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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(xì)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(biāo)-細(xì)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(yán)重的負(fù)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(xué)性質(zhì)也有所不同，為更高效、準(zhǔn)確地區(qū)分毛與絨，不僅需要從纖維的粗細(xì)、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(jìn)行深入研究。在結(jié)構(gòu)表征方面，從20世紀(jì)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(dāng)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(xué)鍵或基團(tuán)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(yīng)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(xué)、化學(xué)計量學(xué)、探測技術(shù)以及計算機(jī)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(fù)性好等優(yōu)良性能，可以對絕大多數(shù)的有機(jī)、無機(jī)化合物進(jìn)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(tuán)、芳香族氨基酸的強(qiáng)譜帶。
實驗儀器
樣品：4種變異山羊絨纖維
試驗設(shè)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度均具有一定影響，因此，不能利用拉曼的絕對強(qiáng)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(qiáng)度差異，選該譜帶為內(nèi)標(biāo)，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(xiàn)，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(qiáng)度，酪氨酸雙峰譜帶，該雙峰譜帶強(qiáng)度比值的變化反映了酪氨酸化學(xué)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(xué)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度
|
特征峰 |
羊毛 |
兩型毛 |
二細(xì)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(qiáng)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(xì)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(dǎo)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(xì)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(jìn)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(yīng)用研發(fā)部張麗文工程師】轉(zhuǎn)載請注明出處
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