动物丝(主要是蚕丝和蜘蛛丝)以其优异的综合力学,近半个世纪以来一直受到生物学家、化学家以及材料学家们的关注。经过科学家们的不懈努力,人们已经掌握了部分动物丝(如Nephila clavipes蜘蛛主腺体丝和桑蚕丝等)的丝蛋白序列结构,并初步探讨了某些基序(motif)与固态动物丝中二级结构的对应关系。目前大部分研究者认为动物丝是由微小的晶区(主要为β-折叠结构,从严格意义上只能说是结晶较好的区域,因为其中存在较多缺陷)分散在连续的非晶区中(主要为无规线团和/或螺旋结构)形成的复合结构材料。然而,至今人们仍不清楚这些二级结构(结构域)是以何种方式组装成更高级的凝聚态结构并使动物丝表现出相应的力学性能。科学家们试图采用各种表征手段来破解动物丝的强韧之谜,并已普遍认为对动物单丝的表征是建立动物丝二级结构和力学性能之间相互关系模型的最有效方法,其原因在于不同动物丝的二级结构和力学性能的差异都比较大,而且这种差异不仅存在于不同种类的动物丝之间,而且也存在于同种动物丝的不同部位。由于动物丝单丝普遍较细,如Nephila clavipes蜘蛛主腺体丝的直径一般在5-20μm左右,因此对于动物丝单丝的表征具有相当的难度。目前文献报道中,只有为数不多的采用同步辐射X-射线衍射和拉曼光谱对动物丝单丝进行的研究。但是红外光谱这一研究蛋白质构象最为常用的方法,对于动物丝单丝的报道则几乎没有。其主要原因在于普通红外光谱仪中传统红外光源globar发出的红外光的光斑尺寸远远大于单丝的直径,所以大部分红外光都无法照在单丝上,红外信号极其微弱而无法获得有用的信息。因此在本论文中,我们采用了具有超高亮度的同步辐射红外显微光谱(比传统红外光源亮度高2-3个数量级)对动物丝单丝进行了深入的研究。首先,通过合理选择同步辐射红外显微光谱的狭缝尺寸,我们获得了桑蚕丝、柞蚕丝和蜘蛛主腺体丝的高质量红外光谱,并对各光谱的酰胺Ⅲ进行了详细归属。根据归属结果,我们进一步采用分峰拟合的方式,半定量地计算出了三种丝中β-折叠的百分含量。其中,桑蚕丝为28±4%、柞蚕丝为23±2%、蜘蛛主腺体丝为17±4%。我们的计算结果与固体核磁、X-射线衍射和拉曼光谱的结果基本一致。其次,在成功建立同步辐射红外显微光谱表征动物丝单丝方法的基础上,我们以柞蚕丝为模型,深入地研究了在拉伸变形条件下(拉伸应变：0.0-0.3),丝蛋白二级结构(含量和取向)的变化。结果表明,在拉伸应变从0.0增大到0.3的过程中,p-折叠的含量和取向都没有发生明显变化,仍沿单丝轴方向高度取向,但是无规线团和螺旋构象则在此过程中发生了明显变化,两者的取向都明显增加,且一部分的螺旋构象转变为了无规线团。上述研究结果一方面有利于我们更加深入地了解动物丝的超收缩现象和后拉伸对丝结构的影响,另一方面,也充分证明了同步辐射红外显微光谱技术在表征动物丝以及其他高分子纤维材料方面具有很大的潜力。除了对于动物丝结构和性能的关注外,科学家们对丝的另一个研究重点则在于新型丝蛋白材料的开发。丝蛋白的应用已由传统的织物发展成了潜在的生物医用材料。为了增强材料的性能或实现特殊的功能,丝蛋白往往需要与其他高分子材料进行共混,而共混体系的结构(包括相行为和组分的分子结构)对共混材料的性能起着决定性的作用。因此对于丝蛋白基复合材料相行为的研究显得尤其重要。但是通常用于表征丝蛋白相行为的方法,例如、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、差示扫描量热法(DSC)和动态热机械分析(DTMA),都不能直接获得共混体系中各组分的化学结构信息。但是,红外光谱成像技术则能很好地弥补上述不足,通过该技术,我们不仅可以测定丝蛋白组分在共混体系中的分布(表征复合材料中各组分间的相容性),而且可以通过特定区域提取出的单像素红外光谱来分析丝蛋白的结构。因此,在本论文中,我们采用红外光谱成像技术对丝蛋白/高分子共混体系的相行为进行了系统地研究。我们选取了应用较为广泛的丝蛋白/壳聚糖(SF/CS)、丝蛋白/海藻酸钠(SF/SA)、丝蛋白/聚乙烯醇(SF/PVA)和丝蛋白/聚氧化乙烯(SF/PEO)共混体系,运用官能团成像(也称为单变量成像)研究了各共混体系的相容性。研究结果表明,丝蛋白/壳聚糖是完全相容的,丝蛋白/海藻酸钠是部分相容的,而丝蛋白/聚乙烯醇和丝蛋白/聚氧化乙烯则都是不相容(相分离)的,其结果与DSC和DTMA得到的一致。更为重要的是,通过从不同像素位置提取出的红外光谱,我们发现了不同相中丝蛋白在二级结构上的差异。例如,在丝蛋白/聚氧化乙烯共混体系中,我们发现丝蛋白在丝蛋白富集区中主要以无规线团或螺旋结构存在,而在聚氧化乙烯富集相中则主要以β-折叠结构存在。为了克服红外光谱成像空间分辨率有限(4μm)以及不能定量分析组分含量的缺陷。我们还引入了扫描透射X射线显微成像(STXM imaging)技术来进一步研究丝蛋白/聚氧化乙烯体系,因为其空间分辨率能够达到30nm,甚至更佳。该技术不仅可以定量地分析出各组分在不同像素位置的相对含量,而且可以测定各像素点上样品的厚度。因此,结合红外光谱成像技术和扫描透射X射线显微成像技术,我们可以对丝蛋白／高分子共混体系进行全面的结构解析。但是,这两种成像技术的基础都是找到各共混组分独立的特征峰,所以在分析丝蛋白与其他蛋白质共混的体系时可能会遇到一定的困难,不过我们发现借助远红外光谱技术在一定程度上能够解决该问题,我们采用远红外光谱对桑蚕丝和柞蚕丝蛋白表征的结果表明,两种丝蛋白在远红外区具有完全不同的特征峰,而且在两者的共混体系中也能找到各自独立的特征峰。在对丝蛋白结构进一步了解的基础上,我们通过合理调控丝蛋白的自组装,制备了两种丝蛋白纳米微纤的功能复合材料：(1)丝蛋白纳米微纤/石墨烯功能杂化材料。通过调控丝蛋白的自组装条件(pH和温度等),我们使丝蛋白选择性地在石墨烯表面生长成为密集堆积的纳米微纤,并通过真空抽滤的方法,进一步将该组装杂化体制备成了具有高度有序结构且宏观可用的功能杂化膜。这种膜材料充分发挥了丝蛋白和石墨烯在结构和性能上的优点,在组织工程、纳米电子器件和生物传感器等方面都有良好的应用前景。(2)丝蛋白纳米微纤/淀粉样纤维复合膜材料。我们通过乙醇诱导丝蛋白自组装形成了均匀分散的微纤溶液,并将其与淀粉样纤维混合,然后采用真空抽滤成膜的方法,将两者组装成了纯蛋白质的复合膜。虽然两种纤维都是由沿着纤维轴方向排列的p-折叠结构所组成,但在β-股(p-strands)的排列方式上却存在明显差异(在丝蛋白纳米微纤中p-股平行于纤维轴方向,而在淀粉样纤维中则垂直于纤维轴方向),这种结构上的差异也导致了两种纤维性能的区别。因此,我们通过控制两种纤维的比例,制备了力学性能和孔径大小可以调节的纯蛋白质多孔膜,并通过在两种纤维体系中加入磁性纳米粒子,制备出具有水和磁性响应的功能材料,有望应用于过滤分离、植入设备和人工皮肤等领域。