三角帆蚌贝壳不同壳层与其珍珠中文石微结构及热处理研究

严 俊张刚生邵惠萍方 飚

（1.广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁 530004；2.浙江省质量检测科学研究院，浙江 杭州 310013）

三角帆蚌贝壳不同壳层与其珍珠中文石微结构及热处理研究

严 俊1,2,张刚生1,邵惠萍2,方 飚2

（1.广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁 530004；2.浙江省质量检测科学研究院，浙江 杭州 310013）

采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、高分辨透射电镜（HR-TEM）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、X射线粉晶衍射（XRD）及热重差热分析（TG-DTA）对三角帆蚌的珍珠层、棱柱层、韧带与其培育的珍珠中生物成因文石的微结构及热处理行为进行较系统地对比研究，并进一步讨论引起不同壳层中文石红外频移及热处理行为差异的原因。结果表明：基于XRD粉晶衍射结论，三角帆蚌中不同壳层与珍珠中无机相均为生物成因文石；不同壳层中文石的热处理行为表现出相异性，粒径大小与不同壳层中有机质的含量应是导致上述贝壳不同壳层与珍珠中文石热处理行为差异的直接原因。

三角帆蚌；生物文石；微结构；热处理

0 引 言

自然界中文石的形成原因有两种，即生物成因文石与无机成因文石（分别简称为生物文石与无机文石），就上述两者物化性质的对比性研究，前人有较多的文献报道。张刚生等[1]首次发现生物文石与无机文石的FTIR谱图中碳酸根的υ2谱带可以作为区分两者的初步依据。随后，Pokroy等[2-3]认为生物文石与无机文石的晶体结构存在明显差异，并进一步通过高分辨中子衍射（HR-ND）与高分辨X射线衍射

（HR-XRD）指出两者中相应原子的位置与晶格常数存在改变，且晶体结构的改变可能与有机大分子在生物矿化过程中的调控机制有关。鉴于某些生物成因文石与生俱来的特异性能，如贝壳珍珠层极好的断裂韧性[4]等，使得生物文石长期以来一直被视为经典的仿生材料学基础研究对象之一。

在软体动物三角帆蚌贝壳中，珍珠层、棱柱层、韧带及其培育的珍珠中无机相同为生物文石（其中质量较差的珍珠中含有少量的球文石[5]，但化学性质极不稳定，易发生球文石向文石的相变。），丁世磊等[6]指出三角帆蚌贝壳韧带与珍珠层中文石的FTIR光谱中碳酸根的υ3、υ2谱带存在频率位移，推测上述频移由文石的纳米粒径效应所致。但是文石的纳米粒径效应是否是贝壳不同壳层中文石产生频移的直接原因仍有待进一步论证。与此同时，相关生物与无机文石两者的横向热处理对比研究表明，由于有机质的存在使得生物文石的相变温度处在360～380℃之间，而无机文石的相变温度为450～500℃[7]。但截至目前，同为生物文石的样品间热处理行为的对比研究则相对较少，夏静芬等[8]就同为生物文石的三角帆蚌培育的珍珠与其贝壳进行了热处理相变研究，指出在400℃煅烧下两者相变存在明显差异，且珍珠中文石的热力学稳定性优于贝壳文石，并以此为依据区分珍珠粉与贝壳粉，但是不同壳层生物文石的热力学行为的相变差异的具体原因，至今未见具体论述。

本文以淡水三角帆蚌贝壳的不同壳层及其培育的珍珠为研究对象，进一步探讨不同壳层文石的FTIR光谱中其频移产生的直接原因。同时，首次就同为生物文石的热力学行为的差异特征，从不同壳层中文石的形态、粒径大小及其相应结构组织中有机质的含量大小等因素进行较为深入的对比分析。

1 样品制备与实验仪器

1.1 样品制备

三角帆蚌贝壳（内含珍珠）采自浙江诸暨山下湖，蚌龄约4年。除去贝壳软组织后，经自来水冲洗，用质量分数5%的氢氧化钠溶液浸泡数小时除去贝壳表面的有机质，后用蒸馏水洗涤数次，自然风干，贝壳珍珠层与棱柱层出现分层。用不锈钢刀获取贝壳韧带（除去外层的有机质层，下同）、贝壳珍珠层、棱柱层，上述组织及珍珠经电磁研磨制备粉体。粉体样品热处理在马弗炉中进行，在预定温度焙烧一定时间后自然冷却。

1.2 样品测试仪器

样品红外光谱测试采用德国Bruker公司Tensor 27型光谱仪，扫描范围400～4 000 cm-1、扫描次数64次，分辨率±2cm-1，测试采用KBr压片测试模式。各粉末样品分别与已磨细的KBr以质量比约1∶100混合，研磨均匀后压成透明薄片进行红外测试。样品热重差热分析采用美国Perkin Elmer公司Diamond TG/DTA型热重差热分析仪，升温速度10℃/min，Ar气气氛，Ar气流速30mL/min，温度范围25～1000℃。

贝壳不同壳层与珍珠中文石微结构形貌采用Hitachi FE-SEM S4700场发射扫描电镜观察，测试样品经镀金处理。韧带文石纤维结构形貌采用FEI Tecnai G2 F30 S-TWIN高分辨透射电镜观察，其点分辨率0.18nm，工作电压300kV，采用CCD照相机，曝光时间为1s。

2 结果与讨论

2.1 不同壳层与珍珠中文石X射线粉晶衍射

贝壳中不同壳层与珍珠的相应粉体中无机相经X射线粉晶衍射表明上述组织中无机相同为生物文石，如图1所示，其中贝壳粉是指棱柱层与珍珠层共混研磨后的粉体（下同）。不同壳层文石与标准无机成因文石（JCPDS 05-0453）相比，贝壳韧带的晶体结构特征与无机成因文石更为接近，两者衍射的最强峰为（111）面网，次强衍射峰为（221）面网，该淡水贝壳韧带的粉晶衍射特征同样出现在海水贝壳的内韧带中[9]。然而在贝壳的珍珠层、贝壳与珍珠粉的衍射谱图中最强峰则表现为（012）面网，次强衍射峰为（111）面网。更值得注意的是，因三角帆蚌贝壳的棱柱层厚度较薄，约200 μm，使得有关三角帆蚌棱柱层的X射线粉晶衍射特征至今未见报道。在本工作中，由于贝壳经碱液浸泡后，棱柱层与珍珠层可出现明显的分层，其X射线粉晶衍射表明衍射最强峰为（002）面网，上述粉晶衍射结果表明棱柱层与珍珠层及韧带文石之间存在一定的晶体结构差异，相关棱柱层文石晶体的精细结构特征有待进一步研究。

2.2 贝壳不同壳层与珍珠中文石红外光谱特征

由于FTIR光谱仪的分辨率优于0.5cm-1，波数准确度优于0.01 cm-1，因此可以清晰体现同为生物成因的贝壳不同壳层与珍珠中文石碳酸根振动峰的频移。贝壳珍珠层、棱柱层与珍珠三者中文石红外特征吸收峰位基本接近，如图2所示。其中文石碳酸根的反对称伸缩振动υ3、面外弯曲振动υ2在不同的样品中都存在较小的频率位移，如棱柱层文石的υ3、υ2谱带较贝壳珍珠层及珍珠文石出现红移。但是，在贝壳韧带文石的FTIR光谱中，相比于贝壳珍珠层文石的FTIR光谱中，韧带中的υ3、υ2谱带出现频率位移的数目与频移的方向并不一致，且υ2谱带红移约8cm-1，

该谱带的位置与无机成因文石接近。同时，υ3谱带蓝移约24cm-1，上述文石红外频移特征与本课题组之前的报道极为吻合[6]。因韧带中的υ2谱带与无机文石的该谱带峰位较为接近，可见仅仅从该谱带的峰位不能准确区分无机成因与生物成因文石。

基于本课题之前的工作，丁世磊等[6]初步推测三角帆蚌贝壳韧带与其珍珠层文石的υ3、υ2谱带频率位移归因于文石颗粒的粒径效应。本文进一步对同一壳层的珍珠层内侧表面A，C，E区中文石板片进行SEM观察及相应区域表层粉体的FTIR测试。A，C，E区域中文石板片的结构形貌分别见图3（b）、图3（c）与图3（d），相应区域文石板片的厚度约为835.59，1189.19与618.27nm，可见同一贝壳珍珠层内表面的不同区域文石板片的粒径存在明显差异，上述在同一个蚌体中珍珠层文石板片的区域性差异特征与褶纹冠蚌贝壳及淡水养殖白、紫、粉色系珍珠中不同区域珍珠层文石板片的厚度存在明显变化的结论一致[10-11]。

图3（a）中所示的贝壳，适量刮取A，C，E区中珍珠层表层粉体进行红外光谱测试，相应的红外谱见图4。比较图4中各区域珍珠层粉体的红外光谱可知，珍珠层C与E区中文石板片的厚度相差500nm左右，但两者中文石的υ3、υ2谱带仅存在细微的频率位移。同时，A，C，E区中珍珠层文石细小的频率位移方向都趋于蓝移，这与出现在珍珠层与贝壳韧带间的频率位移特征存在极为明显的差异，表现为频率位移的数量及频移方向的相异性。据此，可以进一步说明，有机质对无机物矿化的调控作用导致文石晶体结构的差异应是引起文石特征吸收峰发生频移的直接原因。

2.3 贝壳中不同壳层中文石热重与差热分析

三角帆蚌贝壳韧带、贝壳与珍珠粉体的热重与差热分析曲线见图5。据粉体的热重曲线，对比各样品的失重率可知，文石碳酸钙在不同样品中的含量由大到小的顺序依次为贝壳、珍珠、韧带，韧带中有机质含量明显高于珍珠与贝壳。三角帆蚌贝壳与其培育的珍珠中有机质的含量相差较多，鉴于目前贝壳粉与珍珠粉鉴别技术的瓶颈问题，是否可以基于上述两者中有机质含量的差异设计更为科学、便捷的鉴别验证方法有待进一步研究。

与此同时，从三者的DTA曲线可知，虽三者都表现出近似的热力学特征，但是三者吸热与放热峰的位置仍存在一定的差异，有关贝壳与珍珠粉体的热力学行为的差异性亦有相关文献报道[8]。在珍珠、贝壳与韧带3种不同的生物矿化产物中，三者物理性质上的差异主要表现在：首先，就三者的组成而言，三角帆蚌培育的珍珠中有机质含量（Wt%）约为9%，贝壳中有机质含量较珍珠少约2%。相比之下，韧带中有机质在三者中含量最大，约40%，上述数据与前人有关韧带中有机质含量的结论吻合[12]。由于生物成因文石中有机质的降解与文石的相变过程分别是放热与吸热过程，因此，生物文石作为一多相体系，有机质含量的大小必然对该有机无机复合材料的热力学行为产生不可避免的影响。

其次，就韧带与三角帆蚌贝壳与珍珠的微结构而言，韧带文石与贝壳及珍珠的矿化结晶形态迥异，韧带中文石以“针形”纤维结构呈现，见图6（c）扫描电镜与图6（d）的扫描透射电镜照片，可以发现三角帆蚌贝壳韧带的纤维直径最小约为48nm，是截至目前所见报道（65～222nm[13]）最小的纤维直径。而在后两者的微结构中，贝壳与珍珠结构最大差异在于贝壳中存在颗粒粒径较珍珠层中文石板片大的棱柱状集合体，即棱柱层，该棱柱层与珍珠层文石板片近垂直交接，如图6（a）所示。但由于棱柱层的厚度相对较薄，一般而言贝壳与珍珠结构中主体的存在形态均为类“砖浆”结构的文石板片与有机质层形成的集合体，分别见图6（b）与图6（e）、6（f）、6（g），其中板片的平均厚度约500nm[14-15]。可见，韧带的“针形”纤维粒径大小约是珍珠层中文石板片的1/10～1/2。初步推测文石粒径大小的差异也同样是上述文石热力学行为不一致的直接原因，粒径大小作为一重要的影响因素也同样出现在叶腊石[16-17]、无机成因碳酸钙[18]等粉体的热分解行为中。

为进一步证明粒径大小对不同壳层文石热力学行为的影响，以珍珠层与贝壳粉的热相变为例，珍珠粉与贝壳粉分别经360℃、380℃焙烧后，其红外光谱如图7所示。可以发现两者在380℃焙烧20 min后都发生了文石向方解石的转变，该结论与先前文献报道存在显著差异[8]。可见，虽为同一研究对象，但本工作与文献中两者制样工艺存在差异，粉体制样工艺的不同导致文石粒径大小差异是出现上述热力学行为不一致结论的直接原因，可以肯定粒径大小是导致韧带与珍珠层文石热力学行为差异的又一直接因素。

3 结束语

三角帆蚌的不同壳层与其培育的珍珠中无机相均为生物成因文石，但各结构中文石的红外特征吸收峰位存在明显频移，上述频移特征应与不同壳层中蛋白质生物矿化诱导产生的文石晶体结构的差异有关，而与文石的粒径大小及形貌无直接联系。此外，三角帆蚌棱柱层的X射线粉晶衍射表明其衍射最强峰为（002）面网，该衍射结果表明棱柱层与珍珠层及韧带文石晶体结构存在一定的特异性。

三角帆蚌贝壳韧带中文石纤维呈“针形”，其直径的最小处约为48nm，该直径为截至目前所报道淡海水贝壳韧带文石纤维直径的最小值。贝壳韧带是一类天然的有机无机生物矿化材料，具有特殊的结构光学特征（光子带隙材料）及优异的力学弹性与韧性，但直至目前，人类仍不能成功合成该类材料。可见，有机质的生物矿化诱导作用机理仍是目前生物矿化研究课题的焦点。

在同一热处理条件下，不同壳层中文石的热处理行为表现出相异性，文石颗粒的粒径大小及不同壳层中有机质的含量应是导致上述热相变差异的直接原因。

[1]张刚生，李浩璇.生物成因与无机成因文石的FTIR光谱区别[J].矿物岩石，2006，26（1）：1-4.

[2]Pokroy B，Fieramosca J S，Von D R B，et al.Atomic structure of biogenic aragonite[J].Chemistry of Materials，2007，19（13）：3244-3251.

[3]Pokroy B，Fitch A N，Zolotoyabko E.Structure of biogenic aragonite（CaCO3）[J].Crystal Growth&Design，2007，7（9）：1580-1583.

[4]Jackson A P，Vincent J F V，Turner R M.Comparison of nacre with other ceramic composites[J].Journal of Materials Science，1990，25（7）：3173-3178.

[5]Ma H Y，Su A A，Zhang B L，et al.Vaterite or aragonite observed in the prismatic layer of freshwater-cultured pearls from south China[J].Progress in Naturel Science，2009，19（7）：817-820.

[6]丁世磊，张刚生.天然文石质生物陶瓷的傅里叶变换红外光谱研究[J].光谱学与光谱分析，2006，26（12）：2200-2202.

[7]Ren F Z，Wan X D，Ma Z H，et al.Study on microstructure and thermodynamicsofnacre in mussel shell[J].Materials Chemistry and Physics，2009，114（1）：367-370.

[8]夏静芬，钱国英，陈亮，等.傅里叶变换红外光谱法对珍珠粉和贝壳粉的研究[J].光谱实验室，2010，27（2）：524-528.

[9]Huang Z Q，Zhang G S.A new structural model of bivalve ligament from Solen grandis[J].Micron，2011，42（7）：706-711.

[10]严俊，张刚生.褶纹冠蚌贝壳结构特征及其彩虹色呈色机制[J].安庆师范学院学报:自然科学版，2011，17（3）：83-85.

[11]严俊，陶金波，胡仙超，等.淡水养殖珍珠中文石板片厚度的变化及其微结构分析 [J].功能材料，2013，44（8）：1089-1093

[12]Kitagawa M，Li P.Physical properties of the inside ligament ofthe scallop shell[J].Journal of Materials Science，2004，39（22）：6855-6856.

[13]Zhang G S，Huang Z Q.Two-dimensional amorphous photonic structure in the ligament of bivalve Lutraria maximum[J].Optics Express，2010，18（13）：13361-13367.

[14]Song F，Bai Y L.Effect of nanostructures on the fracture strength of the interfaces in nacre[J].Journal of Materials Research，2003，18（8）：1741-1744.

[15]Zuo S C，Wei Y G.Microstructure observation and mechanical behavior modeling for limnetic nacre[J].Acta Mechanica Sinica，2008，24（1）：83-89.

[16]Perez-Rodriguez J L，Madrid D V L，Sanchez-Soto P J. Effects of dry grinding on pyrophyllite[J].Clay Minerals，1988，23（4）：399-410.

[17]Balek V，Perez-Maqueda L A，Poyato J，et al.Effect of grinding on thermal reactivity of ceramic clay minerals[J].JournalofThermalAnalysisand Calorimetry，2007，88（1）：87-91.

[18]岳林海，水淼，徐铸德.纳米级粒径超细碳酸钙热分解动力学[J].无机化学学报，1999，15（2）：225-228.

Study on microstructure and heat treatment of aragonite in different layers of bivalve shell of Hyriopsis Cumingii and its pearls

YAN Jun1，2，ZHANG Gang-sheng1，SHAO Hui-ping2，FANG Biao2
（1.College of Chemical Engineering and Materials Science，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Zhejiang Institute of Quality Inspection Science，Hangzhou 310013，China）

The microstructure and heat treatment behavior of biological aragonite in different layers of limnetic shell（Hyriopsis Cumingii）and its cultured pearl were systematically observed and comparatively investigated by using Fourier transformation infrared spectroscopy（FTIR），the field emission-scanning electron microscopy（FE-SEM），high-resolution transmission electron microscopy（HR-TEM），X-ray diffraction （XRD）and thermo gravimetric and differential thermal analysis（TG-DTA）.Furthermore，the reasons of frequency shift and heat treatment behavior of aragonite in different layers and pearl were discussed.The result of XRD shows that the freshwater cultured pearl and three shell layers including inner ligament，outer prismatic and inner nacreous layers were uniformly aragonite.In addition，different heat treatment behaviors shown in the aragonite in pearl and different shells are attributed to particle size and the content of organic matrix in different layers of shell and pearl.

Hyriopsis Cumingii；biogenic aragonite；microstructure；heat treatment

S966.22+1；S944.4+6；O657.3；TQ127.1+3

：A

：1674-5124（2014）04-0045-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.012

2013-03-22；

：2013-05-10

国家自然科学基金项目（40772033）浙江省质量技术监督系统公益科研项目（20110103）

严 俊（1981-），男，安徽安庆市人，工程师，博士，主要从事矿物功能与宝玉石材料研究。