老化程度对蚕丝性能的机理研究.doc

I 人工老化对蚕丝纤维性能影响的机理研究 摘摘 要要 中国是世界上最早养蚕缫丝的国家 精美华贵的中国丝绸曾引导着世界潮 流 也是中国人为之自豪的发明和物质财富 由于丝织文物是由蛋白质 脂肪等有机物组成 很容易受到外界因素的破 坏 如温度 湿度 光 热 氧化物 有害气体等 其老化和损坏是众多因素 综合作用的结果 但只有把握单一环境下的老化机理 才能更进一步地研究多 种因素作用下的老化过程 而诸多因素中光照和温湿度对丝织品文物的影响是 最普遍的 同时也是造成文物损坏的最严重的因素 因此本文主要进行了紫外 光照射和温湿度条件下的模拟老化实验研究 蚕丝和柞蚕丝均出现不同程度的黄变甚至脆损 分别对其进行 X 射线衍 射测试 FT IR 的傅立叶去卷积分析以及氨基酸分析 结果表明在两种老化条 件下 桑蚕丝和柞蚕丝的结晶度均出现下降的趋势并且时间越久 光照强度越 大或者是温度越高 其结晶度下降的越厉害 这与运用 FT IR 的 FSD 方法计算 出来的蚕丝纤维酰胺 带三种二级结构的含量变化所反映的问题相一致 即随 着光照射时间的延长及光照强度的增大或者温度的增加 折叠结构的含量逐渐 变少 无规卷曲的含量在增加 整个结构趋于无规化 结晶度变小 但是两者 不同的是在温湿度的老化条件下结晶度是先变大再减小 而氨基酸测试结果表 明两种老化条件下 侧基较大或极性氨基酸减少的比较多 特别是非常灵敏的 酪氨酸的变化及变化的大小可以作为老化的发生及老化程度的证据之一 氨基 酸分析 从分子水平上给出各种老化的特征及老化程度 关键词关键词 蚕丝纤维 人工老化 紫外光照射 恒温恒湿 X 射线衍射 红 外光谱 傅立叶自去卷积 氨基酸 II ABSTRACTABSTRACT China is the earliest sericulture filature country exquisite luxurious Chinese silk has led the world trend the Chinese people are proud of invention and material wealth Silk heritages are made of proteins fat and other organic so they are likely to damaged by external factors such as temperature humidity light heat oxides harmful gases Silk s aging and damage is caused by many factors But only hold single environment aging mechanism then under various factors of aging process will be studied further Among the factors temperature and light are the most common impact on the silk relics and also they are the most serious factors cause heritages damage This article mainly research the simulated aging test under the UV light and the temperature and humidity conditions Under 30W and 60W UV light aging conditions or under RH 90 40 and 80 aging conditions the mulberry silk and the tussah silk are all showing yellowing of vary degrees even respectively brittle or damaged After X ray diffraction FT IR Fourier deconvolution analysis and amino acid analysis results showed that under the two aging conditions the crystallinities of the mulberry silk and the tussah silk show decline trend and if more time passes the greater the light intensity or the higher the temperature the decrease of the crystallinity was more severe They consistent with the problems reflecting by using of the FSD FT IR method to calculate the contents change about the amide out of silk fiber with three secondary structure that is with the irradiation time and light intensity increases or the temperature increase sheet structure content gradually become less not owned curl contents is increasing the whole structure tends to be no naturalized crystallinity is smaller But the differences between them are that under the aging temperature and humidity conditions the crystallinity become larger first and then decreases The test results indicated that under the aging conditions of the two amino acids large or III polar amino acid side groups are more reduced in particular under these two conditions sensitive tyrosine change or the size of the change are evidence of aging occurrence and aging degree Amino acid analysis gives the characteristics and degree of a variety of aging from the molecular level Key words Silk fiber Artificial aging UV light Constant temperature and humidity XRD FT IR FSD Amino acid IV 目目 录录 摘 要 I ABSTRACTABSTRACT II 目 录 IV 第一章 前言 1 1 1 蚕丝纤维的结构和性能 2 1 2 蛋白质的结构 4 1 2 1 氨基酸 蛋白质分子的基础构件 4 1 2 2 蛋白质的二级结构 5 1 3 丝织品老化的影响因素 7 1 3 1 光对丝织品的影响 8 1 3 2 温 湿度对丝织品的影响 9 1 4 丝织物测试方法概述 11 1 4 1 X 射线衍射 13 1 4 2 红外光谱分析 14 1 4 3 FSD 方法概述 15 1 4 4 氨基酸组分分析 17 第二章 实验部分 19 2 1 实验材料及仪器设备 19 2 1 1 实验材料 19 2 1 2 仪器设备 19 2 2 老化实验方法 19 2 2 1 紫外光老化实验方法 19 2 2 2 恒温恒湿老化方法 20 2 3 仪器测试方法 20 V 2 3 1 X 射线衍射分析测试 20 2 3 2 FT IR 分析测试 21 2 3 2 氨基酸分析测试 21 第三章 光老化结果与讨论 22 3 1 X 射线衍射分析测试结果与讨论 22 3 1 1 桑蚕丝 XRD 结果讨论 22 3 1 2 柞蚕丝 XRD 结果讨论 23 3 1 3 XRD 测定样品结晶度的变化 23 3 2 FT IR 测试结果与讨论 25 3 2 1 桑蚕丝 FT IR 测试结果讨论 25 3 2 2 柞蚕丝 FT IR 测试结果讨论 26 3 3 FSD 二级结构测定结果与讨论 27 3 3 1 桑蚕丝 FSD 二级结构测定结果讨论 27 3 3 2 柞蚕丝 FSD 二级结构测定结果讨论 32 3 4 氨基酸测试结果与讨论 37 3 4 1 桑蚕丝氨基酸测试结果与讨论 37 3 4 2 柞蚕丝氨基酸测试结果与讨论 42 3 5 本章结论 46 第四章 恒温恒湿老化结果与讨论 48 4 1 X 射线衍射分析测试结果与讨论 48 4 1 1 桑蚕丝 XRD 结果讨论 48 4 1 2 柞蚕丝 XRD 结果讨论 49 4 1 3 XRD 测定样品结晶度的变化 49 4 2 FT IR 测试结果与讨论 51 4 2 1 桑蚕丝 FT IR 测试结果讨论 51 4 2 2 柞蚕丝 FT IR 测试结果讨论 52 4 3 FSD 二级结构测定结果与讨论 52 4 3 1 桑蚕丝 FSD 二级结构测定结果讨论 53 VI 4 3 2 柞蚕丝 FSD 二级结构测定结果讨论 56 4 4 氨基酸测试结果与讨论 60 4 4 1 桑蚕丝氨基酸测试结果与讨论 60 4 4 2 柞蚕丝氨基酸测试结果与讨论 64 4 5 本章结论 66 第五章 结 论 68 参考文献 70 硕士论文期间发表的论文 75 致 谢 76 1 第一章第一章 前前 言言 中国是世界上最早养蚕缫丝的国家 精美华贵的中国丝绸曾引导着世界潮 流 也是中国人为之自豪的发明和物质财富 其发展至今已有五千多年的悠久 历史 是人类文明的见证者 在首都博物馆 湖南省博物馆 吐鲁番学研究院 陕西历史博物馆和法门寺博物馆等 5 家博物馆 都收藏有春秋至清代的大量传 世品和出土的丝织品 服饰及相关文物和资料 各馆通常采用传统方式进行修 复和保护 同时也在尝试一些新的方法进行丝绸文物的修护 目前为国内业界 人士所认可的博物馆内环境参数指标范围是 温度为 15 25 相对湿度为 45 65 这是博物馆大环境的基本要求 蚕丝纤维是一种蛋白纤维 与棉 麻 毛并称为四大天然纤维 其制品质 地轻柔飘逸 光泽优雅 手感柔软 外观华丽 透气性好 服用卫生及舒适 深受消费者们的喜爱 被誊为 纤维皇后 一方面由于蚕丝纤维某些优良的性 能是其它纤维所不具备和无法替代的 如穿着时与人体皮肤间特有的亲和性等 另一方面 由于 绿色 天然 等消费理念越来越受到人们的重视 从而使 蚕丝在多元化 多样化的纤维中依然保持着其独特的魅力 在化学 合成等人 造纤维从 仿真 到 超真 性能改良的同时 国内外丝绸研究者们也在不断 地探索改良丝绸产品与赋予丝绸制品新功能的新方法 新思路 从而保证了蚕 丝纤维在纤维业中的一席之位 但丝绸作为一种蛋白质材料 也具有易黄变 易老化等不足 这也给古丝 绸保护及现代丝绸制品的使用带来了严重的影响 所以 丝绸制品的老化特征 及机理研究是考古工作者和现代丝绸科技工作者的一项重要课题 如同高分子聚合物的老化一样 丝织品的老化是指改变其结构或性能的任 何过程 对古代丝织品的老化原因及老化程度的确定 是研究 选择及评价保 护方法的重要依据 并可为后人提供与丝绸文物保存状况及其变化有关的基本 信息资料 从而使对丝织品的长期跟踪研究 保护成为可能 第一章 前 言 2 1 1 蚕丝纤维的结构和性能蚕丝纤维的结构和性能 蚕丝主要是由丝素 Silk Fibroin 简称 SF 与丝胶 Silk Sericin 简称 SS 两大 部分组成 其中丝素是组成蚕丝的主体部分 位于蚕丝的内层 约占蚕丝的 75 丝胶在蚕吐丝结茧过程中作为保护物和胶粘剂包覆在丝素纤维的外部 约占蚕 丝的 25 除此之外 蚕丝中还含有蜡质 脂肪和灰分 丝素 为纤维状复合蛋白 难溶于水 主要由 H 链 约 5112 个氨基酸残基 分子量 350ku L 链 约 244 个氨基酸残基 分子量 25 8ku 及糖蛋白 P25 203 个氨基酸残基 分子量 23 55ku 另加 3 个寡糖链 组成 分子比为 H L P25 6 6 1 H 链和 L 链两条链由各自 C 末端的二硫键相互连接 形 成复合体 H L P25糖蛋白以非共价的相互作用参加 H L 复合体中 丝素蛋白的 基本单位是 6H 6L 1P25 分子量约 2286ku 丝素蛋白分子链主要包括 3 种构 象 无规线团结构 螺旋和 折叠链结构 现在一般认为丝素晶区部分的分 子链排布主要有两种形式 即 silk I 螺旋构象 和 silk II 反平行 sheet 构象 一般分别将丝素的 型和 型称为 Silk I 和 Silk II Silk I 的晶体结构模型由 B Lots 1 提出 平林洁 小西孝 2 等也对其进行过研究 其立体构象呈曲柄形 是介于 折叠与 螺旋之间的一种中间形态 Silk II 的晶体结构模型由 Marsh 3 根据 X 射线衍射结果提出 是反平行 折叠层结构 属斜方晶系 高桥 4 等对 Silk II 的晶体结构模型进行了修正 丝素蛋白由 18 种氨基酸组成 见表 1 1 其中甘氨酸 Gly 丙氨酸 Ala 和 丝氨酸 Ser 这三种氨基酸含量丰富 约占总数的 85 且三者的摩尔比为 4 3 1 5 6 并且按一定的序列结构排列成较为规整的链段 这些链段大多位 于蚕丝蛋白的结晶区域 与桑蚕丝相比 柞蚕丝丝素中氨基酸含量比例有所不 同 如甘氨酸少于丙氨酸 与桑蚕丝中情形相反 桑蚕丝丝素是由重复氨基酸 序列单元 GAGAGS 8 构成的结晶部分和无序氨基酸构成的无定形部分组成 丝胶 为球状蛋白 具有良好的水溶性和吸水性 丝胶大分子也是由 18 种 氨基酸组成 但含有的极性侧链的氨基酸比例较丝素高 约为 81 5 其中丝 氨酸的含量约 32 7 甘氨酸 丝氨酸及天门冬氨酸的含量占氨基酸总含量的 3 60 以上 8 9 目前比较普遍被人们所接受的观点是小松计一提出的四层丝胶理 论 丝胶的二级结构以无规卷曲为主 并含有部分 折叠构象 几乎不含 螺 旋结构 且内层丝胶中含有的 结构比例相对外层丝胶来说要高 表表 1 1 氨基酸的结构与性质氨基酸的结构与性质 极性名称代号化学结构 R 中酸碱 非极性亲水性疏水性 甘氨酸GlyH OO 丙氨酸AlaCH3 OO 缬氨酸Val CH3 2CH OO 亮氨酸Leu CH 2CHCH2 OO 异亮氨酸IleCH3CH2CH CH3 OO 苯丙氨酸PheC6H5CH2 OO 蛋氨酸MetCH3SCH2CH2 OO 色氨酸TryOOO 脯氨酸Pro NH COOH OO 酪氨酸Tyr HOCH2 OO 胱氨酸CysSCH2 SCC2 OO 丝氨酸SerHOCH2 OO 苏氨酸ThrCH3CH OH OO 天门冬氨酸AspHOOCCH2 OO 谷氨酸GluHOOCCH2CH2 OO 组氨酸His NN C H2 OO 赖氨酸LysH2NCH2CH2CH2CH2 OO 第一章 前 言 4 精氨酸ArgOO 1 2 蛋白质的结构蛋白质的结构 1 2 1 氨基酸氨基酸 蛋白质分子的基础构件蛋白质分子的基础构件 可以这样比喻 氨基酸好比堆积木中的一个个小木块 堆好的积木好比是 蛋白质分子 又好比是砖房 氨基酸好像是砖块 房子好比是蛋白质分子 自 然中存在的蛋白质种类上万 结构和功能上的多样性却是由区区 20 种氨基酸决 定 这些氨基酸的通式见图 1 1 在 碳原子上以共价键分别与氢原子 氨基 一 NH3 羧基 一 COO 多变的侧链 R 相连 氨基酸在中性的溶液中主 要是偶极离子 即兼性离子 zwitterion diPolarion 不是未电离的分子 氨基 酸中 碳原子与 4 个不同的基团相连 除了甘氨酸 Gly G 使得氨基酸具 有旋光性 有 L 型氨基酸和 D 型氨基酸两个异构体 但自然中只有 L 型氨基酸 参与蛋白质组成 10 H3N C R H COO 图图 1 1 氨基酸的结构通式氨基酸的结构通式 存在于蛋白质中的 18 种氨基酸的化学式及性能见表 1 1 根据文献 11 可以分为带严格疏水侧链的氨基酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯 丙氨酸 脯氨酸 甲硫氨酸 带电的氨基酸 天冬氨酸 谷氨酸 赖氨酸 精 氨酸 极性侧链的氨基酸 丝氨酸 苏氨酸 半胱氨酸 天冬酞胺 谷氨酞 组氨酸 酪氨酸 色氨酸 甘氨酸侧链只有一个氢原子 它分属第四类或第一 类 疏水氨基酸出于避开水的需要 一般在分子内 而极性氨基酸在分子外 可与外环境中的极性水分子接触 对于较大的氨基酸一般是按这个原则的 Val Leu Ile Pro phe 因 Gly 和 Ala 太小 处于分子的内部和表面的几率 差不多 带电荷的侧链很少出现在分子内部 中性的极性氨基酸一般在蛋白质 分子表面 如果它的主链与其它主链能形成氢键而被中和 则可分布在分子内 部 Ser Thr Asp Glu 常以氢键交叉连接两条肽链 Tyr 和 Trp 内外均可见 5 到 但当 Tyr 处于蛋白质分子内部时 它的羟基必须形成氢键 带电荷的氨基 酸 均能以不带电或带电的形式存在 带电与否取决于周围环境的 PH 值 大 多数氨基酸有多条原则适用 可见它们是复杂的 11 蛋白质是由一个个氨基酸由主链 多肽链 串起来 可以由一串或多串组 成 为了研究方便 学者们把蛋白质分为不同的组织层次 level hierachy 来研 究 并且将其分为一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 一级结构 primarystrueture 是多肽链的氨基酸序列 二级结构 secondary structure 是多 肽链通过氢键排列成有规则的片断 如 螺旋 折叠片 三级结构 tertiary structure 是多肽链通过各种非共价键折叠成具有特定走向的紧密球状构象 四 级结构 quaternary structure 是指多聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系 和结合方式 一级结构是仅涉及共价键 其它高级结构层次主要是由非共价力 如氢键 离子键 范德华力 疏水作用等 决定 本论文主要讨论蚕丝纤维 蛋白的二级结构 1 2 2 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 蛋白质分子在形成疏水核心时有一部分主链埋在内部 而主链是高度亲水 的 埋在内部的主链极性基团 C O N H 只有被氢键中和才能稳定 由于氢键 的维持 蛋白质主链折叠成局部肽段的构象 这就是二级结构 常见的有 螺 旋 折叠片 无规卷曲等 12 一 螺旋 螺旋 Pauling 等人 13 对 角蛋白 keratin 进行了 X 射线衍射分析 从 衍射图中看到有 0 5 0 55nm 的重复单位 故推测蛋白质分子中有重复性结构 并认为这种重复性结构为 螺旋 helix 如图 1 2 第一章 前 言 6 图图 1 2 螺旋的四种不同表示方式 图片来源于文献螺旋的四种不同表示方式 图片来源于文献 14 螺旋的结构特点如下 多个肽键平面通过 碳原子旋转 相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋 主链呈螺旋上升 每 3 6 个氨基酸残基上升一圈 相当于 0 54nm 这与 X 射 线衍射图相符合 相邻两圈螺旋之间借肽键中 C O 和 N H 形成许多链内氢健 即每一个氨基 酸残基中的 N H 和前面相隔三个残基的 C O 之间形成氢键 这是稳定 螺旋 的主要键 肽链中氨基酸侧链 R 分布在螺旋外侧 其形状 大小及电荷影响 螺旋的 形成 酸性或碱性氨基酸集中的区域 由于同电荷相斥 不利于 螺旋形成 较大的 R 如苯丙氨酸 色氨酸 异亮氨酸 集中的区域 也妨碍 螺旋形成 脯氨酸因其 碳原子位于五元环上 不易扭转 加之它是亚氨基酸 不易形成 氢键 故不易形成上述 螺旋 甘氨酸的 R 基为 H 空间占位很小 也会影响 该处螺旋的稳定 二 片层结构 Astbury 等人曾对 角蛋白进行 X 射线衍射分析 发现具有 0 7nm 的重复 单位 如将毛发 角蛋白在湿热条件下拉伸 可拉长到原长二倍 这种 螺旋 的 X 射线衍射图可改变为与 角蛋白类似的衍射图 说明 角蛋白中的结构和 螺旋拉长伸展后结构相似 两段以上的这种折叠成锯齿状的肽链 通过氢键 相连而平行成片层状的结构称为 片层 pleated sheet 结构或称 折叠 strand 7 图图 1 3 在平行在平行 a 和反平行和反平行 b 折叠片中氢键的排列折叠片中氢键的排列 图片来源于文献图片来源于文献 14 折叠结构特点是 肽链相当伸展的结构 肽链平面之间折叠成锯齿状 相邻肽键平面间呈 110 角 氨基酸残基的 R 侧链伸出在锯齿的上方或下方 依靠两条肽链或一条肽链 内的两段肽链间的 C O 与 N H 形成氢键 使构象稳定 两段肽链可以是平行的 也可以是反平行的 即前者两条链从 N 端 到 C 端 是同方向的 后者是反方向的 片层结构的形式十分多样 正 反 平行能相互交替 平行的 片层结构中 两个残基的间距为 0 65nm 反平行的 片层结构 则间距为 0 7nm 三 无规卷曲 没有确定规律性的部分肽链构象 肽链中肽键平面不规则排列 属于松散 的无规卷曲 Random coil 如图 1 4 第一章 前 言 8 图图 1 4 无规卷曲无规卷曲 图片来源于文献图片来源于文献 14 1 3 丝织品老化的影响因素 丝织品文物被损坏的原因是多方面的 除文物自身的结构 性质不稳定外 还要受到人为因素和环境因素的影响 人为损害文物的现象 可以随着对文物 保护重要意义的广泛认识和全民族文化素质的不断提高 以及完整而科学的文 物保护法规的出台而逐渐减少 直到彻底消除这些不应有的现象 丝织品文物 是由蛋白质组成 属于有机物 这些有机物又是霉菌和细菌的丰富养料 所以 很容易发生虫蛀现象 促使丝织品朽坏的最常见因素有潮湿 温热 通风不良 动植物病害的侵蚀 对酸 碱 盐 氧化剂 还原剂以及空气 温度 光和热 等都比较敏感 温度过高会造成织物的干朽或脆裂 从而使丝织品糟朽变色 暴露在过多的光和有害气体下也会引起糟朽变质 若接触到金属如铜 铁等 则会被形成的金属氧化物腐蚀而生成锈斑 昆虫及微生物的排泄物 如粪便等 也会腐蚀和污染织物 导致丝绸老化 对丝织文物造成深度破坏 15 16 17 诸 多因素中 光照和温 湿度对文物的影响是最普遍 同时也是造成文物损坏的 最普遍 最严重的因素 因此 本文主要从这两个方面对丝织品老化进行探讨 但丝织品类文物的损坏 不是某一种因素的作用 常常是几种因素共同作用的 结果 18 9 1 3 1 光对丝织品的影响 耐光性差是蚕丝纤维的一大缺点 丝素对光的作用很敏感 日光的作用 不只是断裂丝素结构中的氢键 更重要的是促进丝素的氧化 19 丝蛋白大分子 在紫外光的作用下 容易发生光化学反应 特别是当肽链上存在叔碳时 更易 发生光敏反应 而生成自由基 造成链的解离 使丝绸的强度明显下降 变色 发脆 通过试验得知 将丝绸残片置于紫外光下 两天后颜色就变淡 在实验 中 施加光能和热能可观察到丝绸强度和颜色的变化 足以证明光使丝织品本 身的分子结构发生了变化 如断裂等 同时 红外光和可见光也有一定的破坏 作用 红外光是热辐射线 丝织品被红外光照射 使被照物表面及内部湿度急 剧上升 产生内应力 出现翘曲 龟裂等 而且光辐射纤维的破坏作用是渐进 的变化过程 光照停止 后期破坏作用仍在继续 如果在潮湿环境中 就会加 速质变过程 引起光氧化的原因是很复杂的 实验表明蚕丝很容易受紫外线的影响 日 光中的紫外线是引起蚕丝力学性能下降的主要原因 同时 不少实验也表明 在紫外线照射下蚕丝还会变黄 力学性能的下降 称为光脆化 是由于光氧化 使丝素肽链降解 即分子链切断 所致 变黄则被认为是丝素蛋白质中带芳香 环的氨基酸残基被氧化呈现的颜色 蚕丝中含芳香环的氨基酸有酪氨酸 色氨酸和苯丙氨酸 而在蚕丝中色氨 酸和苯丙氨酸含量较少 就目前来说 对蚕丝发生黄变的原因虽尚无定论 但 总的看法是蚕丝发生黄变与其肽链中的芳香侧链 特别是酪氨酸与色氨酸的变 化有关 蚕丝的黄变与降解 主要发生在非结晶区 一方面 发生黄变的芳香族氨 基酸主要在非结晶区 另一方面 发生分子链断裂 主要是因酪氨酸 缬氨酸 天门冬氨酸 谷氨酸 苏氨酸 亮氨酸等体积大的氨基酸残基分解而造成 这 些大体积氨基酸也都存在于蚕丝的非结晶区中 引起蚕丝破坏的日光中的紫外线 其波长约在 290 400nm 太阳能在辐射 到地球表面的过程中 由于空气分子以及臭氧 水蒸气 灰尘引起的散射等而 受到衰减 290nm 以下的紫外线被大气层中的臭氧所吸收 使日光中照射到地 球表面的紫外线量仅为 5 10 故实际上日光辐射中对蚕丝最有破坏力的波 第一章 前 言 10 长是在 300nm 左右 当然具体来说 导致光黄变和光脆化的影响最大的波长范 围并不完全相同 1 3 2 温湿度对丝织品的影响 丝织品的原料为丝素纤维 它们都是吸湿性物质 吸湿后水分子进入丝素 纤维 造成体积膨胀 重量增加 强度降低 所谓空气的湿度也就是空气的潮湿程度 以空气中水汽含量的多少来表示 空气中含水汽量多 空气湿度就大 反之 空气中含水汽量少 空气湿度就小 湿度分为绝对湿度和相对湿度两个不同概念 日常所说的湿度是相对湿度 绝 对湿度是单位体积空气中所含的水汽量 即空气中水汽的密度 以每一立方米 空气中所含的水汽重量表示 单位为克 立方米 通常用 Q 代表绝对湿度 绝对 湿度一般不受温度变化的影响 而相对湿度都随着温度的变化而改变 相对湿度是指一定空间内 空气实有的水汽压 C 与相同温度下饱和水 气压 E 的百分比 常用 R H 表示 R H C E 100 相对湿度的另一概念为 在一定的温度下 空气的绝对湿度与该温度下空 气中水汽的最大饱和量的百分比 空气中的水汽压与水汽重量紧密相关 故相 对湿度概念的两种解释是一致的 相对湿度的数值表示 在该空间内 一定的温度下 空气中充满着多少蒸 汽 还差多少就接近露点 即相差多少就使水分从空气中凝结下来 百分数值 愈大 表示湿度愈大 反之湿度愈小 若 C E R H E R H 100 空气过饱和状态 在一定的温度下 E 值不变 R H 随 C 值而变化 即空气中水汽含量增 加时 相对湿度增大 水汽含量减少时 相对湿度减少 当空气中水汽含量不 变时 R H 随 E 值变化 E 值愈大 R H 值就愈小 即饱和水汽压与相对湿 度成反比 气温越高 即饱和水汽压愈大 相对湿度就愈小 反之 气温愈低 相对湿度愈大 11 实际上 空气中水汽含量和气温同时变化 而后者的含量大于前者 绝对 湿度是空气中所含水汽的实际重量 一般不受温度变化的影响 但相对湿度却 随温度的变化而显著地变化着 气温是影响相对湿度的主要因素 当绝对湿度 相同 而气温不同时 会出现不同的相对湿度 当空气的相对湿度显著增大 用提高室温的办法 可维护空气中的水蒸气处于平衡状态 而不致凝结落水 也可用机械去湿的办法 将空气降温冷却 使空气中水分凝聚下来 达到去湿 的目的 在同一空间中 绝对湿度相同 温度不同时 相对湿度也就不同 一 般说一定的空间含水量一定时 温度每上升 1 相对湿度可低 5 左右 因此 同一时期文物库房的含水里即使未变 如果温度改变了 那么相对湿度也就会 发生变化 另外 不同的地方 不同的季节 甚至同一地方 同一天内 在不 同的时刻相对湿度也是有所不同的 液态自由水对改变相对湿度也是起着重要 作用 一般说 相对湿度低于 100 的天气是很少见的 这种空气湿度达到饱和 的状况在我国南方地区的某些梅雨季节是能达到的 这是因为南方有足够的液 态自由水满足气温的要求 在我国北方 很难出现这种特殊的情况 因为雨水 被干燥的土地吸收而失去自由水 由于各类文物的质地与结构是不同的 因而 它对湿度的要求也就有所不同 丝织品的老化因素较多 机理复杂 湿度是老化的因素之一 丝的含水量 与相对湿度有关 20 RH 时约为 9 70 RH 时约为 11 98 RH 时为 27 如果空气过于干燥 即空气的湿度较小 那些保水性差的文物 特别是 当水分子在其中以某些链力而存在 对水敏感的材料的含水量减少 从而使它 们收缩 起翘 开裂以致变脆易碎 过低的湿度对丝织品类文物的威胁最大 由于其中的纤维导管形成的毛细管的孔径较大 保水性差 因此即使环境湿度 较大 仍会因水分的蒸发而失水 在水的表面张力作用下的收缩成为不同步的 进行 产生的应力就不同 哪方面产生的应力大 就会向哪一方面卷曲 当表 面的材料承受不住应力时 便会发生断裂 给纤维文物以致命的破坏 湿度过大 文物由于吸潮量大会明显加重 空气中的氧和纤维素的氧化反 应迅速进行 生成粉碎性氧化纤维 若温度高 空气中有适当酸度 此时不但 造就了最有利于霉菌和虫类等微生物生长繁殖的条件 而且还会使丝织品产生 皱缩 绝大部分有机物质所构成的文物就会生虫 生霉 霉菌对天然植物纤维 第一章 前 言 12 有较强的分解能力 使大分子的纤维分解为小分子的葡萄糖 一般说 文物库 房温度超过 20 湿度高于 65 再加上通风不畅 此类文物就会生霉 形成 菌落 丝绸发霉的地方就腐蚀 生出霉斑 霉菌在丝织品上会留下难以除去的 污染点 并使织物退色 生霉的结果 使此类文物变脆 老化 强度降低 大 大缩短其寿命 纤维质地的文物在被霉菌腐蚀分解的过程中会产生二氧化碳和 水 因而发霉的文物比未发霉的更潮湿些 并且发粘 变软 在检查库房时如 果发现有泛潮现象 很可能就是文物被霉菌消化 吸收的过程 20 1 4 丝织物测试方法概述丝织物测试方法概述 在已发表的古代丝织品老化研究文献中 大部分都是人工模拟老化的研究 没有建立系统研究的概念 古代丝织品包含了大量古代信息 不能够进行系统 全面的分析 必然导致信息材料的损失 因此 古代丝织品系统分析研究应该 成为研究的方向和趋势 如图 1 5 所示 古代丝织品系统分析示意图 13 图图 1 5 古代丝织品系统分析示意图古代丝织品系统分析示意图 蚕丝蛋白质具有的特定生理活性在很大程度上由其构象决定 21 22 目前 蚕丝蛋白结构分析的常用方法各有其局限性 核磁共振技术只能测定小分子蛋 白质的结构 圆二色谱只能应用在很窄浓度范围内的澄清溶液中 荧光和紫外 光谱只能测定蛋白质分子中少数带有发色团的氨基酸残基 如 Trp Tyr 等 23 24 拉伸实验为传统的检测纺织品强度的力学方法 通常人们用强度来衡量织 物的保存状况或老化程度 丝织品老化的一个显著特征就是其机械强力下降 因此通过强伸度测试来分析丝织品的老化程度是一种有效的方法 对于红外光 谱 每种氨基酸残基都是发色团 它适用于不同状态 不同浓度及不同环境中 蛋白质和多肽的测定 25 X 射线晶体衍射是确定蛋白质构象最准确的方法 氨 基酸分析技术始于二十世纪三 四十年代 现在己成为蛋白质化学 生物化学 和整个生命科学研究以及产品开发 质量控制和生产管理领域中一种非常重要 的分析方法和检测手段 因此本文主要应用这三种测试方法探讨老化丝织品的 老化程度及老化机理 26 1 4 1 X 射线衍射 一般认为 X 射线衍射法是一种主要的 可靠的研究结晶度的方法 它具有 结果稳定 重复性好等优点 X 射线衍射图样中 既有结晶物质的衍射峰 又 有非晶物质的弥散峰 27 因此 通过测定结晶部分的衍射强度 所有衍射峰的 强度总和 和非晶部分的散射强度 就可以计算出物料的结晶度 但是由于计 算结晶度的方法有很多 不同的人测试的结果可能不同 目前通过 X 射线衍射 图谱计算结晶度的方法主要有面积法 即本实验采取的方法 以及计算机分峰 法 分峰法首先要对衍射图谱进行分峰处理 借着计算各个峰下的面积 然后 以总的峰面积除以总衍射面积而计算出结晶度 28 29 30 第一章 前 言 14 X 射线结构分析以 X 射线在物质中的衍射现象为依据 X 射线是一种电磁 一电离射线 其中波长 0 2nm 为软射线 X 射线结构分 析使用的射线波长在 0 05 0 25nm 之间 如果一束 X 射线射向一晶体 当以某一 角射至原子层时 总是被强烈的 反射 而有 n 2dsin 研究纤维材料结构时 将一束窄小的单色平行 X 光射在多晶体试样上 便 形成一些同轴的衍射锥面 大部分纤维 X 射线图不是形成圆环状 而是成干涉 弧 从而证明晶体具有取向性 如果有若干种不同尺寸的晶体 不同晶面间距 离 那么 X 射线图上就有相应数量的干涉弧 干涉弧越宽 说明晶体排列的 取向程度越低 X 射线在无定形区的散射则形成漫射环 蚕丝纤维由结晶区和非结晶区两部分组成 当 X 射线照射到蚕丝纤维样品 上时 会产生一系列独立的衍射环或弧 非晶区则产生弥散的连续的晕圈 从 而得到 X 射线衍射强度曲线 曲线是晶区和非晶区的贡献叠加在一起形成的 其衍射强度分别与其相应的晶区和非晶区的重量成正比 纤维在不同老化条件 作用下 其分子链会发生断键 造成纤维内晶区与非晶区重量含量发生变化 从而会反映在 X 射线衍射谱上 根据图谱就可以了解老化引起的丝纤维结晶度 与老化程度之间的关系 蚕丝蛋白的二级结构包括无规线团 螺旋和 折叠结构 其中桑蚕丝中 螺旋特征衍射峰对应于 2 24 8 折叠结构的特征衍射峰对应于 2 20 8 柞蚕丝的特征结晶衍射峰对应于 2 17 21 24 31 1 4 2 红外光谱分析 傅里叶变换红外光谱 FT IR 是一种有效的光谱学技术 与传统色散型红 外光谱仪相比有其独特之处 具有高光通量 高的信噪比 高精度 分辨率好 扫描速度快 灵敏度高 样品用量少 并配备有功能很强的计算机系统等一系 列优点 由于组成分子的各种基团都有自己特定的红外吸收区域 所以 FT IR 还被认为是一种分析化合物结构的万能仪器 32 分子处于一定的能态下 分子本身在不停的运动 构成分子的原子相对于 15 键的平衡位置在不断地振动 当纤维试样受到红外光照射时 纤维分子吸收一 部分光能并转变为分子的振动能和转动能 从而使分子由低能态跃迁到高能态 红外吸收光谱正是因为物质的分子对红外线选择吸收而产生能级跃迁 从而在 原来连续谱带上某些波长的红外线强度降低 如果原来入射线强度为 I0 透射 后强度为 I 则透射率 I I0 吸收率 1 透射率 不同种类和不同形状的各种分 子只能吸收特定波长的电磁波 因而不同分子具有不同特征的振动 振转光谱 根据特征吸收峰位置和强度的变化可以对样品的结构变化做出判断 对丝纤维 而言 特征吸收大多发生在 4000 650cm 1之间 丝织品是由蛋白质组成的高分子材料 易于受多种因素的影响而降解老化 33 丝的红外光谱可反映丝绸因老化而导致的分子结构变化的信息 34 蛋白质 的红外吸收光谱主要是由一系列酰胺吸收带组成的 即胺 I 带 酰胺 II 带 酰 胺 III 带 酰胺 带 酰胺 带 酰胺 带 酰胺 带 酰胺 A 带和酰胺 B 带 酰胺 带 1600 1700cm 1 对于研究二级结构最有价值 研究的也最多 但是 H2O 在 1640cm 1附近的吸收对其准确定量造成很大的影响 目前可以采用吹扫 差减即氘带等方法消除水的干扰 35 但都不能达到十分满意的效果 酰胺 III 带由于信号较弱 过去很少用于蛋白质二级结构的分析 但由于 H2O 在此吸收 带没有吸收峰 解决了严重的水汽干扰问题 不同二级结构在酰胺 III 带的光谱 性质特征明显 通过傅里叶自去卷积 FSD 二阶导数法和 Gausse 曲线拟合 处理 36 后易于将其分开 尤其对于酰胺 I 带中因谱峰重叠难以区分的螺旋和无 规卷曲结构 在酰胺 III 带中得以明显的分离 从而使人们利用酰胺 III 带对蛋 白质的构象进行定量或半定量的分析成为可能 由于酰胺 III 带信号较弱 一直 没有得到足够的重视 而且各种二级结构谱带的指认相对还不太成熟 不同文 献的谱带归属区别较大 37 39 在酰胺 III 带中 螺旋和 折叠的谱峰归属已经 得到了一些应用 38 40 而无规卷曲的谱峰指认至今没有明确的定论 Cai 和 Singh 等 41 把 1270 1255cm 1归属于无规结构 结果造成无规结构的含量和 X 射 线衍射数据相差较大 在蚕丝蛋白二级结构的研究中 一般把无规卷曲的谱峰 归属于 1245 1270 cm 1范围内 如下表 1 2 所示 可作为酰胺 带的谱峰指认 标准 42 表表 1 2 酰胺酰胺 带各谱峰的指认标准带各谱峰的指认标准 二级结构类型酰胺 带 波数 cm 1 第一章 前 言 16 螺旋1330 1290 折叠1220 1250 无规卷曲1245 1270 此外 1977 年 Magoshi 50 和 1980 年印度孟买大学 Bhat 51 教授提出了蚕丝 纤维红外光谱中较易分辨的两个波带 1265 1235cm 1 可作为红外光谱测定蚕 丝纤维结晶度的依据 这无疑将对红外光谱在蚕丝纤维结构的定量研究方面起 重要作用 蚕丝纤维的结晶程度 过去常由 C O 伸缩振动所引起的 1660cm 1和 1625cm 1两个谱带强度之比 D1625 D1660 来确定 然而这些带在蚕丝纤维的红 外光谱上较平坦 难以作为精确定量依据 但多肽化合物中 酞胺 特性谱带 对不同的多肽 其强度之比是不同的 对蚕丝纤维来说 这两谱带较易分辨 能反映出结晶程度 因此 Magoshi 和 Bhat 提出采用这两谱带强度之比 D1265 D1235 来作为结晶度定性和定量测定的依据 52 1 4 3 FSD 方法概述 傅立叶自去卷积法 FSD 法 是一种基于傅里叶变换的重叠峰解析技术 具有使信号峰形变窄 峰的位置及面积不发生变化等特点 根据卷积定律 对光谱峰而言 A x 表示在时域测量出的谱峰 其中 x 为时间 对 A x 进行 FSD 操作 12 如下 1 对 A x 进行傅里叶变换 A v F A x 2 对光谱峰 A v 进行去卷积变成频谱峰 B v 此时需引入一个基 于原始谱峰的线性函数 L x L x 与原始谱峰具有相似的线性和峰宽 能 最大程度的与原始谱峰相符 L x 一般为 Lorentzian 函数 L x 22 v 对上式进行 Fourier 变换可得其在频域的表达式为 L v 2exp n v 由于 值的选择与原始谱峰的半峰宽有关 从而使 L x 函数与原始谱峰有关 因此 通常将这种去卷积方法称为自去卷积或解卷积 17 3 原始谱峰 A v 和去卷积后谱峰 B v 两者存在如下关系 vLvBvA 所以自去卷积谱峰 vL vA vB 利用 Omnic V8 0 数据处理软件自动基线校正 做傅里叶去卷积谱和二阶导 数谱 从而可以估出各子峰的峰位 再利用 Origin 8 0 数据处理软件采用 Gausse 函数对二阶导数谱和傅里叶去卷积谱进行拟合 并多次拟合使残差最小 手动选定各子峰的峰位 重叠的不同谱带完全可以分辨开 当确定了各子峰和 不同二级结构的对应关系后 根据其积分面积计算各种二级结构的相对百分含 量 46 国外把 FT IR 应用于蛋白质二级结构研究始于 80 年代中期 1986 年 Byler 等 47 用曲线拟合去卷积谱的方法研究了核糖核酸酶 A Ribonuclease A 的二级结构 计算表明 核糖核酸酶 A 中 螺旋占 21 结构占 50 这 个结果与 X 射线衍射法的相比 二者基本一致 X 射线计算得 螺旋为 22 折叠为 46 Susi 和 Purcell 在同一时期应用 FT IR 去卷积和二阶导数 谱法研究了牛胰凝乳蛋白酶原 A Bovine chymotry psinogen A 在重水及 MeOD D2O 混合溶剂中的构象变化 Fong Tung min 等报道了对功能膜 acetycholine 接受器的研究结果 其中 螺旋 折叠的含量分别为 20 25 48 此外 Koiden 等对人血清白蛋白 HAS 和 乳球蛋白 Lactogloblin 等球蛋白做过类似的研究 用去卷积和 Lorentz 函数拟合同样获 得了其 螺旋和 折叠的含量 49 进入 90 年代 国内这方面的研究已见报道 中国科学院的胡朝红等 50 曾 运用 FT IR 去卷积谱对二硫键完整的和还原的牛血清白蛋白 BSA 核糖核酸 酶 A 及溶菌酶 Lysozyme 在 6 mol L 的盐酸胍中变性后的结构进行了比较 结果表明 这 3 种蛋白在变性后仍有相当程度的残留有序结构 而二硫键完全 断开的 完全变性后的蛋白质才成为完全的无序结构 清华大学张艳 51 等应用去卷积 FT IR 研究了在 Zn2 存在和缺失的条件下 氨基酰化酶 N acylamino acid amido hydrolase E 3 5 1 14 二级结构的 变化 两者的图差异见图 1 6 1 7 结果表明 Zn2 对此酶的二级结构产生了显 著的影响 Holo 酶脱去 Zn2 后 其有序度明显降低 所得的二级结构 Holo 酶 第一章 前 言 18 中含 螺旋 15 45 折叠 28 63 Apo 酶中含 螺旋 11 39 折叠 25 20 图图 1 6 Holo 酶去卷积酶去卷积 FT IR 酰胺酰胺 带的曲线拟合结果带的曲线拟合结果 图图 1 7 Apo 酶去卷积酶去卷积 FT IR 1 原谱和拟合后的谱 原谱和拟合后的谱 2 去卷积的基线去卷积的基线 酰胺酰胺 带的曲线拟合结果带的曲线拟合结果 说 说 各种峰形为曲线拟合分峰得到的子峰各种峰形为曲线拟合分峰得到的子峰 明同图明同图 1 6 但蛋白质结构很复杂且影响因素很多 如某些蛋白质的残基振动就会导致 其结构发生变化 所以酰胺各个带的各子峰的准确归属是非常复杂的 尚待进 行更深入的研究和探讨 上述方法与其它技术如气相色谱 GC 或液相色谱 LC 等联用也会得 到更多有用的信息 预计随着各种技术方法的不断发展 特别是相关计算机处 理软件的改级进 红外光谱在蛋白质二级结构研究中的应用将取得更多准确可 靠的结果 52 1 4 4 氨基酸组分分析 氨基酸分析是一种良好的确定丝织品保存状态的手段 该分析方法样品用 量少 不难从残片的边缘上获得 不会给文物带来太大的损失 并可能依据老 化过程中不同氨基酸的变化 追踪出土丝绸埋藏环境及埋藏前的使用状况 迄今为止 自然界中已发现 180 多种氨基酸 其中参与蛋白质合成的氨基 酸只有 20 多种 称为基本氨基酸 氨基酸主要有两种存在形式 一种是以游 离态存在于生理体液 血浆