贝壳的化学成分及其结构特征

何朋陈建新苏敏韩健程昆

（1教育部海水利用工程研究中心，河北工业大学，天津300130；2河北工业大学化工学院，天津300130）

引 言

贝壳是软体动物的外套膜，是天然的有机－无机复合材料［1－2］。与自然界中天然碳酸钙矿物质相比较，贝壳具有独特的多尺度、多级次 “砖－泥”组装结构，且因其多级层状结构而具有韧性好、强度高等优良特性［3－5］。然而这仅仅是天然贝壳中的化学成分比碳酸钙中多了5%左右的蛋白质、多糖类等有机高分子物质对其结晶行为起到的控制作用［6－7］。研究这类材料的结构特征是材料仿生科学研究的一个热点。

夏静芬等［8］通过采用红外技术手段对珍珠粉和贝壳粉进行实验研究，发现其主要成分均为文石型碳酸钙，并含有少量有机质和水分。孙晋美等［9］利用AFM、SEM表征手段，得出皱纹盘鲍贝壳珍珠母是由形状不规整的文石片与有机基质薄层逐层堆垛而成的微结构。罗琴凤等［10］研究了江西抚州的池蝶蚌贝壳表面特征和微结构，发现文石板片珍珠层具有 “砖墙”般的结构。

本文以扇贝和珍珠母贝壳为研究对象，采用SEM、XRD、TG－DSC和FT－IR等多种表征方法，对其化学成分、微观结构以及热分解行为进行研究，为生物矿化提供基础数据，为合成具有贝壳结构和性能的复合仿生材料提供新的思路。

1 实验部分

1.1 实验仪器与材料

D8FOCUS粉末X射线衍射仪 （德国布鲁克公司）；BRUKER TENSOR 27型的傅里叶变换红外仪 （北京维尔阳光环保科技有限公司）；Nanosem 430型扫描电子显微镜 （美国FEI公司）；HCT－2型差热分析仪 （北京恒久科学仪器厂）；SX2－2.5－10箱式电阻炉 （天津市中环实验电炉有限公司）。

实验所用样品扇贝采集于天津渤海湾，珍珠母贝壳采集于广西北海。实验所用试剂均为分析纯，实验用水为蒸馏水。

1.2 样品的预处理

取新鲜贝壳将其有机体剥离，使用自来水将其洗净，之后在质量分数为5%的NaOH溶液中浸泡20min，使黏附在贝壳上的微生物能够完全清理，再次使用去离子水将其清洗干净，置入105℃烘箱中3h，恒温烘干，取出样品，置于空气中冷却，待完全冷却后，用小型粉碎机进行粉碎处理，过0.15mm筛，得到待测样品。

1.3 贝壳的形貌及结构检测

采用美国FEI公司生产的Nanosem 430型扫描电子显微镜观察样品的断面结构。采用D8FOCUS粉末X射线衍射仪。测试条件：CuKα，工作电压40kV，电流40mA，步进扫描，步距设定 为 0.02°，2θ＝ 20°～ 70°。 采 用 BRUKER TENSOR 27型的傅里叶变换红外仪测定样品。扫描范围4000～400cm－1，对于固体粉末采用全投射的方法测试。

1.4 样品的热分析

采用HCT－2型差热分析仪分析样品的热解过程。测试条件：在室温条件下稳定升至900℃，以不超过10℃·min－1速率对升温过程进行严格控制。并将珍珠母贝壳在400，500，600和800℃分别加热1h，然后冷却，进行XRD图谱分析。

2 实验结果与讨论

2.1 贝壳的结构表征

将样品的粉末用2mol·L－1的盐酸溶解，并用EDTA法测定矿物质的含量。所得结果为CaCO3的质量分数分别为95.64%和94.76%，其他有机质的含量分别为4.36%和5.24%。

图1为扇贝粉和珍珠母贝壳粉的XRD图谱，其中A代表文石，C代表方解石。由XRD计算各种晶型比例的方法［11］，当所得产品为方解石和文石两者组成的混合物时

式中，XA，XC分别表示文石，方解石在其混合物中的摩尔分量。IA221，IC104分别代表文石的（221）衍射峰的特征峰的强度，方解石的 （104）衍射峰的特征峰的强度，根据式 （1）和式 （2）可以算出扇贝的无机相是由100%的方解石组成，珍珠母贝壳的无机相由4.96%方解石和95.04%文石组成。

图1 样品的X射线粉末衍射谱图Fig.1 XRD patterns of samples

图2显示的是珍珠母贝壳和扇贝的红外谱图。根据不同晶型碳酸钙的红外吸收光谱［12］，在扇贝的红外谱图中，712、877和1423cm－1都是方解石的特征峰，所以扇贝的无机相由方解石组成；在珍珠母贝壳中，862cm－1位于853cm－1（文石的特征吸收峰）和876cm－1之间，说明在珍珠母贝壳的无机相中同时存在文石和方解石。这与XRD的分析结果吻合。在扇贝的红外谱图中，相对应的1797，2873和4336cm－1分别是 C＝O伸缩振动，—CH2非对称伸缩振动和O—H伸缩振动；在珍珠母贝壳的图谱中，1787，2918和3433cm－1分别是C＝ O伸缩振动，—CH2非对称伸缩振动和O—H伸缩振动。由此说明，在珍珠母贝壳中，除了有碳酸钙外，还有少量的有机物，同时这些有机物影响着贝壳中无机物的出峰位置。

图2 珍珠母贝壳和扇贝的FT－IR谱图Fig.2 FT－IR spectra of nacre and scallop

图3显示的是从珍珠母贝壳和扇贝中分离出来的蛋白质的红外谱图。在扇贝蛋白质的红外谱图中，酰胺I和酰胺B带比较明显，即1640cm－1是C ＝O伸缩振动，3345cm－1则是N—H伸缩振动。在珍珠母蛋白质的吸收光谱中，1240cm－1和1526cm－1是C—N伸缩，N—H弯曲振动，1626 cm－1是C ＝O伸缩振动，3277cm－1和3372cm－1则是N—H伸缩振动。相比较这两种蛋白的红外谱图，其峰型和峰位上还是有一定差异的，在扇贝谱图中，并未发现酰胺Ⅱ和酰胺Ⅲ带，即C—N伸缩，N—H弯曲振动；在两个谱图中，在1000～1500cm－1的区域都出现了多糖的峰，但是珍珠母贝壳多糖的峰要比扇贝的多且明显，由此可知，这两种蛋白有一定差异。

2.2 贝壳的形貌表征

图4为扇贝和珍珠母贝壳的断面结构的SEM图，（a）～ （c）分别为扇贝的角质层，棱柱层和珍珠层，（d）～ （f）分别为珍珠母贝壳的角质层，棱柱层和珍珠层。

图3 珍珠母贝壳和扇贝提取蛋白质的FT－IR谱图Fig.3 FT－IR spectra of protein separated from nacre and scallop

图4 扇贝和珍珠母贝壳断面的SEM图Fig.4 SEM micrographs of cross－sections of scallop and nacre

从图4可以看出，扇贝的棱柱层呈规则的纤维状；扇贝的珍珠层由微细的薄层组成，具有明显的层状结构。然而，珍珠母贝壳的棱柱层呈规则的柱状，选择部分断面观察，发现横断面比较平整；珍珠母贝壳的珍珠层由许多整齐的板片组成，具有明显的层状结构，板片之间有少量的有机介质分布，板片和有机质层按周期性结构定向交错堆叠而成。由于少量的有机质在形成珍珠层的过程中占据主导作用［13］，使得其力学性能大大提高。

2.3 贝壳的热分析

图5为扇贝和珍珠母贝壳的热重－差热曲线，从图中可以看出，扇贝的热分解基本上为一个阶段，即621～840℃。珍珠母贝壳的热分解包括两个十分明显的阶段，第一阶段为284～480℃；第二阶段为606～778℃。珍珠母贝壳热分解的第一个阶段为有机质的变性和分解同时发生的过程。第一阶段的失重率通常可视为有机质的总含量。由于扇贝的有机质含量较珍珠母贝壳和珍珠的含量低，且有一部分有机质发生了变性但是没有发生分解，因而只有一个阶段。TG曲线的621～840℃和606～778℃阶段是碳酸钙分解放出CO2的阶段，依据这个过程的失重率，能够计算出样品中的碳酸钙的总量。

图5 样品的热重－差热同步分析曲线Fig.5 TG－DSC curves of samples

一般情况下，在差热图谱中，200℃之前有一弱的宽缓的吸热谷，它主要由脱附吸附水引起的，该区间的失重量一般比较小。在200～500℃区间内，出现一宽缓的吸热峰，主要由有机质的变性和分解引起的。纯文石的差热曲线通常包括两个吸热谷，其中一个吸热谷是在462℃左右，此处温度比较弱，这是由于文石向方解石发生相变造成的；另外一个吸热谷是在800℃左右，此处温度较强，这是由于方解石分解而造成的。在图5（b）400～500℃有一强的吸热谷，是由文石向方解石相变而引起。在800℃出现一强的吸热谷，谷形深且尖锐，很明显是因为碳酸钙发生分解生成氧化钙与二氧化碳引起的。

图6是珍珠母贝壳在400℃，500℃，600℃和800℃分别加热1h后的XRD图谱。其中，A代表文石，C代表方解石，1代表CaO，2代表Ca（OH）2。从图谱中可以看出，在400℃以前，珍珠母贝壳和新鲜的贝壳一样都处于文石的状态，含少量的方解石，在500℃和600℃时，变为了纯的方解石，说明珍珠母贝壳在400～500℃发生了由文石转变为方解石的晶型转换，验证了图5（b）中462℃出现的吸热峰。600℃方解石开始分解，到800℃时，分解为CaO和CO2，验证了图5（b）606～778℃分解的热重图谱，但是由于Ca（OH）2在700℃时会完全分解为CaO和 H2O［14］，而且CaO在空气中极易吸水，所以出现了Ca（OH）2吸收峰。

图6 珍珠母贝壳不同温度热处理1h的XRD谱图Fig.6 XRD patterns of nacre heated at different temperature for 1h

3 结 论

本文以扇贝和珍珠母贝壳为研究对象，对其结构、形貌以及热稳定性做了比较详细的表征和分析。

（1）实验的扇贝和珍珠母贝壳都是由95%左右的CaCO3和5%左右的有机质组成。其中，扇贝的无机相由100%的方解石组成，而珍珠母贝壳的无机相由4.96%的方解石和95.04%的文石组成。且两者所含有机质的成分存在很大的差异。

（2）对扇贝和珍珠母贝壳进行热分析，结果表明，热分解分为两个阶段，第一阶段为有机质的变性和分解，第二阶段为碳酸钙分解为二氧化碳和氧化钙的过程。有所不同的是，珍珠母贝壳在400～500℃出现了由文石转变为方解石的晶型转换，继而继续分解为CaO和CO2。

通过对扇贝和珍珠母贝壳的化学成分、微观结构以及热分解行为的研究，扇贝和珍珠母贝壳有机相与无机相组成比例近似，但各相具体成分有较大差异，导致热性质等有较大变化。

［1］ Yamamoto Y，Nishimura T，Sugawara A，Inoue H，Nagasawa H， Kato T.Effects of peptides on CaCO3crystallization：mineralization properties of an acidic peptide isolated from exoskeleton of crayfish and its derivatives ［J］.CrystalGrowthandDesign，2008，8 （11）：4062－4065.

［2］ Sun J，Bhushan B.Hierarchical structure and mechanical properties of nacre：a review ［J］.Rsc.Advances，2012，2（20）：7617－7632.

［3］ Bi Jianzhong （毕见重），Lu Chunmei（路春美），Wang Yongzheng （王 永 征 ）.Microstructure experiment and calcination characteristics of shells ［J］.Journalof ChemicalIndustryandEngineering（China）（化工学报），2002，53 （11）：1228－1232.

［4］ Huang Z，Zhang G.Biomimetic synthesis of aragonite nanorod aggregates with unusual morphologies using a novel template of natural fibrous proteins at ambient condition［J］.CrystalGrowth＆Design，2012，12 （4）：1816－1822.

［5］ Mai Kangsen， Zhang Wenbing， Tan Beiping， He Gen.Effects of dietary zinc on the shell biomineralization in abalone haliotis discus hannai ino ［J］.Journalof ExperimentalMarineBiologyandEcology，2003，283（1）：51－62.

［6］ Heinemann F，Treccani L，Fritz M.Abalone nacre insoluble matrix induces growth of flat and oriented aragonite crystals ［J］.BiochemicalandBiophysicalResearch Communications，2006，344 （1）：45－49.

［7］ Díaz－Dosque M，Aranda P，Darder M，Retuert J，Yazdani－Pedram M，Luis Arias J，Ruiz－Hitzky E.Use of biopolymers as oriented supports for the stabilization of different polymorphs of biomineralized calcium carbonate with complex shape ［J］.JournalofCrystalGrowth，2008，310 （24）：5331－5340.

［8］ Xia Jingfen （夏 静 芬），Qian Guoying （钱 国 英），Chen Liang（陈 亮 ），Li Caiyan （李 彩 燕 ）.Study on the differentiation of pearl and conch powders by FTIR ［J］.ChineseJournalofSpectroscopyLaboratory（光谱实验室），2010，27 （2）：524－527.

［9］ Sun Jinmei（孙晋美），Guo Wanlin （郭万林）.Chemicalmechanical stability of the hierarchical structure of shell nacre［J］.ChinaScience：G（中 国 科 学：G 辑），2009，39（11）：1654－1663.

［10］ Luo Qinfeng （罗琴凤），Qi Lijian （亓利剑），Yin Zuowei（尹作为）.Microstructure of hyriopsis schlegeli shells and its pearls［J］.Gems＆Gemology（宝石和宝石学杂质），2008，10 （2）：17－20.

［11］ Xie Anjian，Shen Yuhua，Li Xiaoyan，Yuan Zongwei，Qiu Lingguang，Zhang Chunyan，Yang Yuanfeng.The role of Mg2＋and Mg2＋／amino acid in controlling polymorph and morphology of calcium carbonate crystal ［J］.Materials ChemistryandPhysics，2007，101 （1）：87－92.

［12］ Qiao Li（乔莉）.Study on the structure and mineralization mechanism of freshwater vaterite pearl ［D］.Beijing：Tsinghua University，2008.

［13］ Watabe N.Crystal growth of calcium carbonate in the invertebrates ［J］.ProgressinCrystalGrowth＆Characterization，1981，4 （1／2）：99－147.

［14］ Long Xinfeng （龙 新 峰 ），Wu Juan （吴 娟 ）.Thermal decomposition kinetics of thermochemical energy storage system Ca（OH）2／CaO ［J］.JournalofSouthUniversityof Technology：NaturalScienceEdition（华南理工大学学报：自然科学版），2014，42 （10）：75－81.