骨胶原蛋白壳聚糖共混膜中分子间作用红外光谱(3)

图2 共混膜中胶原蛋白二级结构相对百分含量Fig.2 Relative percent content of secondary structure of bone collagen in blend films

波数1550~1600 cm–1范围内吸收峰为酰胺II区域，主要涉及 N-H弯曲振动（40%~60%）和 C-N伸缩振动（18%~40%）[25]。纯骨胶原蛋白膜酰胺II最大吸收峰位于波数1541 cm–1处。添加壳聚糖后，共混膜的最大吸收峰迁移至波数1535 cm–1处（50BC:50CS），纯壳聚糖膜酰胺II最大吸收峰位于波数1552 cm–1处。壳聚糖分子侧链的-NH2基团可通过质子化形成-NH3+[10]，因此酰胺 II最大吸收峰位置的改变可能与混合物中 N-H振动类型和强度的变化有关。如图3所示，酰胺II分峰拟合结果表明，共混膜酰胺II区域包括6个子吸收峰：1501、1518、1539、1554、1573 和 1583 cm–1。其中，1518 cm–1归属于-NH3+对称变角振动，1539 cm–1归属于N-H弯曲振动和C-N伸缩振动，1583 cm–1归属于NH2振动[22]。与单一组分膜相比，混合膜1518 cm–1吸收峰强度减小，1539 cm–1吸收峰强度增大，推测原因是壳聚糖的-NH3+基团在成膜过程中参与了分子间静电作用的形成。

图3 共混膜酰胺II区域分峰拟合图Fig.3 Curve-fitting figures of amide II band of blend films注：图中最高峰为红外吸收峰，其余为其分峰拟合后的子吸收峰。下同。Note：The highest peak is the infrared absorption peak in all figures, others are subabsorption peak after curve-fitting. The same below.

随着壳聚糖含量增加，共混膜在波数1450 cm–1（涉及CH2弯曲振动）、1403 cm–1（COO—对称伸缩振动）[26]处的吸收峰强度减弱，且波数 1450 cm–1吸收峰（100BC:0CS）迁移至波数 1448 cm–1处（40BC:60CS）。游离COO—归属于胶原蛋白分子，使得胶原蛋白分子呈现阴离子特性，推测1403 cm–1吸收峰强度的改变可能与共混膜中分子间静电作用形成有关。波数1334 cm–1处最大吸收峰归属 CH2摇摆振动，该峰位置随着壳聚糖含量增加无显著变化。壳聚糖添加量为60%时，在波数1377 cm–1出现肩峰，归属于壳聚糖CH2弯曲振动。

胶原蛋白酰胺 III 区域涉及到的基团和特征吸收峰较多，通常包括C-N伸缩振动、酰胺键N-H弯曲振动以及Gly骨架和Pro侧链上的CH2摇摆振动[18,27]，主要用于分析蛋白质分子间及其与其他分子间的相互作用力。壳聚糖在波数~1200 cm–1内主要归属于多糖链的骨架振动，主要涉及-C-O-C-不对称伸缩振动[28]。纯骨胶原蛋白膜在波数1236 cm–1处的吸收峰归属于N-H弯曲振动和C-N伸缩振动。随着壳聚糖添加量增大，共混膜在波数1236 cm–1处吸收强度不断减小，吸收峰位置红移至1240 cm–1（40BC:60CS），纯壳聚糖膜酰胺III最大吸收峰位于波数1261 cm–1处。前人研究认为，波数1238 cm–1和1240 cm–1处最大吸收峰吸光度的比值越接近1.0，胶原蛋白的三螺旋结构域保持越完整[29]。本研究中羊骨胶原蛋白-壳聚糖共混膜在2处吸光度的比值均远离1.0，说明膜结构中胶原蛋白的三螺旋结构被破坏，这与酰胺 I分峰拟合结果一致。由于本研究中成膜温度在50℃以下，因此骨胶原蛋白的单肽链未发生降解。波数1163 cm–1处的吸收峰归属于COO-C不对称伸缩振动[30]，纯骨胶原蛋白膜在此处的吸收峰极小，随着壳聚糖添加量增大，该处吸收峰强度增大，逐渐蓝移至波数1157 cm–1处（40BC:60CS），纯壳聚糖膜位于波数1151 cm–1，表明COO-C在成膜过程中参与了分子间作用力的形成。随着壳聚糖含量增加，共混膜在波数1203 cm–1处的吸收峰强度减弱。波数1035 cm–1处的强且尖锐吸收峰归属于分子骨架上-C-O-C-伸缩振动[31-32]。随着壳聚糖含量增加，1035 cm–1处吸收峰强度增强，1080 cm–1处的吸收峰与1035 cm–1重叠。

综上所述，根据不同波数处吸收峰强度和位置的变化可推断，在共混膜成膜过程中，胶原蛋白与壳聚糖分子间形成氢键和静电相互作用，并且其作用强度与胶原蛋白和壳聚糖两者的混合比例有关。

2.2 共混膜二维红外相关分析

为进一步明确胶原蛋白和壳聚糖分子间相互作用力的详细信息，以壳聚糖添加量为外扰，对共混膜在波数2850~3350 cm–1、1200~1700 cm–1和 850~1300 cm–1波长范围内的红外光谱进行二维相关分析。研究在外源因素的干扰下分子内官能团间相互作用和分子间相互作用的方法[12,13]。根据二维红外相关光谱中同步光谱（Φ）和异步光谱（Ψ）中2个波长变化的正负关系，可以获得分子中官能团对外扰因素的敏感程度和响应顺序。根据二维相关光谱读谱规则[12,15,33]，同步光谱中，自相关峰的强度大小代表在相关周期中光强度动态涨落的总程度，说明这些振动峰对应的基团随浓度的改变而发生变化[33]。自相关峰代表吸收峰带对壳聚糖组分增加的敏感程度，同步交叉峰是不同官能团振动同时取向产生的，这种微观结构的同步性表明基团之间有很强的协同作用或可能存在强烈的相互作用。所以，骨胶原蛋白-壳聚糖共混物的同步交叉峰存在以下关系：Φ[ν（骨胶原蛋白），ν（骨胶原蛋白）] > 0，Φ[ ν（壳聚糖），ν（壳聚糖）] > 0，Φ[ ν（骨胶原蛋白），ν（壳聚糖）] < 0，Φ[ ν（壳聚糖），ν（骨胶原蛋白）] < 0。利用这种规律可以鉴别出各谱峰的具体归属。异步光谱可以为同步光谱提供一些补充信息，二维异步相关谱没有自相关峰，只有一系列关于主对角线反对称的交叉峰，代表了在ν1和ν2处的光谱强度变化顺序或变化的不同步性。本文所有异步相关峰均由于骨胶原蛋白-壳聚糖共混物分子构象和分子间相互作用的变化引起，因为简单的组分浓度变化只会导致吸收强度的增减，不会形成异步峰[13,14]。根据Noda规则[12]可以判断出随着壳聚糖组分含量的增加，波长ν1和ν2的变化顺序。当 Φ（ν1，ν2）>0，Ψ（ν1，ν2）<0，或 Φ（ν1，ν2）<0，Ψ（ν1，ν2）>0时，ν1处强度变化滞后于ν2处强度变化；当 Φ（ν1，ν2）>0, Ψ（ν1，ν2）>0，或 Φ（ν1，ν2）< 0，Ψ（ν1，ν2）<0时，ν1处强度变化优先于ν2处强度变化。

文章来源：《分子科学学报》 网址: http://www.fzkxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0322/713.html