先进红外光谱技术对动物丝和丝蛋白基材料结构与性能关系的深入研究

Based on the achievement of our previous research, we plan to use three advanced infrared techniques, i.e., synchrotron radiation FTIR microspectroscopy, FTIR spectroscopic imaging, and far-infrared spectroscopy to analyze the animal silks as well as the silk protein-based materials. Firstly, we plan to characterize the spider silk, a representative of natural super-fiber comprehensively with synchrotron radiation FTIR microspectroscopy. In order to obtain the samples as many as possible, we not only select silks from different spider species, but also select the different type of silks from the same spider species. In the meantime, we plan to in-situ analyze the changes of content and orientation of different secondary structure of spidroin in silks when the spider silks are subjected to strain or under supercontraction. Therefore, we hope we can establish the relationship between the secondary structure and orientation of silk protein (microscopic structures) and the mechanical properties of spider silks (macroscopic properties) further on. As a result, after comparing with the secondary structures and orientation of regenerated silk fibers by artificial wet-spinning, we hope we can use it to guide the selection of spinning parameter in order to improve the properties of regenerated silk fibers. On the other hand, we plan to use FTIR imaging technique (both the quick FPA imaging and the high-resolution synchrotron radiation beam imaging) and far-infrared spectroscopy to study the compatibility of silk protein and other proteins as well as other natural/synthetic polymer materials in silk protein-based materials. We hope after the establishment of a set of analytical method for silk protein-based complex or blend materials (including silk protein-based all protein materials), we can provide the guidance on the improvement of the properties of such a kind of material, design and develop new type of silk protein-based materials.

在申请人先前研究工作积累的基础上，采用同步辐射红外显微光谱、红外光谱成像和远红外光谱三种先进红外光谱技术进行研究。首先对作为自然界中超级纤维代表的蜘蛛丝进行全方位表征，不仅选取不同种类、不同丝腺体的蜘蛛丝，而且还计划在拉伸以及超收缩条件下，对蜘蛛丝中丝蛋白分子构象和取向的变化进行原位监测，从而进一步建立起丝纤维中丝蛋白的构象和取向(微观结构)与丝纤维综合力学性能(宏观性能)之间的对应关系。通过将其结果与人工纺丝获得的再生丝蛋白纤维相比较，寻找天然丝和再生丝结构差异，从而指导高性能再生丝蛋白纤维的仿生纺制。同时，采用红外成像技术（包括焦平面阵列探测器快速成像和同步辐射光源高分辨率成像）和远红外光谱，研究丝蛋白基材料中丝蛋白与其他蛋白质或天然/合成高分子之间的相容性，找到一套研究丝蛋白基材料相结构，以及研究全蛋白质材料的方法，为丝蛋白基材料性能的提高，设计并获得新型丝蛋白基材料提供有力指导。

本项目的主要研究目标是采用同步辐射红外显微光谱、红外光谱成像和远红外光谱三种先进红外光谱技术动物丝和丝蛋白基材料结构与性能关系的深入研究。首先，我们对五种印度产的蚕茧丝（两种家蚕、两种野蚕、一种半家蚕）进行了力学性能测试，结果表明：不同的蚕茧丝力学性能差异显著。同时，我们采用同步辐射显微红外光谱等手段对五种蚕茧丝纤维进行了结构表征，发现家蚕丝纤维中β-折叠的含量最高；野蚕丝纤维中β-折叠的含量相对较低；而半家蚕丝纤维中β-折叠的含量居中，这很好地解释了力学性能排顺的结构原因。接着，我们采用同步辐射显微红外光谱详细研究了抽丝速率对柞蚕丝结构和性能的影响以及蜘蛛主腺体丝超收缩行为。同步辐射显微红外光谱的结果表明，增加抽丝速率可以有效增加纤维中的β-折叠含量以及提高各二级结构的取向度。正是这些微观结构的变化导致不同抽丝速率获得的柞蚕丝的力学性能差异明显。同样，蜘蛛主腺体丝在不同的超收缩条件下，其分子链的β-折叠含量以及各二级结构的取向度都发生不同的变化，因此经过不同超收缩处理的蜘蛛主腺体丝其力学性能各不相同。然后，我们对再生丝蛋白纤维的微观结构进行分析，发现随着后拉伸倍率的提高，再生丝蛋白纤维的β-折叠含量和取向度增加，从而导致再生丝蛋白纤维的断裂强度增加，断裂伸长率降低。由以上这些研究结果，建立起丝纤维中丝蛋白的二级结构和取向(微观结构)与丝纤维综合力学性能(宏观性能)之间的对应关系。.我们采用同步辐射红外显微光谱和成像技术，详细研究了家蚕吐丝过程中丝腺体中丝蛋白二级结构的转变情况，更深入地研究了家蚕吐丝机理，为更好地指导人工纺丝以获得高性能再生丝蛋白纤维打下了坚实的基础。我们还采用远红外光谱，开发出一套研究丝蛋白基材料中各蛋白质组份之间相容性的方法。最后，我们根据通过先进红外光谱技术获得的研究成果，将研究拓展到开发一些具有独特性能的（丝）蛋白基（包括大豆蛋白和玉米蛋白）功能材料。

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