陳華鋒，龔德才，劉 博

(1.中國科學技術大學 科技史與科技考古系，合肥 230026；2.遼寧省博物館，沈陽 110044)

二階導數紅外光譜分析遼代絲綢的降解特征

陳華鋒1，龔德才1，劉 博2

(1.中國科學技術大學 科技史與科技考古系，合肥 230026；2.遼寧省博物館，沈陽 110044)

應用二階導數紅外光譜定量計算法庫縣葉茂臺出土的遼代絲綢和現代蠶絲蛋白分子構象的百分比，分析遼代蠶絲分子構象的變化原因，并結合X-射線衍射結果討論了遼代絲綢的老化特征。分析結果說明，遼代蠶絲蛋白無規(guī)構象比β-折疊鏈降解速度快，致使遼代蠶絲纖維結晶度高于現代蠶絲，由此解釋了古代蠶絲結晶度比現代蠶絲還要高的原因，為古代絲綢保護提供了一定的科學依據。

真絲綢；二階導數紅外光譜；X-射線衍射；構象；降解；葉茂臺

中國古代絲綢以織工精巧、顏色絢麗和品種繁多而著稱于世，凝結了古代先民的勤勞和智慧。幸存的古代絲綢為中國古代藝術、科技與文化提供了珍貴的實物資料。但由于蠶絲的材料為有機高分子物質，容易受到光、氧氣、酸、堿等因素的破壞，因而長期埋藏在地下的絲綢會發(fā)生老化降解，以致在外觀形態(tài)上變黃、發(fā)脆、腐朽。針對這一問題，國內外許多學者對古代絲綢的老化機理作了研究。如張曉梅等[1]采用模擬光老化、熱老化及水老化的方法，了解絲綢蛋白質在光、熱和水的作用下的老化情況，從紅外光譜譜圖中發(fā)現，3 300 cm-1處的吸收峰強度增加及在1 520 cm-1處降低。李玲等[2]分析了影響古代絲綢的各種老化因素，認為蠶絲纖維主要是受到酸堿物質的破壞。

紅外二階光譜是近二十年興起的光譜學技術，與傳統(tǒng)色散型紅外光譜儀相比有其獨特之處，具有精度高、分辨率好、掃描速度快、靈敏度高、樣品用量少等優(yōu)點，并通過專門的計算機軟件對紅外光譜數據進行微分、去卷積等處理，能有效地分辨出重疊峰和強峰上的肩峰。蠶絲蛋白質的紅外吸收光譜主要是由一系列酰胺吸收帶組成，即酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶、酰胺Ⅲ帶、酰胺Ⅳ帶、酰胺Ⅴ帶、酰胺Ⅵ帶、酰胺Ⅶ帶，因此在實際應用中，可以采用紅外二榴光譜將原來吸收峰拆分為多個子峰，并通過曲線擬合方法定量計算蠶絲蛋白質分子構象的各個組分[3]。一般認為，蠶絲蛋白分子鏈主要包括4種構象[4]：無規(guī)線團結構、β-轉角、α-螺旋和β-折疊結構。其中無規(guī)線團結構、β-轉角、α-螺旋3種構象比較松散，因此本研究歸為無規(guī)構象計算。錢國坻[5]認為，蠶絲的紅外光譜中，1 265 cm-1附近處為β-折疊的歸屬，1 235 cm-1為無規(guī)構象。Bhat[6]提出采用1 265cm-1和1 235cm-1處吸收峰強度或吸收峰面積(A1265/A1235)作為蠶絲的結晶度指數，以此定量衡量蠶絲的結晶度。酰胺Ⅰ帶(1 700～1 600 cm-1)對于研究二級結構最有價值，但水分子在1 800～1 600 cm-1范圍內有很強的吸收峰，所以水的存在大大地制約了紅外光譜中有價值信息的獲得。蛋白質紅外光譜的另外一個區(qū)域——酰胺Ⅲ帶(1 220～1 330 cm-1)也可以用于蛋白質和多肽二級結構的分析，水分子在此吸收帶沒有吸收峰，解決了嚴重的水氣干擾問題。不同二級結構在酰胺Ⅲ帶的光譜性質特征明顯，擬合過程中易于將其分開，因此本研究只統(tǒng)計分析蠶絲蛋白酰胺Ⅲ帶的分子構象百分比。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

使用的材料為：經Na2CO3溶液精練過的現代蠶絲和法庫縣葉茂臺出土的遼代絲綢。具體處理過程[7]如下：將蠶繭切剖去蛹，稱重(約0.3g)，然后將蠶繭放入預先配置的5 % Na2CO3水溶液(水浴比為1∶100)中，加熱至95 ℃進行脫膠處理。0.5 h后，將蠶繭撈出，用去離子水沖洗并在30 ℃下干燥。重復上述操作后，把脫膠后的繭絲低溫烘干，獲得現代蠶絲纖維。法庫縣葉茂臺出土的古代絲綢，其表面呈黃色，脆化、酥粉，分析前必須小心地用去離子水漂洗，去除表面的殘留雜質后，在30 ℃下干燥。

1.2 測試條件及數據處理

紅外光譜測試采用美國Nicolet公司生產的Nicolet8700傅立葉紅外光譜儀，數據采集參數分辨率為4 cm-1，掃描次數為512次。采用omnic8.0軟件對紅外譜圖進行處理，自動進行水氣校正，然后對酰胺Ⅲ進行二級導數、去卷積、擬合等處理，計算各種蛋白質構象的面積。X-射線衍射分析采用的儀器是日本理學公司生產的D/MAX-RA型轉靶射線衍射儀(XRD)，衍射角掃描范圍(2θ)為10°～70°，工作電壓和電流分別為40 kV，100 mA，量程為2 000 Counts/s。采用origin7.0軟件對數據進行積分處理，分別計算結晶峰和非結晶峰面積。

2 結果及分析

2.1 現代蠶絲和遼代絲綢紅外光譜

圖1是現代蠶繭經精練脫膠后的蠶絲和遼代絲綢的紅外光譜。在3 300～3 290 cm-1處有N—H所產生的特征吸收峰，主要代表是N—H的振動吸收；在1 660～1 620 cm-1處有較強的吸收峰，它是酰胺Ⅰ的特征吸收譜帶，80 %是由C O伸縮振動所產生的，10 %是由C—N伸縮振動產生，10%是N—H彎曲振動吸收峰；在1 530～1 500 cm-1處的吸收譜帶是酰胺Ⅱ的特征吸收譜帶，其中60 %是由N—H面內彎曲變形振動所產生的，另外40 %是C—N伸縮振動吸收；在1 265～1 230 cm-1處代表的是酰胺Ⅲ的特征吸收；1 160 cm-1附近的吸收主要是C—O的伸縮振動吸收；在636 cm-1附近處為酰胺Ⅴ的特征吸收帶，主要是N—H面外彎曲振動所產生的吸收譜帶；波數在550 cm-1處的吸收是C O面外彎曲振動吸收產生的[8]。

與現代蠶絲紅外譜圖相比，遼代絲綢在3 300 cm-1附近吸收存在向低波數方向移動的趨向，同時吸收峰的強度也明顯增加。蠶絲蛋白α-螺旋、β-折疊等多種構象都與氫鍵有關，堿性物質及水分子的存在會使肽鏈之間氫鍵斷開，即小分子與肽鏈分子間氫鍵數目增加，而肽鏈與肽鏈分子間的氫鍵減少，反映在紅外光譜譜圖上酰胺Ⅰ伸縮振動吸收峰強度增加，波數向低波數方向位移。

圖1 現代蠶絲和遼代絲綢紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of modern silk and the Liao Dynasty Silk samples

根據朗伯-比爾定律，吸收峰面積與對應蛋白質構象含量成正比，由此計算得到現代蠶絲和遼代蠶絲各種蛋白質構象百分比(見表1)。從表1數據可以看出，現代絲綢β-折疊構象百分比小于遼代蠶絲。周叢照等人[9]根據基因序列得到家蠶絲蛋白重鏈的氨基酸序列，重鏈是含有5 263個氨基酸殘基的多肽，包含12個由GX(X＝Ser或Ala)重復序列組成的結晶區(qū)域，并且通過蠶絲的X-衍射圖得出每一個結晶區(qū)域包含1個β-折疊層或2個β-折疊層，意思就是β-折疊鏈在很大程度上組成了蠶絲蛋白的結晶區(qū)域，即表1結果說明遼代絲綢結晶度大于現代蠶絲結晶度。

表1 現代蠶絲和遼代絲綢各種蛋白質構象百分比Tab.3 Percentages of all protein conformations of modern silk and the Liao Dynasty Silk samples %

利用紅外專門分析軟件omnic8.0將紅外譜圖酰胺Ⅲ帶進行二階導數、去卷積等處理，然后對二階導數曲線進行多次曲線擬合，得到現代蠶絲和遼代蠶絲酰胺Ⅲ帶曲線擬合圖(見圖2和圖3)，最后分別計算各吸收峰面積。

圖2 現代蠶絲酰胺Ⅲ帶曲線擬合圖Fig.2 Curve fi tting chart of modern silk amide Ⅲ

圖3 遼代蠶絲酰胺Ⅲ帶曲線擬合圖Fig.3 Curve fi tting chart of Liao Dynasty Silk amide Ⅲ

2.2 現代絲綢和遼代絲綢X-射線衍射圖

從圖4看出，現代蠶絲蛋白和遼代蠶絲蛋白在2θ為20°處都有一個明顯的衍射峰，符合文獻[10]記載的蠶絲纖維在衍射角20°處有一個較強的衍射峰，說明二者均存在結晶區(qū)域。X-射線衍射峰積分面積代表了檢測物結晶程度，根據文獻[11]記載，在蠶絲纖維聚集態(tài)結構中由大部分β-折疊鏈和極少量α-螺旋鏈組成結晶區(qū)域，說明圖4中衍射峰是由β-折疊鏈和極少量α-螺旋鏈衍射形成的。采用origin軟件對衍射曲線經過積分處理后分別得到衍射峰面積和總面積，根據朗伯-比爾定律，衍射面積與結晶區(qū)域含量成比例，計算得到現代蠶絲和遼代蠶絲的結晶度分別為0.31和0.43，這一結果與紅外二階導數光譜計算結果基本一致。值得注意的是，比較二者衍射結果，遼代絲綢在衍射角2θ為8.97°處的衍射吸收更為明顯，具體原因值得進一步研究。

圖4 現代蠶絲(A)和遼代絲綢(B)X-射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction patterns of modern silk (A) and the Liao Dynasty Silk (B) samples

3 討 論

從蛋白質分子構象的角度分析[12]，α-螺旋鏈上是一個肽鍵的氧原子與其前面第三個肽鍵的氫原子生成分子鏈內的氫鍵，而β-折疊鏈是相鄰主鏈骨架之間形成氫鍵，且形成的氫鍵N—H…O 3個原子幾乎位于同一條直線上，氫鍵相對更強，比較這二者構象而言，水、酸堿等小分子破壞β-折疊鏈鏈間氫鍵比較困難，表現出對蠶絲蛋白β-折疊鏈的破壞影響較小。

從蛋白質的聚集態(tài)結構分析，蠶絲蛋白中存在著結晶區(qū)和非結晶區(qū)。結晶區(qū)通過肩并肩或者層疊層的方式形成更厚更寬的結構，因此在結構上比非結晶區(qū)域更為規(guī)整和穩(wěn)定。另外，蠶絲蛋白結晶區(qū)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組成[13]，在很大程度上減緩了水、酸堿等小分子的破壞作用，所以β-折疊鏈在一定時期內老化速度較為緩慢。

綜上所述，由于α-螺旋鏈等無規(guī)構象在結構上較為松散，所以對于長期處于墓葬中的蠶絲纖維而言，水、氧氣、酸堿等小分子物質對其破壞作用更為明顯，使得蠶絲蛋白中無規(guī)構象鏈降解速度快于β-折疊鏈，表現出在一段時間之內現代蠶絲結晶度反而低于老化的古代蠶絲。

4 結 論

1)采用二階導數紅外光譜和X-射線衍射技術分析法庫縣葉茂臺出土的遼代絲綢蠶絲蛋白構象，分析結果顯示這兩種方法的分析結論基本一致，證實了二階導數紅外光譜應用分析古代蠶絲蛋白結構的可靠性。

2)遼代蠶絲無規(guī)構象結構上的松散，造成水、酸堿等小分子物質對其破壞作用更為明顯，使得蠶絲蛋白中無規(guī)構象鏈降解速度快于β-折疊鏈，表現出一段時間內在蠶絲纖維結晶度上反而比現代蠶絲要高，這一結果說明古代蠶絲結晶度高不代表著保存狀況好。

3)遼代蠶絲由于受到堿性物質的影響破壞了分子鏈間的氫鍵，體現在紅外光譜中吸收峰強度增加，波數減少。這一結果解釋了蠶絲蛋白容易在堿性環(huán)境中老化降解的主要原因，因此在絲綢保護過程中應該注意堿性物質對其破壞作用。

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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

國家科技支撐計劃項目(2010BAK67B00)

陳華鋒(1983－ )，男，碩士研究生，研究方向為古代絲綢保護與研究。通訊作者：龔德才，教授，博導，gdclucky@ustc.edu.cn。