粉红贝贝壳的结构特征及其颜色

唐亚丽， 张 恩

(1.中山大学地球科学与地质工程学院，广东广州 510275； 2.广州番禺职业技术学院，广东广州 511438)

双壳纲贝壳因具有优异的力学性、良好的生物相容性而成为仿生学与生物材料研究的热点之一。贝壳的主要成分有无机的碳酸钙晶体(95%以上)以及少量蛋白质(可溶性蛋白和不可溶性蛋白)、几丁质等有机质成分[1-3]。目前关于贝壳结构的研究主要集中在贝壳的结构形貌、生物矿化机制、力学性能以及仿生应用[4-8]等领域。双壳纲贝类的经济价值大多体现在可食用和可育珠方面，而占贝类总体质量超过60%的贝壳在食用以及育珠后，大多因被遗弃而成为固体废料。而双壳纲目下粉红贝的主要经济价值集中体现在其贝壳上。粉红贝贝壳独特的粉色使其被应用于建筑、首饰、装饰等行业，粉红贝的附加价值因此得到大幅度提高。

粉红贝属双壳纲蚌科，贝壳呈耳状，壳表黑色，壳内通体粉色，贝壳内表面的珍珠质层光泽为蓝绿色，外表面生长线细密。粉红贝目前被广泛应用于建筑、装饰、饰品等领域。已有关于蚌科贝壳方面的研究，较多关注于三角帆蚌[7-9]、褶纹冠蚌[10]、池蝶蚌[11]的化学成分、矿物组成、组织结构、育珠性能等，且取得了一系列成果，但对粉红贝的相关研究着重于生态学、生物习性等方面[12]，对其贝壳的成分、结构、成色机制等方面的研究比较薄弱。因此对粉红贝进行系统研究十分必要。

采用X-射线衍射分析(X-ray diffraction，简称XRD)、电感耦合等离子体质谱(Inductively coupled plasma mass spectrometry，简称ICP-MS)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope，简称SEM)、傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectrometry，简称FTIR)等方法对粉红贝贝壳的微成分、微结构以及光谱特征进行研究，并结合有关蚌类套膜与珍珠囊分泌机制的相关研究[13-16]，进一步分析蚌壳结构特征的成因，从而更好地拓展粉红贝在相关领域的应用和研究的深化。

1 样品与方法

1.1 贝壳样品

样品来自密西西比河流域，粉红贝去除软组织，获取其贝壳(图1)，贝壳内侧如图1-a所示，外侧如图1-b所示，断口宏观结构如图1-c所示。贝壳样品用去离子水清洗干净后晾干备用。从边缘到中心分割为A、B、C等3个区域(图1-b)，取相应区域的相应块体样品进行SEM观察及能量散射X射线谱(energy dispersive X-ray spectroscopy，简称EDX)分析。为分析角质层对微量元素试验结果的影响，把样品分为FH、YFH等2组，分别研磨为200目细粉。FH组为无角质层样品，YFH组为有角质层样品。分别对YFH、FH等2组样品粉末进行FTIR、XRD和ICP-MS分析。

1.2 扫描电镜(SEM)

样品喷金测试。场发射环境扫描电镜为荷兰FEI/OxFORD/HKL公司Quanta400F型，电镜分辨率为2 nm，放大倍数为7～1 000 000，能谱测试元素范围为5B-92U，电压为20 kV，同时进行EDX分析。

1.3 傅里叶红外光谱(FTIR)

取FH、YFH样品粉末和KBr粉末按约1 ∶100质量比在玛瑙研钵中研磨混合均匀，之后采用透射模式测量FH、YFH的透射红外光谱；分析测试仪器为美国Thermo Scientific公司生产的Nicolet6700型傅里叶变换红外光谱仪，分辨率优于0.09 cm，波数范围为4 000～400 cm-1；溴化钾压片测试。

1.4 X射线粉晶衍射(XRD)分析

测试仪器为荷兰帕纳科公司生产的Empyrean锐影X射线衍射仪，铜靶(Cu Kα)；石墨片单色滤波；管压为35 kV；管流为 35 mA；硅粉校正；扫描范围为3°～90°；功率为3 kW；测角精度为±0.000 1°，灵敏度为3%～5%；扫描速度为2°/min。

1.5 电感耦合等离子体质谱ICP-MS分析

取FH、YFH样品粉末，用盐酸溶解、稀释后待用；分析仪器为美国PEElan6000型ICP-MS质谱仪。功率为 1 175 W，雾化气氩气流速为0.83 L/min；等离子体氩气流速为 15 L/min；辅助氩气流速为1.2 L/min；透镜电压为自动聚焦；质谱扫描方式为峰跳，每个质量积分时间为100 ms。

2 结果与分析

2.1 粉红贝贝壳微结构特征

粉红贝贝壳由外至内分别是角质层、棱柱层、珍珠质层。其中角质层成分主要是硬化角蛋白，厚度较薄。棱柱层主要为文石，厚度较厚。珍珠质层由文石小板片组成，厚度较薄。贝壳中的文石在不同位置有各种不同的形状、尺寸和排列方式。在珍珠质层中的文石为圆角六边形，呈堆垛式排列，可见螺旋生长结构。在组成棱柱层单个棒柱中的文石板片以假六边形薄片状呈叠瓦状堆积。棱柱层中的棒柱垂直于内表面的珍珠层。

扫描电镜下粉红贝贝壳断面结构如图2所示，图2来自图1-b中C区域的自然断裂切面。图2中存在2种不同的矿化区域，左侧的棱柱层由规则的棒柱组成，右侧的珍珠质层由文石板片组成，组成棱柱的棒柱垂直于珍珠质层文石板片，结构特征如图2-a右上所示。这种结构与褶纹冠蚌[10]以及池蝶蚌[11]的结构特征类似。对图2中单个棒柱进一步观察发现，断面呈参差状(图2-b)，单个棒柱也是由文石微片垂直于棱柱长轴方向堆积而成的，但各个文石微片的生长方向略有不同，呈不规则螺旋层状结构(图2-c)。

珍珠质层文石呈堆垛结构，由整齐堆叠的文石板片构成(图3-a右上)。单片文石厚度1.5 μm(图3-b)，棱柱层与珍珠质层的过渡层间隔约2 μm(图3-c)。仔细观察珍珠质层中的文石板片发现，这些文石板片并不完全一致，文石板片的厚度是变化的，越靠近柱状结构的位置文石板片厚度越薄。

珍珠质层结构成色机制主要分为薄膜干涉[17]、光栅衍射[18-19]及其联合作用[20]。前人对鲍鱼贝壳具有一维光子带隙结构特性的研究[21]，为珍珠质层结构成色研究提供了一种新方法。据前人研究，板片厚度会影响珍珠质层的折射率，折射率与晶格常数共同影响珍珠层表面的反射波长，文石板片厚度减小会导致同一级反射峰波长呈现蓝移现象[22]。在电镜下观察文石板片的厚度从生长区到中心区逐渐减小，这导致粉红贝贝壳边缘出现明显的蓝绿色晕彩，与以往理论结果[22]一致。

在贝壳内表面的中心大量的六边形文石板片整齐排列，具有典型的螺旋生长结构(图4)。该结构来自图1-b中的B区域内表面。单个文石板片呈假六边形，表面平滑，中心可见暗点(图4右上)，中心厚度略低于边缘，产生了暗点。单个文石板片直径约为1 μm。沿轴心向外呈蜷线状生长，板片逐渐变大。层间距为10 μm左右，每层螺旋蜷线边缘文石呈游离态。

从内表面中心到边缘的过渡区生长层表面愈发不平整，出现了空洞，呈现出典型的堆垛状结构(图5)，该结构来自图1-b中的A区域内表面。单个垛表面平滑， 底部略粗糙， 呈品字形堆垛。直径约3 μm，高约10 μm，组成垛的文石呈圆角六边形，单个长1.5 μm，宽1 μm，厚度约为0.5 μm。

贝壳内表面的微结构在核心区和生长区有明显差异。核心区域结构为明显的螺旋生长型，而生长端的结构为堆垛型。从内表面核心区到生长端，贝壳表面的微结构由层状向直接堆垛转变，对应的机械性质由增加向降低转变[23]。

珍珠质层螺旋生长结构，可能从微尺度碳酸钙微晶体开始，蜷线状层层叠覆成中尺度文石微片，然后文石微片呈螺旋状群集。贝壳的结构形态与贝类的生长发育以及所处的水域环境密切相关[14]。温度、pH值、养料、周围生物活动的变化均会影响粉红贝的正常代谢。研究表明，矿化微环境受到动物体外环境的影响，当体外环境温度较高时，珍珠质的矿化速度也较快，导致体液中钙离子含量降低，pH值增大，体液中矿物相的含量下降，进而导致珍珠质的矿化出现异常；而pH值的降低，也可能影响有机质的分泌[24]。在上述2个因素的共同影响下，导致上述结构的出现。为了解棱柱层与珍珠质层化学组成的差异，对其分别进行EDX分析，分析区域如图6所示，结果如表1所示。

棱柱层和珍珠质层的化学元素种类大体相同，但元素含量略有差异。棱柱层的碳(C)含量比珍珠质层高14.79百分点，硅(Si)含量比珍珠质层高0.60百分点，铝(Al)含量比珍珠质层高 0.28百分点，钠(Na)含量比珍珠质层略高0.05百分点。而珍珠质层的氧(O)含量比棱柱层高10.82百分点，钙(Ca)含量比棱柱层高4.75百分点。尤为明显的是珍珠质层中含铁(Fe)，棱柱层中不含铁。可见，粉红贝贝壳的粉色很可能与珍珠质层中的铁有关[24-28]。

表1 粉红贝棱柱层与珍珠层元素分析结果

2.2 粉红贝贝壳各层的FTIR光谱特征

从粉红贝贝壳内表面分别刮取各层粉末样品经FTIR分析，结果如图7、图8所示。根据Dauphin等的描述，自由CO32-离子的构型为平面正三角形，有4个振动模式：对称伸缩振动υ1(1 082 cm-1)、二重简并的反对称伸缩振动υ3(1 142 cm-1)、面外弯曲振动υ2(854 cm-1)和二重简并面内弯曲振动υ4(714、699 cm-1)。但在文石结构中CO32-离子的位置对称性降低，υ3、υ4等2个二重简并模式均发生分裂，所以文石晶体中的CO32-基团共有6个内振动模式，且均为红外活性[29-30]。红外光谱的吸收峰分为3部分，即文石的吸收峰、C-H和-OH有机物的振动吸收峰、水的吸收峰。

2.4 粉红贝各层粉末样品的XRD分析

粉红贝贝壳经XRD粉晶分析，结果如图9、图10所示。粉红贝贝壳FH和YFH的XRD衍射图谱近乎一致，角质层并未对峰型产生明显影响。峰形尖锐表明其结晶度良好。两者谱图类似，均在(002)、(012)、(004)、(014)等晶面出现与标准文石碳酸钙晶体(PDF#41-1475)基本吻合的特征衍射峰，表明粉红贝贝壳中的碳酸钙晶体具有文石晶型。

贝壳珍珠层的结构组成与矿物类相似，主要为文石d(111)=3.396Å、d(021)=3.273Å、d(012)=2.700Å，含有少数方解石d(012)=3.86Å、d(104)=3.035Å、d(113)=2.285Å，总体上与马红艳的分析结果[33]一致。

与文石(人造)的标准衍射数据相比，粉红贝贝壳中文石相应的晶面族间距d值多数变大。尽管晶体的X射线衍射强度受多因素影响，通过对比样品的衍射谱图发现，粉红贝与标准文石相比缺少(004)、(014)等衍射线。

当所得产品为方解石和文石两者组成的混合物时，贝壳粉的XRD图谱，A表示文石，C表示方解石。由XRD计算各种晶型比例的方法[34]。

(1)

XC=1-XA。

(2)

式中：XA、XC分别表示文石、方解石在混合物中的摩尔分量。IA221、IC104分别表示文石(221)衍射峰的特征峰强度、方解石(104)衍射峰的特征峰强度。

根据式(1)、式(2)计算得出粉红贝贝壳无机相由 95.67% 的文石和4.33%的方解石组成。

2.5 ICP-MS分析

除常量元素外，粉红贝的贝壳中还含有多种微量元素，其中锶(Sr)、铬(Cr)、钡(Ba)、钛(Ti)、镍(Ni)、锰(Mn)、锌(Zn)、钴(Co)、铜(Cu)、铷(Rb)以及铈(Ce)元素的含量较高(表2)。而锶(Sr)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)等元素则在医药、食品领域具有有较好的应用[35-36]。

珍珠质颜色主要由遗传决定，与金属元素、金属卟啉、类胡萝卜素等因素有关[22]，主要致色物质金属卟啉包括铜卟啉、铁卟啉、镁卟啉、锌卟啉、锰卟啉等。已有研究表明，红色系列珍珠的颜色则是由铁卟啉和镁卟啉引起[26]，淡水粉色珍珠的颜色与Mg、Fe有关[27]。钛(Ti)和钒(V)元素对橙红色的形成有较大的影响[28]。根据ICP-MS的分析结果可以推测，粉红贝贝壳独特的粉色可能与铁、锌、锰、钛有关。

3 结论

粉红贝贝壳珍珠质层为砖墙型结构，棱柱层为棒柱状结构。这种结构赋予了贝壳连接界面更强的抗拉伸力和连接强度。这种棱柱层、珍珠质层的连接方式与三角帆蚌[9]、褶纹冠蚌[10]以及池蝶蚌[11]的结构特征类似，表明三者在贝壳形成过程中的生物矿化机制有相似之处，存在较近的亲缘关系。构成珍珠质层的文石结构在核心区和生长区结构有明显差异，核心区具有明显的螺旋生长结构，而生长端的结构则为堆垛型。内表面核心区结构上无规则文石单片向层状结构的过渡，对应的机械性质由快速增加向相对缓慢增加的转变；内表面中心到边缘的生长区内结构上由层状向直接堆垛转变，对应的机械性质由增加向降低转变。内表面不同结构的出现可能与粉红贝壳生长过程中分泌有机质的调控作用、外部环境等有密切关系。

表2 粉红贝的ICP-MS分析结果

粉红贝贝壳XRD分析结果证明，各层微结构的碳酸钙晶体构型为文石型，无机相由95.67%的文石和4.33%的方解石组成。ICP-MS分析结果表明，粉红贝的贝壳中含有Sr、Cr、Ba、Ti、Ni、Mn、Zn、Co、Cu、Rb、Ce等元素；粉红贝贝壳独特的粉色可能与铁、锌、锰、钛有关。角质层中的锰元素可能是其表面为黑色的重要因素。

EDX分析结果表明，Fe元素仅存在于珍珠质层中，棱柱层中不含铁，粉红贝贝壳独特的粉色体色很可能与铁元素有关。珍珠质层中文石板片与蛋白质周期排列构成一维光子晶体带隙结构，这种结构和蛋白质的共同作用导致了珍珠质层呈蓝绿色调晕彩。

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