吉丁蟲體表的光譜測試及結構觀測

黃杰敏 葉志剛 楊樹

摘 要：自然界中的色彩分化學色和結構色兩種，吉丁蟲體表具有多種色彩的金屬光澤，其色彩的形成機理在本文中被研究。本文采用微型光譜儀對吉丁蟲的不同部位進行了變角度光譜測試，驗證了吉丁蟲的結構色特征。隨后用光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察了吉丁蟲的表面結構，發(fā)現(xiàn)吉丁蟲的表面有許多孔洞和細紋。而這些表面的特殊結構具備了產(chǎn)生結構色的結構基礎。

關鍵詞：吉丁蟲；結構色；光譜測試；表面結構

自然界的色彩主要有兩種顏色：結構色和化學色。借助化學著色劑如色素、顏料等達到染色的目的，即化學色；結構色，不依賴于任何化學染料，通過光柵衍射、散射、干涉和光學過程的組織結構及其特殊白色物體顯示顏色。結構色對應于相應的生物學功能，這是一個長期的生物進化。

甲蟲已經(jīng)在地球上生存了約30億年，許多甲蟲都展示了它們壯觀的彩虹色，被稱為“活寶石”。在2003年，A.R.Parker在昆士蘭澳大利亞東北部森林發(fā)現(xiàn)的甲蟲，它有一個相對統(tǒng)一的彩色金屬板，從任何方向可見。用掃描電子顯微鏡對薄膜的標度截面進行了觀察。

結構顏色具有不褪色、環(huán)保和虹彩效果。因此，結構色在人類社會生活中的應用將在服裝、裝飾、防偽等領域具有廣闊的應用前景。我們在本實驗中對吉丁蟲色彩的形成機制，色彩結構進行了研究分析，希望建立光子晶體的結構模型，為色彩仿生材料結構設計提供基礎。

1.試驗樣本

本實驗所采用的樣本為吉丁蟲。如圖1所示，實驗觀察的部位為綠色鞘翅和紅色尾部。吉丁蟲產(chǎn)于馬來西亞，屬于吉丁科。該昆蟲的體長約為28毫米，鞘翅細窄，表面具有銅綠色的金屬光澤。其頭部和前胸背板均為黃綠色，尾部具有少量紅色。

2. 變角度光譜測試

本實驗采用變角度光譜測試法，分別從90°、60°、30°、0°的入射角測量反射光譜。若光譜圖中波峰的峰位隨著入射角的改變而發(fā)生移動，則表明該樣本存在結構色；否則，為色素色。

圖2（a）（b）分別顯示的是吉丁蟲部位1、部位2的變角度光譜圖，其中曲線1、2、3、4分別對應90°、60°、30°、0°的入射角。如圖2（a）所示，隨著入射角的減小，波峰往波長小的位置移動，即藍移。而在光譜圖中，峰位表示顏色的色調，這就表明顏色發(fā)生了改變，該部位存在結構色。而對于部位2，可觀察到圖2（b）中各曲線的峰位所在區(qū)域并不相同，波峰峰位發(fā)生紅移。同樣地，部位2也存在結構色。

3. 結構觀察

驗證吉丁蟲的兩個部位均為結構色后，下一步需要對這兩個部位的微觀結構進行光學顯微鏡，掃描電鏡測試，觀察和分析各部位所具有的特殊微觀結構。

3.1 光學顯微鏡觀測吉丁蟲的結構形貌

實驗借助光學顯微鏡對吉丁蟲不同部位的結構形貌進行了研究分析。

圖3為吉丁蟲在光學顯微鏡下的微觀結構圖。其中（a）、（b）分別表示50倍、500倍放大倍數(shù)下部位1的結構圖。在顯微鏡的觀察下，可發(fā)現(xiàn)吉丁蟲翅膀表面布滿凹陷的孔洞和細紋，且其表面整體呈現(xiàn)黃綠色，具有明亮的光澤。（c）、（d）顯示的是50倍、500倍放大倍數(shù)下部位2的結構圖，其表面凹凸不平，布滿細微的孔洞，且孔洞內部存在黃綠色物質。

3.2 SEM觀測下吉丁蟲的表面微觀結構

光學顯微鏡存在局限性，它只能初步判斷昆蟲表面的色彩分布和大致結構，為細致觀察昆蟲內部微結構，實驗對吉丁蟲不同部位的表面微觀結構進行了掃描電鏡實驗，即SEM。

圖4顯示的是SEM觀測下吉丁蟲的表面微觀結構。其中圖4（a）、（b）分別是1000倍、5000倍放大倍數(shù)下部位1的結構圖?？梢娫摬课槐砻娌紳M大小不一、高低不勻的凹坑，破壞了表面的平整度。此外，仔細觀察可發(fā)現(xiàn)，這些凹坑的分布存在一定的規(guī)律，將連續(xù)的凹坑相連可形成一個個多邊形，即一個五角形或六角形的每個頂點有一個凹坑，具體如圖4（b）所示。圖4（c）、（d）是1000倍、5000倍放大倍數(shù)下部位2的結構圖。觀察其部位2，可發(fā)現(xiàn)該吉丁蟲尾部與翅膀結構相似，表面也布滿規(guī)則的凹坑。此外，放大觀察倍數(shù)，可發(fā)現(xiàn)除規(guī)則分布的凹坑外，其表面還有較多細紋和許多不規(guī)則的細小微孔，微孔大小和形狀各異。

本文通過微型光譜儀對吉丁蟲的外表顏色進行測試，證實其表面色彩隨著入射光角度的不同而發(fā)生變化，即吉丁蟲體表的顏色是結構色產(chǎn)生的。產(chǎn)生結構色的結構基礎是周期性重復的微納米結構，根據(jù)光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡對吉丁蟲表面結構的觀察，其表面的孔洞和細紋呈現(xiàn)周期性重復的特征，具備成為光子晶體結構色的結構基礎，但進一步的分析仍需在今后的研究中繼續(xù)進行。

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（作者單位：嘉興學院南湖學院化紡系，浙江 嘉興314000）