丝胶蛋白质溶液的动态表面吸附过程.pdf
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1、第2 8 卷第5 期 2 0 0 7 年5 月 纺织学报 J o u m a lo f7 r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8 N o 5 M a v2 0 0 7 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 5 0 0 1 8 一0 5 丝胶蛋白质溶液的动态表面吸附过程 阳建斌1 2 ,朱谱新1 , ( 1 四川大学纺织研究所,四川成都6 1 0 0 6 5 ;2 杨红伟1 ,吴大诚1 成都纺织高等专科学校,四川成都6 1 1 7 3 1 ) 摘要采用弼1 h e l m v 吊片法测定一定浓度的丝胶溶液在不同p H 条件下的
2、动态表面张力,通过数学经验公式分析 动态吸附数据,从吸附模型、吸附分子面积和吸附速率等方面,说明丝胶溶液的动态表面吸附有扩散和动力学吸附 2 个过程。在不同p H 条件下,以丝胶溶液的动态表面压p 对吸附时问,动态表面张力y 。对l g ,以及l I I ( d P d ) 对p 作图,根据经验公式推导出丝胶溶液表面张力下降一半时的时问。、丝胶蛋白质分子吸附控制参数n ,丝胶分子在界 面上初始渗透和固定时所占面积A ,、以及在界面上重排和再取向时所占面积A :。结果表明:丝胶蛋白质分子的吸 附过程是扩散一动态吸附;在表面上吸附的丝胶蛋白质分子的构象转变存在2 个动态过程,即在界面上的分子发生初
3、 始渗透和固定阶段,以及吸附在表面上的分子发生重排和再取向阶段;丝胶溶液的p H 值影响动态表面张力和分子吸 附面积;在p H 值低于丝胶等电点时,丝胶分子在界面初始吸附和重排面积较小,动态表面张力较高,表面吸附速度较 慢,当p H 值高于等电点,表面张力变小,吸附速度加快,丝胶在界面吸附的分子面积变大。 关键词丝胶;动态表面张力;吸附;分子面积 中图分类号:T Q 3 4 0 1文献标识码:A D y n a l l l i ca d s o r p t i o np r o c e s so fs e r i c i np r o t e i ns o l u t i o n s Y A
4、N GJ i a n b i n l ”,z H uP u 通n 1 ,Y A N GH o n 铲陀i 1 ,w uD a c h e n 9 1 ( 1 t 如加疵抛,跏 眦n 孤妇瑙如,仇增也,S 触n 6 1 0 0 6 5 ,肌i ; 2 仇啦lz 缸f 泷c o 烁,仇愕d u ,s 泐。n6 1 1 7 3 l ,矾i m ) A b s t r a c tI I ed y n a r n i cs u d a c et e n s i o n so s e r i c i ns o l u t i o n sa tag i V e nc o n c e n t m t i o
5、na n dd i f ! E e r e n tp HV a l u e s w e r eI n e a s u r e db yw i l h e l m y 砧a t em e t h o d s u c he u e sw e r p l o t t e da c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cs u d a e et e n s i o n ( y f ) d a t ai nd i f 艳r e n tp H ,a ss u d h c ep r e s s u r epV e r s u sa d s o 印t i o nt i m e f
6、 ,t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u d a c e p r e s s u r ea n dt i l n e ,r I l g f , a n dl n ( d p df ) 一p T h ec u r v e sw e r ea n a l y z e db y u s i n gs o m ee x p e r i e n t i a l e x p r e s s i o n st o e l u c i d a t et h ed y n a r I l i ca d s o r p t i o nb e h a v i o
7、r , t h r o u 曲w h i c ht h ea d s o 巾t i o np a r a m e t e r sw e r e d e d u c e do fa d s o r p t i o nh a l f - t i m e ( l ,2 , t h et i m er e q u i r e df o rs u r f a c et e n s i o nd e c r e a s i n gt ot h eh a l fo ft h e e q u i “b r i u mv a l u e ) ,t h ec o n s t a n tc o n t l o l
8、l i n ga d s o r p t i o nm o d e ( n ) , t h em e a nm o l e c u l ea r e ao ft h em 0 1 e c u l e o c c u p i e da tt h ei n t e r f a c eb o t hi ni n i t i a lp e n e t r a t e da n da n c h o r e ds t a t e ( A1 ) a n di nI e a 珊n g e da n dr e o r i e n t e d s t a t e ( A 2 ) 。T h er e s u l
9、t si n d i e a t e dt h a tt h ea d s o r p t i o np r o c e s so fs e r i e i np m t e i nj sa t t r i b u t e dt oam o d e lo f d i l h s i o n c o n t r o l l e da d s o 平t i o nk i n e t i c s T h ec o n f o n n a t i o n a lt r a n s f o 舢a t i o no fs e r i c i np r o t e i nm o l e c u l e sa
10、 d s o r b e d a tt h es u d a c eu n d e r g o e st w od y n a m i cs t e p s T h ef i r s ti si n i t i a lp e n e t m t i o na n da n c h o r i n go ft h em o l e c u l ef r o m a q u e o u ss o l u t i o nt ot h es u r f h c e , a n dt h eo t h e ri st h eI - e a r T a n g e m e n ta n dr e o r
11、i e n t a t i o no ft h ea d s o r b e d m o l e c u l e a tt h ei n t e I f a c e T h ep HV a l u eo fs e r i c i ns o l u t i o nh a si n f l u e n c e so nt h ed y n a m i cs u r f a c e t e n s i o na n dt h e a d s o r b e d m o l e c u l ea I - e a W h e np Hv a l u eo fs e r i c i ns o l u t
12、i o ni ss m a l l e rt h a nt h ee q u i p o t e n “a lp o i n to fs e 王 主e i n p r o t e i n ,A a n d 42a r es m a l l e r ;t h ed y n a m i cs u d a c et e n s i o ni sh i g h e r ;a n dt h ea d s o r p t i o nr a t eb e c o m e s s l o w e r ,i nc o m p a r i s o nw i t ht h o s ei nt h ep HV a l
13、 u eh i g h e rt h a nt h ee q u i p o t e n t i a lp o i n t K e yw o r d ss e r i c i n ;d y n a I I l i cs u r f a c et e n s i o n ;a d s o r p t i o n ; m e a nm o l e c u l a ra r e a 收稿日期:2 0 0 6 0 7 2 6修回日期:2 0 0 6 1 2 1 1 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 5 0 6 7 3 0 6 2 ) 作者简介:阳建斌( 1 9 6 9 一) ,男,副教授,博士生。
14、主要研究领域包括材料的表面与界面、柒整工程等。朱谱新,通讯作者, E m a i l :p u x i I l z h u s i n a c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第5 期 阳建斌等:丝胶蛋白质溶液的动态表面吸附过程 1 9 蛋白质溶液的动态表面吸附性质在许多科学技 术领域,特别是在生物科学领域中发挥着重要的作 用q 1 。在超分子科学中,蛋白质分子在二维单分 子膜中的构象和性质,以及蛋白质分子的层状自组 装膜等受到较多的关
15、注。人们正在试图通过分子膜 技术制造一系列蛋白质分子器件,包括生物传感器、 生物芯片、生物纳米功能材料等”。 丝胶是一种天然蛋白质大分子,在蚕丝脱胶工 艺中可大量回收。这种可再生资源的许多良好性能 正被开发和利用。倒如,丝胶蛋白质能抗氧化和紫 外线,能和聚合物交联、共聚和共混,可用于制备生 物降解材料、生物医学材料和功能膜材料等,如制备 P V A 丝胶交联膜用于分离乙醇和水,制备具有较好 力学性能和热性能的丝胶聚氨酯合金等H 1 ,但是在 分子水平上对丝胶蛋白质溶液的动态表面吸附性质 及构象转变的研究少有报道。 丝胶是由蚕的中部丝腺分泌的蛋白质,并以层 状方式包围在丝素纤维的外面,约占蚕丝质
16、量的 2 5 。在水溶液中丝胶蛋白质的大多数极性侧链位 于分子表面形成亲水区,大多数非极性侧链总是埋 藏在分子内部形成疏水核。当丝胶蛋白质自液相吸 附到空气一水界面时,表面张力降低,说明有一部分 非极性氨基酸残基的碳氢链必然分布于界面上b 。 丝胶蛋白质是模拟生物生理功能的理想模型物 之一,其水溶液的性质是其工程应用的基础,因此, 研究丝胶蛋白质在空气一水界面上的动态吸附性质 及构象转变十分重要。为了阐明丝胶溶液的p H 值 对动态吸附过程的影响,本文测定了不同p H 值条 件下丝胶溶液的动态表面张力。采用这些动态数据 分析了动态表面吸附过程、分子吸附面积等参数。 1实验部分 1 1丝胶蛋白质
17、的制备 将lg 蚕丝纤维在脂肪萃取器中( 乙醚1 0 0m L ) 脱脂4 8h ,然后在去离子水中煮沸lh ,使丝胶溶解 于水中,将其过滤后即得到丝胶蛋白质溶液。采用 凝胶渗透色谱分析( A K T A T ”e x p l o r e r ,缓冲液为 0 0 5m 0 1 L 磷酸二氢钠+ 0 1 5m o l L 氯化钠,p H 值 7 0 ) 表明,丝胶的分子量分布较广,主要集中在2 6 3 5K D a 。丝胶蛋白质含有1 8 种氨基酸,其中有丝氨 酸3 0 1 、天门冬氨酸1 6 8 、丙氨酸4 0 、谷氨 酸1 0 ,1 、苏氨酸8 5 、甘氨酸8 8 、精氨酸 4 2 、酪氨酸
18、4 。9 等o 。根据丝胶的氨基酸残基 比例,其肽链链节的平均分子量为9 8 ,可由此计算 丝胶溶液的摩尔浓度M - 。 1 2 动态表面张力的测定 采用w i l h e l m v 吊片法研究丝胶在气液界面上的 吸附( s 吹眦7 0 3 表面张力仪,芬兰) 。对相同质量浓 度( 7 9 1 0 m g m L ) 的丝胶溶液采用缓冲体系调 节溶液的p H 值分别至3 、4 、5 、6 、7 和8 。缓冲溶液 的配制采用A 、B 组分为原始溶液,其中,A 组分:分 别准备柠檬酸和磷酸溶液,使它们能够中和并消耗 相同体积的1 0m o l L 氢氧化钠溶液,各取上述的柠 檬酸和磷酸溶液1 0
19、 0m L 混合,再加3 5 4g 硼酸和 3 4 3m L 浓度为1 0m o l L 的氢氧化钠,然后用水稀释 至10 0 0m L ;B 组分为0 1m o l L 盐酸。缓冲溶液的配 制方法为:1 0 0m L ( A ) + 菇m L ( B ) + H O = 5 0 0m L ,戈是根据p H 值所需要添加的B 组分量,当 p H 值为3 、4 、5 、6 、7 、8 时,石值分别为2 8 2 5 、2 5 2 5 、 2 2 5 9 、1 9 7 1 、1 6 3 3 、1 4 1 1m L 。 动态表面张力测定实验均采用二次去离子水, 在恒温室中( ( 1 6 1 ) c c
20、 ) 进行。在1 6 下测得纯水 的表面张力是7 3 3m N m ,缓冲溶液的表面张力为 7 5 6m N m 。测定表面张力的程序:将不同p H 值,质 量浓度为7 9 1 0 m g m L 的丝胶溶液1 0 0m L 缓慢 倒入悬挂有张力传感铂片的聚四氟乙烯槽中,使吊 片刚好浸入丝胶溶液,丝胶蛋白质即从溶液相吸附 到新鲜的气液界面上,开始实时记录其动态表面 张力7 | 。 2 结果与讨论 2 1 丝胶溶液的动态表面张力 采用W i l h e l m v 吊片法测定丝胶溶液在6 0m i n 内 的动态表面张力y 。,并研究溶液p H 值的影响,以动 态表面压p ( 缓冲溶液表面张力与
21、动态表面张力之 差,p = y 。一) ,。) 对吸附时间作图( 见图1 ) ,并以动 态表面张力y ,对k 作图( 见图2 ) 。由图2 可见, 表面张力随吸附时间延长而下降。根据文献 8 的 分析,表面张力的变化可分为4 个阶段:诱导区、快 速下降区、亚稳平衡区和平衡区。一般认为诱导区 在( ) ,。一y 。) ( y 。一7 。) = l 1 0 时结束,快速下降区 在( y 。一y 。) ( 7 。一) ,。) = l 时结束。对于前面3 个 区间,其动态表面张力可以描述为旧。 ( y 。一) ,:) ( y 。一y m ) = ( t f ,:) ”( 1 ) 式中:以为# 时刻丝胶
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