珍珠表層組成及結(jié)構(gòu)的表征方法研究

章　凱，王德海（浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江　杭州　310014）

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珍珠表層組成及結(jié)構(gòu)的表征方法研究

章凱，王德海*
（浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州310014）

摘要：掃描電子顯微鏡（SEM)、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FT-IR)等是表征物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)的常用方法。綜述了近十幾年來(lái)分析珍珠表層組成結(jié)構(gòu)的表征方法，介紹了傅里葉變換紅外光譜技術(shù)、X射線(xiàn)衍射技術(shù)、掃描電子顯微鏡等多種測(cè)試手段在珍珠表層官能團(tuán)、晶型、形貌等結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，展望了表征方法的研究發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：珍珠層；表征方法；掃描電子顯微鏡；傅里葉變換紅外光譜技術(shù)

0　引言

珍珠表面的珍珠層具有明亮的光澤，使珍珠晶瑩剔透，光彩奪目，具有極高的飾用價(jià)值。珍珠的這種價(jià)值性能與珍珠表層的結(jié)構(gòu)組成密不可分。珍珠層作為生物礦化的產(chǎn)物，是構(gòu)成珍珠的主要結(jié)構(gòu)，它由無(wú)機(jī)相的碳酸鈣和有機(jī)相的蛋白質(zhì)-多糖組成，是一種天然的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合層狀材料[1]。珍珠表面的分析表征，對(duì)構(gòu)造新有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)、加工高附加值珍珠具有指導(dǎo)意義。為此，人們通過(guò)掃面電子顯微鏡（SEM）、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FT-IR）等表征方法對(duì)珍珠表層有機(jī)相、無(wú)機(jī)相等結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了不同的研究。

本文以珍珠表面為主體，綜述近十幾年來(lái)不同表征測(cè)試方法在珍珠表層有機(jī)相、無(wú)機(jī)相等結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用，展望珍珠層結(jié)構(gòu)組成表征方法的研究發(fā)展方向。

1　珍珠表層無(wú)機(jī)相的表征

1.1傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）

張剛生[2]等用不銹鋼手術(shù)刀分別從淡水、海水養(yǎng)殖珍珠樣品上刮取適量粉末，置于瑪瑙研缽中磨成細(xì)粉，并與KBr壓片后進(jìn)行傅里葉變換紅外測(cè)試。結(jié)果表明在1471.1 cm-1，1082.6 cm-1，863.8 cm-1，712.7 cm-1，699.9 cm-1處均出現(xiàn)較明顯的吸收峰，分別對(duì)應(yīng)的是CO32-的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)、對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)、面外彎曲振動(dòng)和面內(nèi)彎曲振動(dòng)，符合文石型碳酸鈣的特征峰位，說(shuō)明珍珠層的主要成分為文石型碳酸鈣，且淡水養(yǎng)殖珍珠與海水養(yǎng)殖珍珠的無(wú)機(jī)相紅外吸收頻率一致。Tan[3]等對(duì)同樣用紅外光譜分析養(yǎng)殖珍珠表面，結(jié)果在700 cm-1，713 cm-1，862 cm-1和1083 cm-1也呈現(xiàn)明顯吸收峰，與前者的測(cè)試結(jié)果相近。

傅里葉變換紅外光譜從分子水平上展示了珍珠層無(wú)機(jī)相文石型碳酸鈣中CO32-的存在狀態(tài)，對(duì)無(wú)機(jī)相結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識(shí)。但是使用傅里葉變換紅外光譜表征珍珠表層結(jié)構(gòu)時(shí)，在取樣方法上可能存在一定缺陷，用手術(shù)刀刮取珍珠得到的是珍珠表面平均后的樣品，但珍珠表層不同區(qū)域結(jié)構(gòu)可能存在差異，為排除因這一因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，可能需要改善珍珠表層的取樣方法或使用其他表征方法測(cè)試，盡可能地保留珍珠表層的原位信息，為研究珍珠表層不同區(qū)域間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提供新的方法。

1.2X射線(xiàn)衍射分析（XRD）

根據(jù)李立平[4]等對(duì)海水珍珠的珍珠層以及淡水珍珠的XRD測(cè)試結(jié)果顯示：淡水養(yǎng)殖珍珠主要由文石（斜方晶系）組成，但含有少量的球文石（六方晶系[5]），不論優(yōu)質(zhì)珠還是無(wú)光珠均不含有方解石。而海水養(yǎng)殖珍珠則不同，主要由文石組成，含少量的方解石（三方晶系）。不同結(jié)構(gòu)的碳酸鈣晶體如圖1所示?？梢?jiàn)，珍珠層的晶體結(jié)構(gòu)主要以斜方晶系的文石為主，但珍珠種類(lèi)不同，結(jié)構(gòu)略有差異。

根據(jù)X射線(xiàn)衍射分析，揭示了珍珠層無(wú)機(jī)相的空間排列情況。通過(guò)珍珠層無(wú)機(jī)相所處的不同晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，可以區(qū)分珍珠的養(yǎng)殖環(huán)境。但單一的X射線(xiàn)衍射表征方法并不能分析珍珠層微區(qū)的化學(xué)成分、元素離子的存在狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的不均勻性等信息[6]，要想系統(tǒng)認(rèn)識(shí)珍珠表面無(wú)機(jī)相結(jié)構(gòu)，往往需要結(jié)合傅里葉變換紅外光譜、顯微鏡等其他表征手段協(xié)同分析。

圖1　方解石、文石和球文石晶體結(jié)構(gòu)示意圖:（a）方解石的六邊形晶胞;（b）文石晶胞;（c）球文石亞晶胞[7]Fig.1 Schematic diagrams of calcite，aragonite and vaterite:（a）a hexagonal unit cell of calcite;（b）unit cell of aragonite;（c）; subcell of vaterite[7]

2　珍珠表層有機(jī)相的表征

2.1傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）

宋慧春[8-9]等用酸法提取淡水無(wú)核珍珠表層中的殼角蛋白，具體操作為：將經(jīng)過(guò)用砂輪剝離后[10]保留的珍珠層，放在體積分?jǐn)?shù)為5%的醋酸溶液中浸泡至無(wú)機(jī)成分完全溶解，之后將剩余的固體薄層狀物質(zhì)用蒸餾水清洗至中性，再繼續(xù)用甲醇、乙醚浸泡去脂，最后用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈后真空冷凍干燥，得到珍珠層的殼角蛋白。分析其紅外表征結(jié)果，在3290 cm-1處有較強(qiáng)吸收峰，1620 cm-1和1510 cm-1為一對(duì)強(qiáng)雙峰，符合典型的蛋白質(zhì)紅外吸收特征峰，3290 cm-1為C=O羰基的伸縮振動(dòng)，1620 cm-1應(yīng)是酰胺I帶的伸縮振動(dòng)，1510 cm-1為酰胺II的彎曲振動(dòng)。還有分析表示[11]殼角蛋白在1450 cm-1和820 cm-1都有不同強(qiáng)度的峰值，以1450 cm-1為最大，說(shuō)明珍珠（層）中除含有酰胺鏈外，還存在芳香基團(tuán)。

珍珠中有機(jī)相的含量較低，在紅外測(cè)試中需要對(duì)固體試樣進(jìn)行一定前處理（通常為KBr壓片），不能對(duì)被測(cè)試樣進(jìn)行原位分析，一定程度上會(huì)損傷部分表面信息。而且用上述方法提取的是粗制殼角蛋白，經(jīng)測(cè)定約含20%非蛋白質(zhì)成分，這些都會(huì)對(duì)紅外測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾。

2.2拉曼光譜（Raman）

拉曼光譜是化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)及寶石學(xué)等領(lǐng)域的重要研究手段之一，是一種獨(dú)特的原位研究的工具，對(duì)于純定性分析、高度定量分析和測(cè)定分子結(jié)構(gòu)都有很大價(jià)值。

張剛生[12]對(duì)海水、淡水養(yǎng)殖珍珠的珍珠層的激光拉曼光譜研究顯示，在1526 cm-1和1134 cm-1觀察到明顯的拉曼峰，根據(jù)譜帶及組合特征，認(rèn)為這兩個(gè)峰的出現(xiàn)是由類(lèi)胡蘿卜素引起的，且在淡水和海水珍珠中這兩個(gè)峰的特征相同，表明兩類(lèi)珍珠層中可能含有相同種類(lèi)的的類(lèi)胡蘿卜素。郝玉蘭[13]、秦作璐[14]等對(duì)浙江諸暨山下湖淡水養(yǎng)殖珍珠進(jìn)行研究，結(jié)果探測(cè)到存在C—C伸縮振動(dòng)引起的1121 cm-1、1134 cm-1及C= C伸縮振動(dòng)引起的1503 cm-1、1526 cm-1某有機(jī)物的拉曼峰，推測(cè)此有機(jī)物為聚乙炔類(lèi)物質(zhì)，不同于之前的研究者所認(rèn)為的類(lèi)胡蘿卜素[15]。但這些分子結(jié)構(gòu)的存在，宏觀上都會(huì)對(duì)珍珠的顏色產(chǎn)生影響。

3　珍珠表層有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合作用的表征

陶靖[16]等將三角帆蚌生長(zhǎng)珍珠層粉末樣品進(jìn)行KBr壓片后測(cè)試，分析經(jīng)過(guò)160℃熱處理前后紅外圖譜，發(fā)現(xiàn)熱處理前后C—O反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)從1471 cm-1變?yōu)?474 cm-1，O—C—O面外彎曲振動(dòng)也有2 cm-1的位移，從紅外吸收峰的峰形、峰位的明顯變化說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)無(wú)機(jī)晶體具有配位作用，并對(duì)紅外光譜進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，從分子光譜學(xué)的角度擬合得到了有機(jī)—無(wú)機(jī)物質(zhì)在1149 cm-1處存在相互作用的譜帶。

4　珍珠表面微觀形貌的表征

4.1掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡（SEM）作為現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的一種重要研究手段，已被廣泛用于珍珠表面形貌的觀察。

在掃描電子顯微鏡下觀察，淡水養(yǎng)殖珍珠表面的文石磚墻結(jié)構(gòu)與層間有機(jī)物質(zhì)形成連續(xù)、重疊的結(jié)構(gòu)，類(lèi)似明顯的波紋結(jié)構(gòu)[17-18]。李耿[19-20]等觀察浙江諸暨的淡水養(yǎng)殖珍珠表層微結(jié)構(gòu)也得出相同結(jié)論，同時(shí)認(rèn)為該品種珍珠光澤的強(qiáng)弱可能與表面文石板塊和有機(jī)質(zhì)邊界的凹凸程度有關(guān)；一定程度上還受板塊形狀和排列的影響?？纵韀21]等對(duì)產(chǎn)自廣西的不同光澤、明暗度的海水養(yǎng)殖珍珠樣品進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)表面亦呈現(xiàn)層狀或階梯狀排列的紋理結(jié)構(gòu)（如圖2），且珍珠文石結(jié)晶度越高、結(jié)構(gòu)排列越規(guī)則緊密或殼角蛋白膜變薄，都會(huì)形成光亮的珍珠表面，反之則光澤較弱，同時(shí)這三種因素對(duì)珍珠的透明度、體色及伴色也產(chǎn)生一定影響，這一結(jié)論與前面提到的淡水養(yǎng)殖珍珠相似。張恩[22]等進(jìn)一步放大觀察廣西海水養(yǎng)殖珍珠表面形貌，發(fā)現(xiàn)珍珠表面的文石板片形狀不一，多邊形、六邊形、渾圓型等不規(guī)則分布（如圖3）；有機(jī)質(zhì)清晰分布在板塊間隙，使板塊之間邊界清晰。且珍珠質(zhì)層是由有機(jī)質(zhì)膠結(jié)的文石微晶組成的片狀晶層與有機(jī)質(zhì)層交替平行疊置構(gòu)成。認(rèn)為珍珠層的多層次精細(xì)微結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)的參與有關(guān)。

對(duì)類(lèi)似珍珠等非導(dǎo)電樣品，運(yùn)用掃描電子顯微鏡分析測(cè)試前，需要對(duì)樣品鍍導(dǎo)電膜（通常作噴金處理）或其它準(zhǔn)備工作，一定程度上會(huì)損害樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)。因此需要尋求其他表征方法測(cè)試珍珠表面的原位信息。

4.2環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）

環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）的基本工作原理與傳統(tǒng)掃描電子顯微鏡相同，與SEM相較，ESEM更多的應(yīng)用于生物材料，可以滿(mǎn)足不導(dǎo)電樣品的測(cè)試需求。幾乎所有的試樣都可用環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)。因此在對(duì)珍珠的表面研究中，運(yùn)用ESEM能保留珍珠表面的原位信息，觀察表面形貌時(shí)不需經(jīng)過(guò)噴金處理。

劉銜宇[23]等以湖北鄂州的淡水養(yǎng)殖珍珠為研究對(duì)象，利用環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）對(duì)不同形狀的鏤空珍珠樣品進(jìn)行表面觀察。與海水養(yǎng)殖珍珠表層微結(jié)構(gòu)相比，淡水養(yǎng)殖珍珠的表層文石板片同樣呈階梯多層狀有序排列（如圖4），其表面光潔度受文石板塊的排列規(guī)整度、緊密度以及文石板塊邊緣和文石層堆砌均勻程度的重要影響。

4.3原子力顯微鏡（AFM）

原子力顯微鏡（AFM）作為新型表面結(jié)構(gòu)分析儀器，通過(guò)探針與被測(cè)樣品之間微弱的原子力，可研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)，獲得三維表面形貌信息。

張妮[24-25]等表征研究浙江雷甸的淡水養(yǎng)殖珍珠，觀察結(jié)果顯示：隨著珍珠質(zhì)量由高到底的變化，珍珠文石微層厚度、文石板塊形狀、排列的規(guī)整度及文石微層、板塊的致密度的變化與之呈正相關(guān)關(guān)系。珍珠表面伴色可能與珍珠表層結(jié)構(gòu)有關(guān)，帶伴色珍珠表面文石板塊呈正突起，無(wú)伴色珍珠表面則呈負(fù)突起。同時(shí)，在納米級(jí)范圍內(nèi)觀察到珍珠表面具有六方最緊密堆積的文石球粒。他們歸納文石球粒的這種六方最緊密堆積結(jié)構(gòu)的形成與礦物相轉(zhuǎn)變有關(guān)，在有機(jī)質(zhì)影響下，碳酸鈣球粒從立方結(jié)構(gòu)的方解石相向著更致密且更有利于堆積的六方文石最緊密堆積。

圖2　海水養(yǎng)殖珍珠階梯狀文石結(jié)晶層[21]Fig. 2 a step-type crystal layer of aragonite of the seawater cultured pearl[21]

圖3　海水養(yǎng)殖珍珠多邊形、圓形等文石板塊及其之間的有機(jī)質(zhì)[22]Fig. 3 the polygon、circular lamella of aragonite and the interbedded organic matter of the seawater cultured pearl[22]

圖4　淡水珍珠樣品表面光澤較強(qiáng)部位的表面微形貌[23]Fig. 4 the surface topography of strong luster parts in the surface of the freshwater pearl sample[23]

黃藝蘭[26]等用原子力顯微鏡觀測(cè)海南三亞企鵝貝附殼珍珠（海水養(yǎng)殖珍珠）表層的微形貌，表征結(jié)果說(shuō)明：在納米尺度上文石晶體呈現(xiàn)螺旋堆砌的結(jié)構(gòu)（如圖6），這種螺旋結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)表現(xiàn)為表層形成發(fā)育較完整的同心圓狀結(jié)構(gòu)（如圖5）。

圖5　附殼珍珠珍珠層同心圓結(jié)構(gòu)AFM三維圖像[27]Fig. 5 an AFM three-dimensional image of the concentric circles structure of the nacre of blister pearl[27]

圖6　附殼珍珠珍珠層螺旋結(jié)構(gòu)AFM三維圖像[27]Fig. 6 an AFM three-dimensional image of the helical structure of the nacre of blister pearl[27]

原子力顯微鏡從二維或三維方向來(lái)表征珍珠表面層與層之間的微觀形貌，可以從文石片層的形狀、排列等方面解釋不同珍珠表層光澤和光潔度的差異，但這種表征方法成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響較大。

5　結(jié)語(yǔ)

關(guān)于珍珠表層結(jié)構(gòu)的研究，人們從分子水平到微觀形貌，通過(guò)不同的表征方法已有較詳細(xì)的了解。但上述表征方法在儀器設(shè)備或取樣及制樣過(guò)程存在一定缺陷；其次有關(guān)珍珠表層有機(jī)質(zhì)與文石層的復(fù)合作用的表征方法研究的報(bào)道較少，因此未來(lái)的研究方向是更多地使用準(zhǔn)確的表征方法，如拉曼光譜、環(huán)境掃描電子顯微鏡等表征方法，對(duì)珍珠表層進(jìn)行原位表征，保留珍珠表層原始信息，以便獲得更直接的珍珠表層結(jié)構(gòu)特征；珍珠層作為生物礦化的產(chǎn)物，深入分析有機(jī)質(zhì)與文石層的復(fù)合作用，可以對(duì)構(gòu)造新的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料、仿生礦化和加工高質(zhì)量珍珠提供指導(dǎo)價(jià)值，因此未來(lái)對(duì)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)的表征仍值得進(jìn)一步研究。

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分析測(cè)試

A Research of Characterization Methods on Composition and Structure of the Surface of Pearl

ZHANG Kai，WANG De-hai*
（College of Materials Science and Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China)

Abstract：Scanning Electron Microscope（SEM),Fourier Transform Infrared Spectroscopy（FT-IR), etc, as several common methods are used to characterize the composition and structure of materials. It was reviewed different characterization methods which were used to analyse the composition and structure of nacre. Introduce a variety of testing means including the Fourier Transform Infrared Spectroscopy, X-ray diffraction and Scanning Electron Microscope etc and introduce their application on structure analysis, such as functional groups, crystal structures, morphology etc. Provide an outlook of the development direction in the studying of characterization methods.

Keywords：nacre; characterization methods; Scanning Electron Microscope（SEM); Fourier Transform Infrared Spectroscopy（FT-IR)

作者簡(jiǎn)介：章凱（1989-)，女，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：精細(xì)高分子。E-mail:karen_ZK@163.com。

文章編號(hào)：1006-4184（2016）3-0044-05

修回日期：2015-10-14