珍珠表层组成及结构的表征方法研究

章　凯，王德海（浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江　杭州　310014）



珍珠表层组成及结构的表征方法研究

章凯，王德海*
（浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江杭州310014）

摘要：扫描电子显微镜（SEM)、傅里叶变换红外光谱技术（FT-IR)等是表征物质组成及结构的常用方法。综述了近十几年来分析珍珠表层组成结构的表征方法，介绍了傅里叶变换红外光谱技术、X射线衍射技术、扫描电子显微镜等多种测试手段在珍珠表层官能团、晶型、形貌等结构分析中的应用，展望了表征方法的研究发展方向。

关键词：珍珠层；表征方法；扫描电子显微镜；傅里叶变换红外光谱技术

0　引言

珍珠表面的珍珠层具有明亮的光泽，使珍珠晶莹剔透，光彩夺目，具有极高的饰用价值。珍珠的这种价值性能与珍珠表层的结构组成密不可分。珍珠层作为生物矿化的产物，是构成珍珠的主要结构，它由无机相的碳酸钙和有机相的蛋白质-多糖组成，是一种天然的有机-无机复合层状材料[1]。珍珠表面的分析表征，对构造新有机-无机复合结构、加工高附加值珍珠具有指导意义。为此，人们通过扫面电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱技术（FT-IR）等表征方法对珍珠表层有机相、无机相等结构组成进行了不同的研究。

本文以珍珠表面为主体，综述近十几年来不同表征测试方法在珍珠表层有机相、无机相等结构分析中应用，展望珍珠层结构组成表征方法的研究发展方向。

1　珍珠表层无机相的表征

1.1傅里叶变换红外光谱（FT-IR）

张刚生[2]等用不锈钢手术刀分别从淡水、海水养殖珍珠样品上刮取适量粉末，置于玛瑙研钵中磨成细粉，并与KBr压片后进行傅里叶变换红外测试。结果表明在1471.1 cm-1，1082.6 cm-1，863.8 cm-1，712.7 cm-1，699.9 cm-1处均出现较明显的吸收峰，分别对应的是CO32-的反对称伸缩振动、对称伸缩振动、面外弯曲振动和面内弯曲振动，符合文石型碳酸钙的特征峰位，说明珍珠层的主要成分为文石型碳酸钙，且淡水养殖珍珠与海水养殖珍珠的无机相红外吸收频率一致。Tan[3]等对同样用红外光谱分析养殖珍珠表面，结果在700 cm-1，713 cm-1，862 cm-1和1083 cm-1也呈现明显吸收峰，与前者的测试结果相近。

傅里叶变换红外光谱从分子水平上展示了珍珠层无机相文石型碳酸钙中CO32-的存在状态，对无机相结构有了一定的认识。但是使用傅里叶变换红外光谱表征珍珠表层结构时，在取样方法上可能存在一定缺陷，用手术刀刮取珍珠得到的是珍珠表面平均后的样品，但珍珠表层不同区域结构可能存在差异，为排除因这一因素对测试结果的影响，可能需要改善珍珠表层的取样方法或使用其他表征方法测试，尽可能地保留珍珠表层的原位信息，为研究珍珠表层不同区域间的结构特点提供新的方法。

1.2X射线衍射分析（XRD）

根据李立平[4]等对海水珍珠的珍珠层以及淡水珍珠的XRD测试结果显示：淡水养殖珍珠主要由文石（斜方晶系）组成，但含有少量的球文石（六方晶系[5]），不论优质珠还是无光珠均不含有方解石。而海水养殖珍珠则不同，主要由文石组成，含少量的方解石（三方晶系）。不同结构的碳酸钙晶体如图1所示。可见，珍珠层的晶体结构主要以斜方晶系的文石为主，但珍珠种类不同，结构略有差异。

根据X射线衍射分析，揭示了珍珠层无机相的空间排列情况。通过珍珠层无机相所处的不同晶体结构类型，可以区分珍珠的养殖环境。但单一的X射线衍射表征方法并不能分析珍珠层微区的化学成分、元素离子的存在状态和结构的不均匀性等信息[6]，要想系统认识珍珠表面无机相结构，往往需要结合傅里叶变换红外光谱、显微镜等其他表征手段协同分析。

图1　方解石、文石和球文石晶体结构示意图:（a）方解石的六边形晶胞;（b）文石晶胞;（c）球文石亚晶胞[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　珍珠表层有机相的表征

2.1傅里叶变换红外光谱（FT-IR）

宋慧春[8-9]等用酸法提取淡水无核珍珠表层中的壳角蛋白，具体操作为：将经过用砂轮剥离后[10]保留的珍珠层，放在体积分数为5%的醋酸溶液中浸泡至无机成分完全溶解，之后将剩余的固体薄层状物质用蒸馏水清洗至中性，再继续用甲醇、乙醚浸泡去脂，最后用蒸馏水反复冲洗干净后真空冷冻干燥，得到珍珠层的壳角蛋白。分析其红外表征结果，在3290 cm-1处有较强吸收峰，1620 cm-1和1510 cm-1为一对强双峰，符合典型的蛋白质红外吸收特征峰，3290 cm-1为C=O羰基的伸缩振动，1620 cm-1应是酰胺I带的伸缩振动，1510 cm-1为酰胺II的弯曲振动。还有分析表示[11]壳角蛋白在1450 cm-1和820 cm-1都有不同强度的峰值，以1450 cm-1为最大，说明珍珠（层）中除含有酰胺链外，还存在芳香基团。

珍珠中有机相的含量较低，在红外测试中需要对固体试样进行一定前处理（通常为KBr压片），不能对被测试样进行原位分析，一定程度上会损伤部分表面信息。而且用上述方法提取的是粗制壳角蛋白，经测定约含20%非蛋白质成分，这些都会对红外测试结果产生干扰。

2.2拉曼光谱（Raman）

拉曼光谱是化学、生物学、材料学及宝石学等领域的重要研究手段之一，是一种独特的原位研究的工具，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。

张刚生[12]对海水、淡水养殖珍珠的珍珠层的激光拉曼光谱研究显示，在1526 cm-1和1134 cm-1观察到明显的拉曼峰，根据谱带及组合特征，认为这两个峰的出现是由类胡萝卜素引起的，且在淡水和海水珍珠中这两个峰的特征相同，表明两类珍珠层中可能含有相同种类的的类胡萝卜素。郝玉兰[13]、秦作璐[14]等对浙江诸暨山下湖淡水养殖珍珠进行研究，结果探测到存在C—C伸缩振动引起的1121 cm-1、1134 cm-1及C= C伸缩振动引起的1503 cm-1、1526 cm-1某有机物的拉曼峰，推测此有机物为聚乙炔类物质，不同于之前的研究者所认为的类胡萝卜素[15]。但这些分子结构的存在，宏观上都会对珍珠的颜色产生影响。

3　珍珠表层有机-无机复合作用的表征

陶靖[16]等将三角帆蚌生长珍珠层粉末样品进行KBr压片后测试，分析经过160℃热处理前后红外图谱，发现热处理前后C—O反对称伸缩振动从1471 cm-1变为1474 cm-1，O—C—O面外弯曲振动也有2 cm-1的位移，从红外吸收峰的峰形、峰位的明显变化说明有机质对无机晶体具有配位作用，并对红外光谱进行曲线拟合，从分子光谱学的角度拟合得到了有机—无机物质在1149 cm-1处存在相互作用的谱带。

4　珍珠表面微观形貌的表征

4.1扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜（SEM）作为现代测试技术的一种重要研究手段，已被广泛用于珍珠表面形貌的观察。

在扫描电子显微镜下观察，淡水养殖珍珠表面的文石砖墙结构与层间有机物质形成连续、重叠的结构，类似明显的波纹结构[17-18]。李耿[19-20]等观察浙江诸暨的淡水养殖珍珠表层微结构也得出相同结论，同时认为该品种珍珠光泽的强弱可能与表面文石板块和有机质边界的凹凸程度有关；一定程度上还受板块形状和排列的影响。孔蓓[21]等对产自广西的不同光泽、明暗度的海水养殖珍珠样品进行观察，发现表面亦呈现层状或阶梯状排列的纹理结构（如图2），且珍珠文石结晶度越高、结构排列越规则紧密或壳角蛋白膜变薄，都会形成光亮的珍珠表面，反之则光泽较弱，同时这三种因素对珍珠的透明度、体色及伴色也产生一定影响，这一结论与前面提到的淡水养殖珍珠相似。张恩[22]等进一步放大观察广西海水养殖珍珠表面形貌，发现珍珠表面的文石板片形状不一，多边形、六边形、浑圆型等不规则分布（如图3）；有机质清晰分布在板块间隙，使板块之间边界清晰。且珍珠质层是由有机质胶结的文石微晶组成的片状晶层与有机质层交替平行叠置构成。认为珍珠层的多层次精细微结构与有机质的参与有关。

对类似珍珠等非导电样品，运用扫描电子显微镜分析测试前，需要对样品镀导电膜（通常作喷金处理）或其它准备工作，一定程度上会损害样品的精细结构。因此需要寻求其他表征方法测试珍珠表面的原位信息。

4.2环境扫描电子显微镜（ESEM）

环境扫描电子显微镜（ESEM）的基本工作原理与传统扫描电子显微镜相同，与SEM相较，ESEM更多的应用于生物材料，可以满足不导电样品的测试需求。几乎所有的试样都可用环境扫描电子显微镜进行观测。因此在对珍珠的表面研究中，运用ESEM能保留珍珠表面的原位信息，观察表面形貌时不需经过喷金处理。

刘衔宇[23]等以湖北鄂州的淡水养殖珍珠为研究对象，利用环境扫描电子显微镜（ESEM）对不同形状的镂空珍珠样品进行表面观察。与海水养殖珍珠表层微结构相比，淡水养殖珍珠的表层文石板片同样呈阶梯多层状有序排列（如图4），其表面光洁度受文石板块的排列规整度、紧密度以及文石板块边缘和文石层堆砌均匀程度的重要影响。

4.3原子力显微镜（AFM）

原子力显微镜（AFM）作为新型表面结构分析仪器，通过探针与被测样品之间微弱的原子力，可研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构，获得三维表面形貌信息。

张妮[24-25]等表征研究浙江雷甸的淡水养殖珍珠，观察结果显示：随着珍珠质量由高到底的变化，珍珠文石微层厚度、文石板块形状、排列的规整度及文石微层、板块的致密度的变化与之呈正相关关系。珍珠表面伴色可能与珍珠表层结构有关，带伴色珍珠表面文石板块呈正突起，无伴色珍珠表面则呈负突起。同时，在纳米级范围内观察到珍珠表面具有六方最紧密堆积的文石球粒。他们归纳文石球粒的这种六方最紧密堆积结构的形成与矿物相转变有关，在有机质影响下，碳酸钙球粒从立方结构的方解石相向着更致密且更有利于堆积的六方文石最紧密堆积。

图2　海水养殖珍珠阶梯状文石结晶层[21]Fig. 2 a step-type crystal layer of aragonite of the seawater cultured pearl[21]

图3　海水养殖珍珠多边形、圆形等文石板块及其之间的有机质[22]Fig. 3 the polygon、circular lamella of aragonite and the interbedded organic matter of the seawater cultured pearl[22]

图4　淡水珍珠样品表面光泽较强部位的表面微形貌[23]Fig. 4 the surface topography of strong luster parts in the surface of the freshwater pearl sample[23]

黄艺兰[26]等用原子力显微镜观测海南三亚企鹅贝附壳珍珠（海水养殖珍珠）表层的微形貌，表征结果说明：在纳米尺度上文石晶体呈现螺旋堆砌的结构（如图6），这种螺旋结构的准稳定状态表现为表层形成发育较完整的同心圆状结构（如图5）。

图5　附壳珍珠珍珠层同心圆结构AFM三维图像[27]Fig. 5 an AFM three-dimensional image of the concentric circles structure of the nacre of blister pearl[27]

图6　附壳珍珠珍珠层螺旋结构AFM三维图像[27]Fig. 6 an AFM three-dimensional image of the helical structure of the nacre of blister pearl[27]

原子力显微镜从二维或三维方向来表征珍珠表面层与层之间的微观形貌，可以从文石片层的形状、排列等方面解释不同珍珠表层光泽和光洁度的差异，但这种表征方法成像范围太小，速度慢，受探头的影响较大。

5　结语

关于珍珠表层结构的研究，人们从分子水平到微观形貌，通过不同的表征方法已有较详细的了解。但上述表征方法在仪器设备或取样及制样过程存在一定缺陷；其次有关珍珠表层有机质与文石层的复合作用的表征方法研究的报道较少，因此未来的研究方向是更多地使用准确的表征方法，如拉曼光谱、环境扫描电子显微镜等表征方法，对珍珠表层进行原位表征，保留珍珠表层原始信息，以便获得更直接的珍珠表层结构特征；珍珠层作为生物矿化的产物，深入分析有机质与文石层的复合作用，可以对构造新的有机-无机复合材料、仿生矿化和加工高质量珍珠提供指导价值，因此未来对有机-无机复合结构的表征仍值得进一步研究。

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分析测试

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)

作者简介：章凯（1989-)，女，浙江杭州人，硕士研究生，研究方向：精细高分子。E-mail:karen_ZK@163.com。

文章编号：1006-4184（2016）3-0044-05

修回日期：2015-10-14