【doc】二维傅里叶变换红外（2D

【doc】二维傅里叶变换红外（2D 二维傅里叶变换红外(2D Vo1.23 2002年8月 高等学校化学 CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES NO.8 1627,1631 二维傅里叶变换红外(2DFTIR)相关光谱技术 研究聚羟基丁酸酯(PHB)的熔融与结晶 田格,吴琼,孙素琴,野田勇夫.,陈国强 (1.清华大学生物科学与技术系.2.清华大学化学系分析中心,北京100084; 3.TheProcterandGambleCompany.8256UnionCentreBoulevard,WestChester,OH4506 9.美国) 摘要应用新型二维傅里叶变换红外(2DFTIR)相关光潜研究细菌合成聚羟基丁酸酯(PHB)在升温时的预 熔行为以及降温后的重结晶过程.在25,220C的变温过程中测得动态红外光谱.着重讨论了在热力学干 扰导致红外谱图中羰基峰(17O0,1770cm_.)和醚键(123O,1310cm)吸收强度的波动.结果表明,这种 影响来自样品中PHB的结晶态和非晶态之问的相态变化.二维谱图分析表明.在热熔过程中,结晶态的消 失并不同时引起完全非晶态的出现.暗示在分子排列高度有序的晶态和非晶态之间存在某种中间态.PHB 晶体向非晶态转变时必须经过,个预熔过程.在红~l-ia图上这个中间态很可能对应着由二维分析显示出来 的位于1730cm_.的吸收峰.同『l寸.在PHB熔体从非晶态逐渐生成晶体的过程中也探测到了中间态的存在. 关键词聚羟基丁酸B~(PHB);二维傅里叶红外光谱(2DFTIR);预熔过程 中图分类号TQ323.4文献标识码A文章编号0251-0790(2002)08—1627—05 聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,简称PHA)是细菌胞内碳源能源的一种储存性聚合物, 由于它的力学性能与某些热塑性塑料如聚乙烯,聚丙烯类似,但又可以完全降解进入自然界的生态循 环,因而被认为是一种可替代传统石油塑料的"生物可降解塑料"L1].聚羟基丁酸酯(PHB)是最简单也 是最早在细菌胞内发现的一种PHA分子,它是由3一羟基丁酸单体聚合成的高聚物.根据单体的组成, 属于短链PHA(含4,5个碳原子的PHA),其它的中长链PHA则含6,14个碳原子.近年来还陆续报 道了多种由至少两种单体构成的共聚型PHA[2,.作为一种有应用前景的生物可降解塑料,PHB的熔 融和结晶过程及其热加工性能一直备受关注. 傅里叶变换红外技术是新型的无损细胞检测方法,已开发作为一种对细菌胞内PHA定性或半定 量的快速检测手段.本文应用二维傅里叶变换红外(2DFTIR)相关光谱学分析方法L8~],用温度梯 度作为外界环境干扰,得到样品一系列动态变化的红外吸收光谱,在二维相关性分析下得出了PHB在 熔融和结晶过程中品态一非晶态问相互转变的二维相关谱图,发现在晶态和非晶态之间存在一个中间 状态. 1实验部分 1.1PHB样品来源和制备 PHB来自细菌Azotobacte~-vinelandiiUWD,参照文献[11]方法,用氯仿(分析纯)提取得到.取少 量PHB,用氯仿完全溶解于一洁净试管中,然后用于净滴管均匀滴若干滴于CaF. 盐片上,使氯仿在空 气中自然挥发完全,在CaF.盐片上形成一很薄的半结晶聚合物膜,用于红外扫描. 1.2变温红外光谱的测定 Perkin—ElmerSpectrum2000FTIR光谱仪,DTGS探测器,扫描频率范围为4000900cm...,扫 收稿日期:2001—05.09. 基金项目:国家自然科学基金(批准号20074020)资助. 联系人简介:陈国强(1963年出生).男.教授,博士生导师.主要从事微生物合成高分子材料聚羟基脂肪酸PHA研究 E—mail{microbes@public3.bta,net,cn No.8田格等:二维傅里叶变换红外(2DFTIR)相关光谱技术研究聚羟基丁酸酯(PHB)的熔融与结晶1629 谱图上的相关强度(,:)>o,则波数处对应的红外信号比.处的红外信号先发生变化;若相应 的同步相关强度(,.)<o,则处比处的吸收值后发生变化.如果异步相关峰'』J(,:)<o,则 以上的推论刚好相反n.这样,对于'』J(,)一(1745,1723cm-1)>o,而(,2)一(1745,1723 cm-1)<o,则1723cm对应的晶体峰的减弱比1745cm_1对应的非晶峰的增强发生得早(在较低的 温度下).说明在PHB的热熔过程中,样品的结晶度逐渐减小,在较低的温度下晶体已经开始减少, 但结晶态的消失并不立即导致非晶态的增加,在两种分子形态之间还存在一个中问状态,PHB的熔融 要经历一个预熔过程.温度继续升高后,聚合物才由中间态转变为完全的非晶态. 从图2(B)还可以看到,1723和1730cm处的红外信号之间也相互形成了交叉峰.交 叉峰的强度 为负,而相应的同步谱图上的相关强度为正,说明1730cm处的红外信号变化较晶体峰(1723cm-1) 的强度减弱稍晚一些.由二维相关谱图展示的信息,暗示着这个不易被察觉的特殊位置的红外吸收很 可能代表了样品中非晶体成分但分子结构较为有序的中问状态[图2(B)]. 2.1.2c—O伸缩振动和c—O—c吸收峰在升温过程中的相互影响在1230,1330cm范围内 的C—O—C伸缩振动吸收峰是由至少3个吸收峰重叠而成的(图3). Fig.3Temperature—induceddamageofthebandat1277Fig.4Proposedhelicalstructureofthe em一correspondingtoC一0CstretchingvibrationPHBcrystals 随着温度的升高,1278cm位置的吸收峰强度逐渐减弱,最终几乎完全消失,导致整个 C—O—C伸缩振动峰的形状发生了显着的变化.1278cm-1位置的红外吸收对应着样品中PHB分子形 成的类似螺旋状的晶体结构(图4).酯键上的C—O—C伸缩振动的红外信号也受到了熔融过程中PHB 的物理形态的影响,将这个范围内的红外信号与羰基伸缩振动峰进行相关性分析便可以获得有关这两 种基团在同一升温过程中的相互影响.其二维相关谱图如图5所示.图5中,正交叉峰(1723,1278 cm-1)确定了晶体中的C—o和C—o—C基团对应的红外信号随着升温过程同时减弱.而负交叉峰 (1745,1278cm)说明非晶态的C—O峰(1745cm-1)与晶体中的C—O—C伸缩振动(1278cm) 则以相反的方向(增大)发生变化[图5(A)].异步二维谱图中1745cm-1和1278cm之间的交叉峰 和其符号说明C—O—C晶体峰的消失l:l~C—O非晶峰的增强发生得早(在较低 温度下).这个结果与分 (A) 委@ (B) Fig.5Synchronous(A)andasynchronous(B)2DFTIRspectrumconstructedfromtheinfrare dsignalSfor C—OandC一0Cstretchingbandsofthemeltingprocess 高等学校化学 析单纯由羰基峰构成的二维谱图的结论一致,即PHB聚合物在晶态和非品态之间存在某种中间状态, 升温熔融时必须经过由这种中间状态保持的预熔过程[图5(B)].使用二维相关傅里叶红外光谱在对 不同化学基团的红外信号之间进行相关性分析时也得到了相同的结论,说明二维相关分析技术具有探 讨分子间或分子内相同和不同基团间相互作用的强大功能.从异步谱图上还能看到在1278和1730 cm之间相关强度为负的交叉峰,说明低温状态下1730cm处的红外吸收不受影响,温度继续升高 以后才发生强度的变化,暗示这个峰位对应着晶态和非晶态之间的中间状态. 对C—O和C—O—C基团的红外信号之间进行二维相关性分析阐明了在PHB的结晶度逐渐减小 时样品中的螺旋结构,晶体,非晶态间的相互变化关系.通过二维相关光谱分析,将红外光谱信号扩 展到第二维上提高了光谱的分辨率,简化了含有多个重叠峰的复杂光谱,并且通过刈'特定红外信号的 鉴别和研究讨论了分子内和分子间的相互作用. 2.2PHB的降温结晶过程 将加热得到的熔体逐渐降温,重新形成品体并使结晶度逐渐恢复.以FTIR检测降 温过程的红外 信号强弱变化时,在温度降到8OC以前. C—O谱峰形状和完全非晶态的谱图相似,温 度再下降时,谱峰又与结晶态的谱图较为相 似,说明样品结晶度已基本恢复到升温前的状 态(图6).升降温前后谱图变化的规律证明样 品在加热前后只是发生了物理变化,即样品中 的结晶度发生了变化.在升高温度时聚合物吸 m相互作用形成的交叉从异步二维谱图中还可以明显地观察到由1723和1728c 峰.异步交叉 (A) ◎? 17 (B) , 一 Fig.7Synchronous(A)andasynchronous(B)2DFTIRspectrumforthecarbonylgroupdurin g thecrystallizationprocess NO.8田格等:二维傅里叶变换红外(2DFTIR)相关光谱技术研究聚羟基丁酸酯(PHB)的熔融与结晶1631 峰的符号说明1728cm一的红外信号在1723cm一之前(较高温度下)发生变化.与升温熔融时类似, 由异步二维相关谱图表现出来的1728cm的红外信号很可能代表介于结晶态和完全非晶态之间的中 间状态的分子结构. 参考文献 [1]AndersonA.J..DawesE.A..Microb.Rew.【J]?1990?54:45O472 [2]SudeshK..AbeH.,DoiY..Prog.Polym.Sci.[J],2000,25:15O3—1555 [3]ByromD..FEMSMicrobio1.Rev.[J],1992?103:24725O [4]ChenG.Q..PageW.J..Biotechno1.Biotech.【J].1997?11:347350 r5]MadisOnL.L..HuismanG.W..Microbio1.Mo1.Bio1.Rev.[J],1999,63(1):2153 [6]LeeS.Y..Biotechno1.Bioeng.[J].1996.49(1):1—14 [7]HongK..SunS.,TianW.eta1..App1.Microbio1.Biotechno1.[J]?1999?51:523--526 [8]NodaI..App1.Spectrosc.[J].1993,47:13291336 [9]NodaI.,DowreyA.E.,MarcottC,ela1..App1.Spectrosc.[J],2000?54:236A248A ),WANGJing(王静).Chemistry(化学通报)[J]?2000?(8):45—53 [1o]wuQiang(吴强 [11]wUQiong(吴琼).Ph.D.Dissertation[D~.TsinghuaUniversity.2001 [123NodaI..App1.Spectrosc.[J].1990.44(4):55O561 StudiesonPre—meltingandCrystallizati0nProcessofBi0synthesized Poly(3一hydr0xybutyrate)UsingTwo—dimensional Fourier—transformInfraredSpectroscopy TIANGe,WUQiong,SUNSu—Qin,NODAIsao.,CHENGuo—Qiang (1.DepartmentofBiologicalSciencesandBiotechnology? 2.AnalyticalCenter.DepartmentofChemistry.TsinghuaUniversity?Beijing100084?China; 3.TheProcte~?andGambleCompany.8256UnionCentreBoulevard.WestChester?0tt45069?USA) AbstractThepre— meltingbehaviorandthecrystallizationprocessofbacteriallysynthesizedpolyester poly(3一hydroxybutyrate),abbreviatedasthePHB,wasinvestigatedbygeneralizedtwo— dimensional Fourier-TransformInfrared(2DFTIR)correlationspectroscopy.Thetemperature— dependentdynamic sDectraweremeasuredfrom25tO220C.ThethermallyinducedintensityfluctuationsofbandsforC—O (1700—1770cm一)andC—O—Cgroups(1230— 1310cm)stretchingvibrationswerediscussed. 2Dcorrelationanalysisonchangesofthecrystallineandamorphousconformationindicatedthattheappear— anceoffullvamorphouscomponentdidnotaccursimultaneouslywiththedisappearanceofcrystallinecom— ponent,suggestingthatthereisanintermediatestatebetweentheorderedcrystallineandamorphousstates inPHB,whichmavprobablyresponsibleforthebandnear1730cm_..Alsotheintermediatestatewas observedinthecrystallizationprocessofmeltedamorphousPHB. KeywordsPoly(3一hydroxybutyrate)(PHB);2DFTIR;Pre—meltingprocess (Ed.:W,Z,H,X)