相容性進行了表征。這些結果與前人採用動態力學分析和掃描電鏡等表征方法觀察的結果相一致，表明紅外顯微光譜成像技術可以用於研究絲蛋白/高分子共混材料的相行為，更為重要的是通過它還能夠獲取特定相中絲蛋白分子鏈的結構信息。此外，我們採用再生絲蛋白水溶液進行了人工紡絲。將同步輻射紅外光譜對天然動物絲單絲進行表征獲得的實驗結果，用於對人工紡絲工藝條件的選擇進行指導，目前我們獲得的再生絲蛋白纖維斷裂能接近80 kJ/kg，為天然蠶繭絲的2倍。
