二阶导数红外光谱分析辽代丝绸的降解特征

陈华锋，龚德才，刘 博

(1.中国科学技术大学 科技史与科技考古系，合肥 230026；2.辽宁省博物馆，沈阳 110044)

二阶导数红外光谱分析辽代丝绸的降解特征

陈华锋1，龚德才1，刘 博2

(1.中国科学技术大学 科技史与科技考古系，合肥 230026；2.辽宁省博物馆，沈阳 110044)

应用二阶导数红外光谱定量计算法库县叶茂台出土的辽代丝绸和现代蚕丝蛋白分子构象的百分比，分析辽代蚕丝分子构象的变化原因，并结合X-射线衍射结果讨论了辽代丝绸的老化特征。分析结果说明，辽代蚕丝蛋白无规构象比β-折叠链降解速度快，致使辽代蚕丝纤维结晶度高于现代蚕丝，由此解释了古代蚕丝结晶度比现代蚕丝还要高的原因，为古代丝绸保护提供了一定的科学依据。

真丝绸；二阶导数红外光谱；X-射线衍射；构象；降解；叶茂台

中国古代丝绸以织工精巧、颜色绚丽和品种繁多而著称于世，凝结了古代先民的勤劳和智慧。幸存的古代丝绸为中国古代艺术、科技与文化提供了珍贵的实物资料。但由于蚕丝的材料为有机高分子物质，容易受到光、氧气、酸、碱等因素的破坏，因而长期埋藏在地下的丝绸会发生老化降解，以致在外观形态上变黄、发脆、腐朽。针对这一问题，国内外许多学者对古代丝绸的老化机理作了研究。如张晓梅等[1]采用模拟光老化、热老化及水老化的方法，了解丝绸蛋白质在光、热和水的作用下的老化情况，从红外光谱谱图中发现，3 300 cm-1处的吸收峰强度增加及在1 520 cm-1处降低。李玲等[2]分析了影响古代丝绸的各种老化因素，认为蚕丝纤维主要是受到酸碱物质的破坏。

红外二阶光谱是近二十年兴起的光谱学技术，与传统色散型红外光谱仪相比有其独特之处，具有精度高、分辨率好、扫描速度快、灵敏度高、样品用量少等优点，并通过专门的计算机软件对红外光谱数据进行微分、去卷积等处理，能有效地分辨出重叠峰和强峰上的肩峰。蚕丝蛋白质的红外吸收光谱主要是由一系列酰胺吸收带组成，即酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带、酰胺Ⅲ带、酰胺Ⅳ带、酰胺Ⅴ带、酰胺Ⅵ带、酰胺Ⅶ带，因此在实际应用中，可以采用红外二榴光谱将原来吸收峰拆分为多个子峰，并通过曲线拟合方法定量计算蚕丝蛋白质分子构象的各个组分[3]。一般认为，蚕丝蛋白分子链主要包括4种构象[4]：无规线团结构、β-转角、α-螺旋和β-折叠结构。其中无规线团结构、β-转角、α-螺旋3种构象比较松散，因此本研究归为无规构象计算。钱国坻[5]认为，蚕丝的红外光谱中，1 265 cm-1附近处为β-折叠的归属，1 235 cm-1为无规构象。Bhat[6]提出采用1 265cm-1和1 235cm-1处吸收峰强度或吸收峰面积(A1265/A1235)作为蚕丝的结晶度指数，以此定量衡量蚕丝的结晶度。酰胺Ⅰ带(1 700～1 600 cm-1)对于研究二级结构最有价值，但水分子在1 800～1 600 cm-1范围内有很强的吸收峰，所以水的存在大大地制约了红外光谱中有价值信息的获得。蛋白质红外光谱的另外一个区域——酰胺Ⅲ带(1 220～1 330 cm-1)也可以用于蛋白质和多肽二级结构的分析，水分子在此吸收带没有吸收峰，解决了严重的水气干扰问题。不同二级结构在酰胺Ⅲ带的光谱性质特征明显，拟合过程中易于将其分开，因此本研究只统计分析蚕丝蛋白酰胺Ⅲ带的分子构象百分比。

1 实验部分

1.1 实验材料

使用的材料为：经Na2CO3溶液精练过的现代蚕丝和法库县叶茂台出土的辽代丝绸。具体处理过程[7]如下：将蚕茧切剖去蛹，称重(约0.3g)，然后将蚕茧放入预先配置的5 % Na2CO3水溶液(水浴比为1∶100)中，加热至95 ℃进行脱胶处理。0.5 h后，将蚕茧捞出，用去离子水冲洗并在30 ℃下干燥。重复上述操作后，把脱胶后的茧丝低温烘干，获得现代蚕丝纤维。法库县叶茂台出土的古代丝绸，其表面呈黄色，脆化、酥粉，分析前必须小心地用去离子水漂洗，去除表面的残留杂质后，在30 ℃下干燥。

1.2 测试条件及数据处理

红外光谱测试采用美国Nicolet公司生产的Nicolet8700傅立叶红外光谱仪，数据采集参数分辨率为4 cm-1，扫描次数为512次。采用omnic8.0软件对红外谱图进行处理，自动进行水气校正，然后对酰胺Ⅲ进行二级导数、去卷积、拟合等处理，计算各种蛋白质构象的面积。X-射线衍射分析采用的仪器是日本理学公司生产的D/MAX-RA型转靶射线衍射仪(XRD)，衍射角扫描范围(2θ)为10°～70°，工作电压和电流分别为40 kV，100 mA，量程为2 000 Counts/s。采用origin7.0软件对数据进行积分处理，分别计算结晶峰和非结晶峰面积。

2 结果及分析

2.1 现代蚕丝和辽代丝绸红外光谱

图1是现代蚕茧经精练脱胶后的蚕丝和辽代丝绸的红外光谱。在3 300～3 290 cm-1处有N—H所产生的特征吸收峰，主要代表是N—H的振动吸收；在1 660～1 620 cm-1处有较强的吸收峰，它是酰胺Ⅰ的特征吸收谱带，80 %是由C O伸缩振动所产生的，10 %是由C—N伸缩振动产生，10%是N—H弯曲振动吸收峰；在1 530～1 500 cm-1处的吸收谱带是酰胺Ⅱ的特征吸收谱带，其中60 %是由N—H面内弯曲变形振动所产生的，另外40 %是C—N伸缩振动吸收；在1 265～1 230 cm-1处代表的是酰胺Ⅲ的特征吸收；1 160 cm-1附近的吸收主要是C—O的伸缩振动吸收；在636 cm-1附近处为酰胺Ⅴ的特征吸收带，主要是N—H面外弯曲振动所产生的吸收谱带；波数在550 cm-1处的吸收是C O面外弯曲振动吸收产生的[8]。

与现代蚕丝红外谱图相比，辽代丝绸在3 300 cm-1附近吸收存在向低波数方向移动的趋向，同时吸收峰的强度也明显增加。蚕丝蛋白α-螺旋、β-折叠等多种构象都与氢键有关，碱性物质及水分子的存在会使肽链之间氢键断开，即小分子与肽链分子间氢键数目增加，而肽链与肽链分子间的氢键减少，反映在红外光谱谱图上酰胺Ⅰ伸缩振动吸收峰强度增加，波数向低波数方向位移。

图1 现代蚕丝和辽代丝绸红外光谱图Fig.1 Infrared spectrum of modern silk and the Liao Dynasty Silk samples

根据朗伯-比尔定律，吸收峰面积与对应蛋白质构象含量成正比，由此计算得到现代蚕丝和辽代蚕丝各种蛋白质构象百分比(见表1)。从表1数据可以看出，现代丝绸β-折叠构象百分比小于辽代蚕丝。周丛照等人[9]根据基因序列得到家蚕丝蛋白重链的氨基酸序列，重链是含有5 263个氨基酸残基的多肽，包含12个由GX(X＝Ser或Ala)重复序列组成的结晶区域，并且通过蚕丝的X-衍射图得出每一个结晶区域包含1个β-折叠层或2个β-折叠层，意思就是β-折叠链在很大程度上组成了蚕丝蛋白的结晶区域，即表1结果说明辽代丝绸结晶度大于现代蚕丝结晶度。

表1 现代蚕丝和辽代丝绸各种蛋白质构象百分比Tab.3 Percentages of all protein conformations of modern silk and the Liao Dynasty Silk samples %

利用红外专门分析软件omnic8.0将红外谱图酰胺Ⅲ带进行二阶导数、去卷积等处理，然后对二阶导数曲线进行多次曲线拟合，得到现代蚕丝和辽代蚕丝酰胺Ⅲ带曲线拟合图(见图2和图3)，最后分别计算各吸收峰面积。

图2 现代蚕丝酰胺Ⅲ带曲线拟合图Fig.2 Curve fi tting chart of modern silk amide Ⅲ

图3 辽代蚕丝酰胺Ⅲ带曲线拟合图Fig.3 Curve fi tting chart of Liao Dynasty Silk amide Ⅲ

2.2 现代丝绸和辽代丝绸X-射线衍射图

从图4看出，现代蚕丝蛋白和辽代蚕丝蛋白在2θ为20°处都有一个明显的衍射峰，符合文献[10]记载的蚕丝纤维在衍射角20°处有一个较强的衍射峰，说明二者均存在结晶区域。X-射线衍射峰积分面积代表了检测物结晶程度，根据文献[11]记载，在蚕丝纤维聚集态结构中由大部分β-折叠链和极少量α-螺旋链组成结晶区域，说明图4中衍射峰是由β-折叠链和极少量α-螺旋链衍射形成的。采用origin软件对衍射曲线经过积分处理后分别得到衍射峰面积和总面积，根据朗伯-比尔定律，衍射面积与结晶区域含量成比例，计算得到现代蚕丝和辽代蚕丝的结晶度分别为0.31和0.43，这一结果与红外二阶导数光谱计算结果基本一致。值得注意的是，比较二者衍射结果，辽代丝绸在衍射角2θ为8.97°处的衍射吸收更为明显，具体原因值得进一步研究。

图4 现代蚕丝(A)和辽代丝绸(B)X-射线衍射图Fig.4 X-ray diffraction patterns of modern silk (A) and the Liao Dynasty Silk (B) samples

3 讨 论

从蛋白质分子构象的角度分析[12]，α-螺旋链上是一个肽键的氧原子与其前面第三个肽键的氢原子生成分子链内的氢键，而β-折叠链是相邻主链骨架之间形成氢键，且形成的氢键N—H…O 3个原子几乎位于同一条直线上，氢键相对更强，比较这二者构象而言，水、酸碱等小分子破坏β-折叠链链间氢键比较困难，表现出对蚕丝蛋白β-折叠链的破坏影响较小。

从蛋白质的聚集态结构分析，蚕丝蛋白中存在着结晶区和非结晶区。结晶区通过肩并肩或者层叠层的方式形成更厚更宽的结构，因此在结构上比非结晶区域更为规整和稳定。另外，蚕丝蛋白结晶区域主要是SilkⅡ型，而SilkⅡ型主要是由甘氨酸、丙氨酸等一些疏水性氨基酸组成[13]，在很大程度上减缓了水、酸碱等小分子的破坏作用，所以β-折叠链在一定时期内老化速度较为缓慢。

综上所述，由于α-螺旋链等无规构象在结构上较为松散，所以对于长期处于墓葬中的蚕丝纤维而言，水、氧气、酸碱等小分子物质对其破坏作用更为明显，使得蚕丝蛋白中无规构象链降解速度快于β-折叠链，表现出在一段时间之内现代蚕丝结晶度反而低于老化的古代蚕丝。

4 结 论

1)采用二阶导数红外光谱和X-射线衍射技术分析法库县叶茂台出土的辽代丝绸蚕丝蛋白构象，分析结果显示这两种方法的分析结论基本一致，证实了二阶导数红外光谱应用分析古代蚕丝蛋白结构的可靠性。

2)辽代蚕丝无规构象结构上的松散，造成水、酸碱等小分子物质对其破坏作用更为明显，使得蚕丝蛋白中无规构象链降解速度快于β-折叠链，表现出一段时间内在蚕丝纤维结晶度上反而比现代蚕丝要高，这一结果说明古代蚕丝结晶度高不代表着保存状况好。

3)辽代蚕丝由于受到碱性物质的影响破坏了分子链间的氢键，体现在红外光谱中吸收峰强度增加，波数减少。这一结果解释了蚕丝蛋白容易在碱性环境中老化降解的主要原因，因此在丝绸保护过程中应该注意碱性物质对其破坏作用。

[1]张晓梅，原思训.老化丝织品的红外光谱分析研究[J].光谱学与光谱分析，2004(12)：1528-1532.

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Analysis degradation characteristics of the Liao Dynasty Silk with second derivative infrared spectra

CHEN Hua-feng1, GONG De-cai1, LIU Bo2
(1.Department of Scientif i c and Technical History and Archaeology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;2.The Museum of Liaoning Province, Shenyang 110044, China)

With the application of the second derivative Infrared Spectra to calculate quantitatively the percentage of modern silk and the Liao Dynasty silk conformation unearthed from Yemaotai in Faku county,the reason of the changes was analyzed, combined with the X-ray diffraction result to discuss the degradation characteristics of the Liao Dynasty silk. Infrared spectrum showed that the degradation of random chains was faster than β-sheet chains, resulting in higher crystallinity of the Liao Dynasty silk fiber than the modern silk,which can explain the crystallinity of ancient silks is even higher than modern silks and provide some scientific basis for the protection of ancient silks.

Silk; Second derivative infrared spectra; X-ray diffraction; Conformation; Degradation; Yemaotai

TS195.644

A

1001-7003(2011)01-0001-04

2010-08-19；

2010-10-18

国家科技支撑计划项目(2010BAK67B00)

陈华锋(1983－ )，男，硕士研究生，研究方向为古代丝绸保护与研究。通讯作者：龚德才，教授，博导，gdclucky@ustc.edu.cn。