（化学工艺专业论文）双壳纲贝壳韧带和珍珠层的结构色及微结构研究.pdf

双壳纲贝壳韧带和珍珠层的结构色及微结构研究 摘要 本文利用反射光谱、扫描电镜及理论模拟计算等研究手段对淡水贝三 角帆蚌，海水贝大珠母贝、合浦珠母贝、企鹅珍珠贝及黑嘴贝珍珠层和三 角帆蚌及文蛤( 海水贝) 韧带( 指韧带内层) 的结构色及微结构进行了较 为系统的研究；另外，以光芒豆蛏为主要研究对象，首次对韧带外层的结 构色及微结构进行了初步研究。 本文所得主要结论如下： ( 1 ) 首次发现贝壳珍珠层纵向文石板片厚度在不同部位存在明显差异， 并根据s e m 观察结果初步建立了两种新的珍珠层结构模型，分别为连续可变 厚度模型和随机可变厚度模型。 ( 2 ) 利用反射光谱首次在珍珠层中探测到多级反射峰，并确认珍珠层 的结构色是由按周期性定向交错排列的文石板片和蛋白质层构成的多层反 射器结构及珍珠层中的色素共同作用决定的；另外，各样品珍珠层文石板 片厚度从生长端到壳中区显著减小( 海水贝) 或增大( 淡水贝) ，导致同级 别反射峰波长呈现明显的蓝移或红移现象。 ( 3 ) 各样品韧带从湿润到干燥状态，其反射峰中心波长均呈现明显的 蓝移现象，且反射峰强度逐渐下降；确认韧带的结构色是由按周期性定向 排列的文石纤维和蛋白质构成的二维光子结构引起的，水对该光子结构的 带隙范围及反射峰强度具有明显的调节作用，可见贝壳韧带具有湿敏性二 维可调光子结构特征，属于一种天然湿敏性二维可调光子带隙材料。 ( 4 ) 首次发现韧带外层由丝状蛋白质纤维紧密堆积而成，并根据其微 结构组成特征初步建立了由文石纤维层、蛋白质纤维层及叠片层组成的完 整的韧带微结构模型；其中蛋白质纤维层在湿润状态下可呈现明显的结构 色，但在干燥状态下由于只具有一种光密介质而无法呈现结构色；水对韧 带外层结构色具有决定性调节作用，该调节作用主要通过动态调节蛋白质 纤维中心间距和平均折射指数间的相互作用关系来实现，可知由蛋白质纤 维组成的韧带外层属于一种高湿敏性二维可调生物光子带隙材料。 关键词：贝壳韧带二维可调光子结构湿敏性珍珠层多层反射器 色素结构色 n s t r u c t u ra i c o l o ra n d c r o s t r u c 瓜eo fb r v r a iv e l i g a n ta n dn a c r e a bs t r a c t t h es t r u c t u r a lc o l o ra n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h eb i v a l v en a c r eo ff r e s h w a t e r s h e l lh y f i o p s i sc u n i m g i i ，s e a w a t e rs h e l lp i n c t a d am a x i m a , p i n c t a d am a r t e n s i i d u n k e r , p t e r i ap e n g u i n ，p i n c t a d am a r g a r i t i f e r aa n dt h eb i v a l v el i g a m e n t s ( i n n e r l a y e ro fl i g a m e n t ) o fh y r i o p s i sc u n i m g i i ，m e r e t r i xl i n n a e u s ( s e a w a t e rs h e l l ) w e r e i n v e s t i g a t e db yr e f l e c t i o ns p e c t r a ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n d t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n ；t h es t r u c t u r a lc o l o ra n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h eo u t e rl a y e r o fb i v a l v el i g a m e n t sw e r ei n v e s t i g a t e df i r s t l yu s i n gs i l i q u ar a d i a t aa sm a i n r e s e a r c ho b je c t t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d ： ( 1 ) w ef i r s t l yf i n dt h a tt h et h i c k n e s so fa r a g o n i t et a b l e t sa r eo b v i o u s l yd i f f - e r e n td u r i n gt h ec r o s sd i r e c t i o n ，t w on e wt y p es t r u c t u r a lm o d e l so fn a c r ew i t h c o n t i n u o u sv a r i a b l et h i c k n e s sa n dr a n d o mv a r i a b l et h i c k n e s sa r ee s t a b l i s h e db y t h er e s u l t so fs e m i n v e s t i g a t i o n ( 2 ) t h em u l t i - o r d e rr e f l e c t i o np e a ka r ef i r s t l yd e t e c t e db yu s i n gr e f l e c t i o n s p e c t r a ，a n dw ec o n c l u d et h a tt h es t r u c t u r a lc o l o ro fn a c r ei nb i v a l v es h e l l sa r e d e r i v e df r o mt h ec o m b i n a t i o ne f f e c t so fa r a g o n i t e p r o t e i nm u l t i l a y e rr e f l e c t o r s t r u c t u r ea n dp i g m e n t si nn a c r e ；i na d d i t i o n ，t h et h i c k n e s so fa r a g o n i t et a b l e t s i i i d e c r e a s e d ( s e a w a t e rs h e l l ) o ri n c r e a s e d ( f r e s h w a t e rs h e l l ) s i g n i f i c a n t l yf r o m g r o w i n gt o c e n t r a lr e g i o no fn a c r e ，w h i c hl e a d st ob l u e s h i f to rr e d s h i f to f r e f l e c t i o np e a kw a v e l e n g t hw i t hs a m er e f l e c t i o no r d e ro b v i o u s l y ( 3 ) t h er e f l e c t i o np e a kw a v e l e n g t ho fa l l k i n d so fl i g a m e n t sp r e s e n t b l u e s h i f t so b v i o u s l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fa i rd r y i n gt i m e ，a n dt h er e f l e c t i v i t y d e c r e a s e sg r a d u a l l y ；t h es t r u c t u r a lc o l o ri nt h el i g a m e n t sa r ep r o d u c e db ya2 一d p h o t o n i cs t r u c t u r ec o n s i s t i n go fa l i g n e da r a g o n i t ef i b e r sa n dp r o t e i n s ，w a t e rc a n r e v e r s i b l yt u n et h er e f l e c t i v i t yo fr e f l e c t i o np e a ka n dt h es c o p eo fp h o t o n i cb a n d g a p ( p b g ) ，r e v e a l i n gt h a tt h el i g a m e n t sa r ec h a r a c t e r i s t i co fh u m i d i t ys e n s i t i v e 2 - dt u n a b l ep b gs t r u c t u r e ，w et h e r e f o r ec o n c l u d et h a tt h el i g a m e n t sb e l o n gt oa n a t u r a lh u m i d i t ys e n s i t i v e2 - dt u n a b l ep b gm a t e r i a l ( 4 ) w ef i r s t l yf i n dt h a tt h eo u t e rl a y e ro fl i g a m e n t sa r ec l o s es t a c k e dw i t h p r o t e i nf i b e r s ，a n dt h ew h o l es t r u c t u r a lm o d e lo fl i g a m e n t sw h i c hc o m p o s e do f a r a g o n i t ef i b e ri a y e lp r o t e i nf i b e rl a y e ra n dl a m e l l a rl a y e ra r ee s t a b l i s h e db a s e o nt h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r s ；t h ep r o t e i nf i b e rl a y e rc a np r e s e n ts t r u c t u r a l c o l o ro b v i o u s l yo nt h ew e ts t a t e ，b u ti tc a n tp r e s e n ts t r u c t u r a lc o l o ro nt h ed r y s t a t eb e c a u s ei th a so n l yas o r to fm e d i u mo nt h i ss t a t e ；w a t e rc a nr e v e r s i b l y t u n et h es t r u c t u r a lc o l o ro ft h eo u t e rl a y e ro fl i g a m e n t s ，w h i c hi sd e r i v e df r o m d y n a m i ct u n i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n t e r - f i b e rs p a c i n ga n dt h ea v e r a g e r e f r a c t i o ni n d e x ，r e v e a l i n gt h a tt h eo u t e rl a y e ro fl i g a m e n t sb e l o n gt oah i g h e r h u m i d i t ys e n s i t i v e2 一dt u n a b l eb i o l o g i c a lp b g m a t e r i a l k e yw o r d s ：b i v a l v el i g a m e n t ；2 一dt u n a b l ep h o t o n i cs t r u c t u r e ；h u m i d i t y i v s e n s i t i v e ；n a c r e ；m u l t i l a y e rr e f l e c t o r ；p i g m e n t ；s t r u c t u r a l c o l o r v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广茜大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：致修细沙7 年乡月哆日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时问： 函口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：墨砭伊勿婚导师签名 矿以日 第一章前言 贝壳在软体动物中普遍存在，对动物体主要起保护性屏障作用，具有独特的组成和 微结构。贝壳中的珍珠层尤其引人关注，由于其具有独特的纳米组成结构，在材料学界 被视为是种优异的天然纳米复合材料【l 】。贝壳珍珠层不但具有和无机文石材料相类似 的硬度和强度，而且具有比无机文石材料高达三个数量级以上的韧性口】。同时，许多贝 壳昕表现出来的鲜艳彩虹色光泽已经引起材料学界的浓厚兴趣。探讨贝壳的组成结构及 彩虹色成凼，尤其是近年来在贝壳及贝壳韧带中所发现的一维和二维光子结构口，为 材料学界仿生合成高性能生物矿物材料、有机一无机复合纳米材料以及某些具有优良力 学性能的光子晶体材料提供了科学依据和绝佳的理论模板。可以预见贝壳优良的材料力 学性能和光学性能，在材料仿生合成领域必将得到广泛的应用。 11 自然界中的生物光子结构 光子晶体材料又称光子带隙材料，日p p b g 材料。由两种或两种以上折射指数不同的 材料按一定的方式排列成周期性或准周期性结构，具有特定波长范围的光子带隙。当白 光射入光子晶体材料，波长落入该光子带隙的光将被完全反射而呈现相应的结构色，而 其它波长的光可以在材料中沿特定方向自由传播。光子晶体具有三种结构类型( 图1 1 ) ， 分别为维光子晶体( 1 一dp h o t o n i cc r y s t a l ) 、二维光子晶体( 2 一d p h o l o n i ec r y s t a l ) 及三维 光了晶体( 3 - d p h o l o n i cc r y s t a l ) 。光子晶体材料在光导纤维口】、高选择性蒸汽感应器州等 高新技术领域具有重要应用。光子结构在生物体中j 泛存在，如海老鼠刚毛 、蝴蝶翅 膀峨孔雀小羽枝1 9 圾贝壳韧带中的一维光子结构，象鼻虫鳞片中类似蛋白石型的 三维光子结构。对生物体中光了结构的系统研究为仿生合成高性能光子器件提供了新的 思路和摸板。 2d 囝1 - 1 光子晶体鲒构模型 f i g1 - 1s t r u c t u r a lm o d e l so f 廿h o t o n l cc r y s t a l 取壳蜩贝壳韧带和珍蒜辱的站均色a 散培拘研兜 i2 自然界中的多层反射器结构 多层反射器结构与多层薄膜结构及一维光子晶体结构类似，均由两种折射指数不同 的材料按周期性结构定向交错粘叠而成。该种结构能和入射光发生干涉作用，使某些波 长范围的光无法在其中传播，因而具有特定波长范围的光子带隙，波长落入该光于带隙 的入射光将被完全反射而呈现相应的结构色。多层反射器结构在生物体中也广泛存在， 如甲虫翅鞘州】、蝴蝶翅膀、蜘蛛【l q 、飞蛾翅膀1 1 及企鹅嘴中的窄带型多层反射 器结构( n a r r o w - b a n d m u l t i l a y e rr e f l e c t o r ) ( 图1 2 a ) ，鬼甲虫【1 9 删中的连续可变厚度型宽带 多层反射器结构( c h i l _ p e db r o a d b a n dm u l t i l a y c rr e f l e c t o r ) ( 图1 2 b ) 金色蝴蝶及银鱼口2 。 2 3 1 中的随机可变厚度型宽带多层反射器结构( c h a o t i cb r o a d b a n dm u l t i l a y o rr e f l e c t o r ) ( 圈 1 2 c ) 。 = _ 一= 一 一 一 = = 一 图i 2 自然界中的多层反射器结构 f i g1 - 2 t h r e e w a y so f m u l t i l a y e rr e f l e c t o r s i nn a m l3 贝壳珍珠层结构色研究现状 13 i 贝壳的组成及微结构 贝壳的形态结构多样，但贝壳的化学组成主要包括无机物碳酸钙晶体、有机基质和 少量水份。其中碳酸钙晶体占壳重的9 4 ，有机基质占5 ，其余少量为水份。贝壳的结 构组成形式较多，其中双壳纲贝壳典型结构组成由内听外主要包括三层：分别为珍珠层 ( p l 壳内层) ，一般由文右型碳酸钙晶体小板片及有机基质组成；棱柱层( 贝壳中间层) ， 一般由方解石型碳酸钙晶体组成：角质层( 贝壳外层) ，由硬化壳角蛋白组成。由于叭 壳结构层中珍珠层的研究价值最高，同前学术界对于珍珠层的研究最为详细。 儿壳珍珠层足在人分子有机质的调控下，碳酸钙文石晶体有序沉积而成的多重微层 结构。文右板片是构成珍珠层的基本结构单元，可呈假六边形、浑圆形和不规则多边形 2 三军 凰 龋贝壳忉带和珍嘻的培相色覆徽站枸研究 等多种形态，其宽度一般为2 - 2 0u m ，厚约03 加7p , m 。文石板片的横向生长使邻近晶体 相互聚合形成微层，微层间以厚3 0 m 的有机基质连接构成珍珠层口”。研究表明珍珠层 中有机基质在文石晶体核化、定向、生长和空间形态等方面起到了很好的调控作用口”， 这为我们利用有机大分子物质来调控生物仿生材料的合成具有重要的指导意义。 贝壳珍珠层中文石板片的堆砌方式主要有砌砖型( b r i c k - w a l ls t r a e t u r e ) 和堆垛型 ( c o l u m n a r - s t a c ks t r u c t u r e ) 两种( 如图1 - 3 所示) 。 砌砖型结构主要存在于双壳类软体动物贝壳中，其生长面呈现叠瓦片状形貌，微 层以类似阶梯状的方式重叠，新生碳酸钙文石晶体沉积在步阶的边缘通过横向生长延 伸与微层聚合。在纵剖面上，文石板片的轴心呈无规则排列状态。 堆垛型结构主要存在于腹足类中，在生长边缘处呈现均匀排列的堆垛状结构，新 生文石晶体沉积在堆垛的顶端，然后横向生长。由于不同微层的晶体在横向上的生长速 度近似相等使得堆垛保持了锥型形貌。各横向生长的晶体最终相互接触，形成了珍珠 层的微层， 窿蝥蹙塾 a 砌砖型b 堆垛型 图1 0 贝壳珍珠层结构示意图 ” f i g1 - 3s c h a t i cr e p u t a t i o no f t y p e s o f s t i l l c h l r e 3 2 贝壳的彩虹色成因 a 经抛光后黑嘴贝的彩虹色o ib 经抛先后鲍贝的彩虹色0 1 图1 4 贝壳的彩虹色光泽 f i gi - 4 t h e i r i d e s c e n tc o l o r o f s h e l l s 自然界中的贝壳许多都带有鲜艳的颜色，其中包括化学色和结构色，化学色是由于 贝壳中所含的某些色素或显色离子吸收某些单色光后所表现出来的补色。贝壳的结构色 主要表现为鲜艳的彩虹色光泽( 刚1 _ 4 ) ，由_ | ：l j 壳特殊的微结构与入射光的相互作用而 产生。甘前学术界有关贝壳彩虹色光泽的成囚观点主要包括薄膜干涉、光栅衍射、薄膜 十涉和光栅衍射这两种效应的综合作用。r a y l e i g h t ”堤较早研究贝壳彩虹色成凼的学者， 1 墨竟阚贝亮韧带和珍卑善的蚺掉色丑性精相研究 他认为是微结构引起珍珠母贝的彩虹色，但没有给出具体的呈色机理。到目前，据作者 所知学术界有关贝壳彩虹色成因的研究主要有如下几种理论观点。 薄膜干涉( t h i n - m m i n t e r f e r e n c e ) 薄膜干涉是自然界生物体中广泛存在的最简单的 结构色成因。当入射光射入薄膜，分别反射自薄膜两表面的反射光相互干涉而产生结构 色。b r i n k 等”通过s e m , 观察到距离贝壳透明表层5 0 岫以f 具有由文石板片多重堆叠而 成的并与外表面成2 4 。倾斜角的薄膜状微结构( 图1 5 ) ，认为浚结构能引起对光的干涉作 用，由此产生彩虹色光泽。 辩；妄鹫 鬻蒸漱 囤卜5 h e l e i o n 舯i i l o g 岫贝壳的薄膜状微结构s e m 囤“” f i gi - 5 t h e t h i n f i l m m i e r o s a a a c t u r e o f h e l e i o n p m l n o s t us h e l l 光栅衍射( g r a t i n gd i f f r a c t o i n ) 衍射光栅结构包括纹道光栅结构和布拉格层状衍射 光栅结构两种。对于纹道光栅结构，其呈色机理为当入射光与周期性表面结构( 一系列平 行纹道结构) 相作用，它们可以使光的传播或反射方向发生偏离从而产生光栅衍射， 使不同波长的光衍射至不同方向而产生不同级数的衍射色。对于布拉格层状衍射光栅结 构其反射机理与多层反射结构相类似唧】，八射光在由两种折射指数不同的薄层交互堆 叠而成的多层结构中反射，由此产生结构色。k e n n e t h 等口”通过对贝壳化石研究后指出 其珍珠层光泽由方解石组成的光学衍射光栅结构引起的光栅衍射作用所致。r a i n a n 口” 通过实验和理论拟合均证实贝壳的特征彩虹色由贝壳表面周期性结构引起的层状衍射 所致，同时指出贝壳彩虹色主要由下列三个因素决定：( 1 ) 文石板片相对于外表面的倾 斜度，( 2 ) 板片的颗粒状结构，( 3 ) 板片材料的厚度。s n o w t ”1 从贝壳微结构角度系统研 究了鲍鱼壳的彩虹色成因，指出其彩虹色是由贝壳珍珠层文石板片所引起的布拉格层状 衍射所致。同时还指出只有具有规则厚度的珍珠层才能够产生层状衍射所致的彩虹色， 珍珠层中的黑色有机层对入射光的吸收和散射作用可强化彩虹色光泽。yl i u t ”l 利用 s e m 及氩离子激光衍射系统研究了黑嘴贝的呈色机理，其微结构如图1 6 所示，发现贝 壳外表面具有典型的纹道光栅结构，内表面具有层状发射光栅结构，衍射实验证实这些 结构能产生结构色，并且没有发现光的干涉现象的存在。同时认为不同的纹道密度和表 面品质会影响彩虹色光泽的强度，拥有较高纹道密度及表面较光滑的贝壳可以产生很强 的彩虹色光泽。 敏 期贝壳柳帚和珍珠犀的培构色a 散培相研究 一 a 外表面中的平行纹道结构b 内表面中的反射光栅结构 田1 石黑嘴贝的内外表面微结构【”i f 1 91 - 6 t h e i n t 锄a l 衄de x t e m a l s 咖c t u 佗o f m o l l t t s k p i n e t a d a m 8 蜷a n b 日( at h e p a r a l l e lg r o o v e s t r u c t u r e o n t h ee x t e r n a ls u r f a c e b ：t h er e f l e c t i o ng r a t i n gs t f a l c l 吐- e o l t t h e i n t e r n a ls u r f a c e ) 光栅衍射和薄膜干涉共同作用( b o t hg r a t i n gd i f f r a c t o i na n dt h i n f i l mi n t e r f e r e n c e ) a l e x a n d e r 等p 4 以为贝壳彩虹色是由层状珍珠层所致的薄层干涉及由纹道结构所致的光 栅衍射两种作用共同引起的。李立平等口8 也认为光栅衍射和薄层干涉的共同作用是鲍鱼 壳产生晕彩的成因。tl 1 h 等口”利用s e m 及h e - n e 激光衍射系统研究了皱纹茯苓贝的彩 虹色成冈，其微结构如罔1 7 所示。指出贝壳表面的典型周期性纹道结构可以产生光栅 衍射作用，表面内部多层堆叠的很薄的珍珠层板片结构可以产生薄膜干涉作用，这两种成 因共同作用而产生彩虹色，但光栅衍射是主要成因。 a 外表面的纹道结构b 鲰断面的层状微结构 图1 7 皱纹茯苓贝的s e m 困8 “ f i gl 一7s e mi m a g e so f m o l l u s kh a l i o t i sg l a b mr a ：t h eg r o o v es h a l c t u r eo nt h es h e l ls u r f a c e b ：t h ec r o s s s e c t i o no f t h es h e l is h o w i n ga l a y e r e di m c r o s t r u c t u r e 、 综上所述，可见前人对于贝壳珍珠层结构色的研究还存在如下问题：( 1 ) 只是对黑 嘴贝、企鹅贝、大珠母贝及鲍鱼壳等少数海水贝珍珠层结构色进行研究，还未见对淡水 贝珍珠层结构色进行研究的文献报道，可见具有明显的局限性。( 2 ) 对于珍珠层结构色 的确定大都基于肉眼观察，对其进行发射光曙测定的文献极少口】。( 3 ) 大多数研究文献 只是对珍珠层的局部位置进行研究，而末对珍珠层进行系统全面的研究。 双施胡秃韧带和珍肆j s 的培构色a 徽培构研究 4 贝壳韧带的研究现状 l41 贝壳韧带的组成及微结构 贝壳韧带一般存在于双壳类贝壳中，处在近壳顶位置，连接两壳瓣，具有弹性铰链 的功能，可以看作是一种弹性生物矿物功能材料，其功能主要是协同闭壳肌完成贝壳的 开闭动作p q 。当贝壳闭壳肌收缩使贝壳闭合时，在弹性铰链韧带中会聚集弹性能量，当 贝壳要张开时，弹性铰链韧带会释放出其中的能量使贝壳张开。 目前，已有的有关贝壳韧带的研究文献主要是关于其微结构组成及力学性能，有关 其结构色的文献报道还很少。f - 正i t h 等p ”首次确认斧足动物韧带部分由文石纤维组成， 其叶 的碳是和贝壳壳瓣中的碳不同的同位素。b e v e l a n g e r 等口”用电子显微技术研究了可 食性贻贝和射肋珠母贝的韧带微结构组成，指出：1 在韧带中广泛分布有如针形的长的 单一晶体( 图l 一8 a ) ，x r d 分析表明为文石，文石纤维垂直表面，并包埋在有机质角蛋 白内，在尺寸和排列上都报规则，彼此间有相当的问距。2 文石晶体起始端直径为2 0r t m ， 终端直径为1 0 0n m ，文石纤维重量占韧带总重量的4 0 ，文石晶体在纵断面上表现为针 状( 图1 - 8 a ) ，在横断面上表现为六边形状( 图1 8 b ) 。 墼黧 a 纵断面b 横断面 固1 - 8 射肋珠母m 韧带中的文石晶体( c r 一文；晶体，m 一蛋白质基质) p ” f i g1 - 8 a r a g o n i t ee r y s 阻l s ( c r ) o f t h e l i g a m e n t i np i n e m d ar a d i a t a ( m p r o t e i n m a m x ) k a h l e r 等p ”对蛤蜊壳铰链韧带进行研究后指出其文石晶体c 轴定向1 垂直生长层方 向致，a 、b 轴为随意定向。m a r s h 等 4 。埘大西洋浪蛤和硬壳蛤韧带进行了研究，用木 瓜蛋白酶水解蛋白质基质从卜述韧带中分离得到了带鞘的文石晶体，指出双壳纲软体动 物贝壳铰链韧带中的文石晶体被有机鞘包围，这与平常的有机基质不同。m a n o 等h ”用 扫描电镜对硬壳蛤和焦黄壳菜蛤韧带进行了研究，指出：1 韧带内层分为主部和基部， 它们都由含量相对较多的有机质和包含其中的文石晶体组成。2 所研究样品中主部的结 构相似，且直径均一的针形文石晶体的定向与韧带内层表面垂直，不同样品文石晶体的 直径都在1 0 0 - - 2 0 ( in m 之间。而所研究样品中基部的结构不同，且文石晶体的尺寸也有较 大差异，并形成集合体。3 主部的结构与韧带功能相适应，含量相对较高的有机质使韧 带具有弹性以适应丌闭双壳瓣的需要。f 叫时，文石晶体的存在为韧带提供结构支持，因 为当取壳瓣闭合时，韧带内层会承受较大压力，并认为文石晶体的定向与内层表面垂直 可能与压力分布有一定关系。m a r s h 等【4 ”认为取壳纲贝壳韧带由蛋白质基质和填埋于基 wthx鼍 f杂嘈自j凑|喁n蟾裕臻誊 最最龋贝壳轫秆和珍葺鏖的堵抬色a 栽培构研究 质中的针形文石晶体组成，首次确认这些文石晶体为双晶这监双晶通过晶体中心形成 律层。m a r s h 等1 4 3 1 认为扇贝韧带有一很大的非钙化的中心核，被薄的钙化层包围，钙化 层中碳酸钙晶体呈棱柱状排列，单晶被亲锇性晶体鞘包围，并认为晶体鞘与矿物帽成核 及其定向有重要关系。s a v a z z j 1 对侏罗纪岩鸨蛤韧带进行了研究，指出：1 岩鸨蛤韧带 由小溶于稀盐酸的平行纤维组成，经抛光后表面显咖啡色，韧带对光的反射率可能与它 的纤维性特征有关。2 岩鸨蛤韧带的化学组成包括碳酸钙和有机质，有机质可能是韧带 显咖啡色及不溶于稀盐酸的原因。3 岩鸨蛤韧带中纤维的定向是变化的，并按不同方向 弯曲以连接两壳瓣。张刚生等h 目采用s e m 及x r d 对合浦珠母贝韧带的组成和微结构进行 r 研究，首次发现了韧带中文石并不是前人认为的只有一种定向，而是具两种定向，并 首次将这种在舍浦珠母贝韧带中发现的新的结构类型称为“交叉棱柱层”结构( 图1 9 ) 围1 - 9 韧带中文 纤堆的定向模型( a 根据前人结果得出，b 新模型( 交又棱柱层) ) ” f i g 1 9s i m p l i f i e dm i c r o s t r u c t u r em o d e l so fa r a g o n i t ef i h e ro r i e n t a t i o ni nb i v a l v e l i g a m e n tf a - s u g g e s t e db yp r e v i o u sr e s e a r c h e r s ；b - b yz h a n gg a n g s h e n g ) l4 2 贝壳韧带的结构色 张刚生等m 应用光学显微镜及高分辨场发射扫描电镜对双壳纲贝壳韧带进行研究， 首次发现几乎所有的双壳纲韧带皆具有结构色，并首次对双壳纲贝壳韧带的结构色进行 了初步研究，指出韧带的结构色可能是由纳米级文石纤维及蛋白质纤维定向排列而成的 光栅衍射引起的。张刚生”荆用高分辨场发射扫描电镜、光纤光谱仪及理论模拟技术对 大珠母贝韧带的结构色及其成因进行了较为系统的研究，首次确认贝壳韧带具有二维光 子晶体结构特征，指出大珠母贝韧带的结构色是由韧带中定向排列的文石纤维和蛋白质 构成的二维光了晶体型结构引起的。 对于贝壳韧带结构色的研究目前还处于初级阶段，还有许多值得研究和探讨的问 题。且目前现有的少量研究文献大都基于海水贝韧带，对淡水贝韧带结构色特征及其成 囚研究还未见报道。 5 本文的研究目的和研究内容 奉立以大珠母贝、台浦珠母贝、企鹅儿、黑嘴贝等海水贝及淡水贝二角帆蚌为研究 对敦，对贝壳珍珠层的结构色及反射光谱特征及其成因进行研究。另外，以三角帆蚌和 文蛤韧带为研究对象，对其在不同状态下的结构色及反射光谱特征进行测定，并通过微 广西大学硕士掌位论文 双壳纲贝壳韧舜p 和珍珠层的结构色及微结构研究 结构观察，从生物光子学角度对其成因进行研究。主要研究内容有： ( 1 ) 珍珠层及韧带的结构色特征：利用数码相机及体视显微镜对珍珠层及韧带在不 同状态下的结构色进行观察，以期对各实验样品的结构色特征有一全面的了解。 ( 2 ) 珍珠层及韧带的微结构研究：采用扫描电镜对珍珠层不同部位折断面微结构和 韧带的纵断面和垂直纤维断面微结构进行研究，以期了解珍珠层及韧带的微结构特征， 为解释珍珠层及韧带的结构色成因提供依据。 ( 3 ) 珍珠层及韧带的反射光谱研究：采用微型光纤光谱仪对珍珠层不同区域的反射 光谱变化特征进行研究，对韧带从完全湿润到干燥的整个变化过程进行实时反射光谱测 定，以期对珍珠层及韧带的反射光谱特征有一全面的了解。 ( 4 ) 分别利用多层反射器及生物光子学相关理论对珍珠层及韧带的结构色成因进行 了探讨。 ( 5 ) 对光芒豆蛏、竹蛏及青蛤韧带外层的结构色及微结构进行了初步研究。 8 双壳纲贝壳韧带和珍珠层的结构色及微结构研究 第二章实验样品的基本特征 目前，在自然界中的贝壳数量达到2 万多种，其中双壳纲贝壳为l 万多种。由于我国 是世界上最重要的珍珠生产国，因此本文主要以育珠贝为研究对象，且所有样品均为生 理成熟样品。贝壳珍珠层结构色及微结构研究主要采用淡水育珠贝三角帆蚌和海水育珠 贝大珠母贝、合浦珠母贝、企鹅珍珠贝及黑嘴贝，五种育珠贝在生物学分类上属软体动 物门双壳纲，其中三角帆蚌属该纲蚌目蚌科，四种海水贝属该纲中的珍珠贝目珍珠贝科。 贝壳韧带结构色及微结构研究主要采用淡水贝三角帆蚌韧带和海水贝文蛤韧带( 注：第 五章以前所涉及的韧带均指韧带内层) ，文蛤在生物学分类上属于软体动物门瓣鳃纲真 瓣鳃目帘蛤科。 2 1 样品来源及处理 三角帆蚌样品采自浙江诸暨山下湖珍珠养殖场，合蒲珠母贝采自广西合蒲珍珠养殖 场，大珠母贝、企鹅贝及黑嘴贝采自海南三亚，文蛤采自南宁市海鲜市场。所有样品去 除软组织后先用自来水冲洗，再用蒸馏水洗涤后自然风干。各样品珍珠层及三角帆蚌韧 带整体照片采用s o n y 数码相机拍摄，其余韧带照片均采用g l 9 9 t 型体视显微镜和 t k - c 9 2 1 e c 型彩色摄像机的组合装置拍摄，光源采用功率为7 0 w 的h l 2 0 1 3 型石英灯。 拍摄韧带照片时，入射光与韧带观察面的夹角为3 0 0 。 2 2 样品的基本特征 2 2 1 贝壳珍珠层 三角帆蚌( h y r i o p s i sc u n i m g i i ) 贝壳大而扁平，壳质重厚，坚硬。三角帆蚌是我国 的主要育珠蚌，广泛分布于浙江、湖南、安徽、江苏等地，所产珍珠质量佳，但生长速 度缓慢。其左壳内层面光学照片如图2 。1 ( a ) 所示，a f 分别表示沿生长纹方向从后端到前 端的不同颜色区域，g 1 分别表示沿垂直生长纹方向从后端到壳顶的不同颜色区域。可见 其外型呈三角形，壳长2 0c m 左右，壳高近1 4c r n 左右。在贝壳后端( 照片左侧) 其珍珠 层具有鲜艳的彩虹色光泽，且其颜色在沿生长纹方向从左到右逐渐由蓝色变为绿色再变 为红色，即存在明显的红移现象。而在贝壳前端( 照片右侧) 看不到彩虹色光泽的存在， 表现为其背景色白色。在沿垂直生长纹方向从后端到壳顶存在同样的红移现象，在壳顶 区由于受有机质的覆盖而呈现褐色而非白色。图2 1 ( b ) 、( c ) 、( d ) 分别为图2 1 ( a ) 中b 、d 、 讴域折断面光学照片，可见：三角帆蚌生长端珍珠层具有明显的不随入射光角度变化 而变化的黄褐色化学色，推测由褐色素引起，且其含量从生长端到成熟端明显降低，导 致黄褐色化学色强度明显变弱，到成熟端珍珠层基本没有明显黄褐色化学色的存在。 9 & 月a * 自* ，$ 目日* * t a * 镕自目$ 图2 1 ( a ) 三角帆蚌珍珠层的光学照片c a - f , g - 1 分别表示不同颜色区域) ；( b ) 、( c ) 、( d ) 分别为b 、 d 和伛域的折断面光擘照片 f i g2 - 1 ( a ) o p t i c p h o t o o f n a e r e i n b i v a l v es h e l l so f h y r l o p s i s o m a m 垂i ( a tg - is h o w i n g t h er e g i 吣w i t h d i f f e t l m tc o l o r o f t h e n a c t 8 ，r e s p e c t i v e l y ) ；( 8 x c ) ( d ) o p t i c p h o t o s o f n a t u r a ig r o s ss e c t i o n o f b ，d a n d f r c g i o m ，r e s p e c t i v e l y ) 大珠母贝( p i n c t a d a m a x i m a ) 又称自蝶贝，贝壳大而坚厚，扁平，后耳较前耳大。 大珠母贝在我国海南沿海有少量用于培育珍珠，其经济价值较高，是培育太珍珠的优良 品种。其右壳内层面光学照片如图2 翻a ) 所示。可见其外形近似碟子，壳长1 3e r n 左右， 壳高1 4c m 左右。在贝壳生长端( a 区) 其珍珠层具有鲜艳的彩虹色光泽，且其颜色在沿 垂直生长纹方向从生长端外缘往内部呈现明显的规律性变化，即从绿色变为红色再变为 黄绿色最后变为绿色。而在壳中区( b 区) 及壳顶区( c 区) 均表现为其背景色白色， 没有明显的彩虹色存在。图2 2 ( 1 8 ) 、( c ) 分别为圈2 2 ( a ) 中a 、b 区域折断面光学照片，可 见：太珠母贝生长端珍珠层具有明显的不随入射光角度变化而变化的黄色化学色，推测 黑进 蔫 一 一盈 广西 攀硪士掌位论支 最曼朝贝最舸秆和肇淳的嬉相色_ a 散培帕研究 由黄色素引起，且其含量从生长端到壳中区明显降低，导致黄色化学色强度明显变弱 到壳中区珍珠层基本没有明显黄色化学色的存在。 图2 3 合漓珠母贝珍珠屉的光学照片( a 为生长端，b 为壳中区c 为先顶区) ；( b ) 、( c ) 分剐 为a b 区域的折断面光学照片 f i g2 0 ( a ) o p a c p h o t o o f 吐眦抽m 刈v cs h e l l so f p m 劬m a 衄4 i ld i t i l l c 盯( a ，b ，c 曲o m n g m c 乒o w l n g ，c 们da n d 帅”西o o f t h c 珊口，r e s p e c f v e ly ) ；( b ) ( c ) o p l i cp h m o s o f n a t u r a l c r o s ss c c f i o no f a 锄d br e 目。瞄，r 瞄p h v e l 抑 合浦璩母贝( p i n c 诅d am 棚s i id u n k 神又称马氏珍珠贝，贝壳呈斜四方形，壳顶 位于前端，先壳稍突，右壳较平，后耳大前耳较小。马氏珍珠贝是世界上生产海水珍珠 的皂要贝类，也是我国培育海水珍珠的主要育珠贝，在广东、广两及海南的沿海地区广 泛分布。其右壳内层面光学照片如图2 3 ( a ) 所示。可见其壳长6c m 壳右，壳商8 锄左右。 j m a 年口# * 镕* t a t * * * 在贝壳生长端( a 区) 其珍珠层具有鲜艳的彩虹色光泽，且其颜色在沿垂直生长纹方向 从生长端外缘往内部呈现明显的规律性变化，即从红色变为绿色再变为浅红色。在壳中 区( b 区) 呈现较浅的橘黄色，而在壳项区( c 区) 表现为其背景色白色，没有明显的 彩虹色存在。图2 - 3 ( b ) 、( c ) 分别为图2 3 ( a ) 中a 、b 区域折断面光学照片可见：合浦珠 母贝生长端珍珠层具有相对明显的不随入射光角度变化而变化的黄色化学色，但强度较 弱，推测由黄色素引起而在壳中区珍珠层基本没有明显黄色化学色的存在。 企鹅珍珠贝( p t e r i ap g m n ) 贝壳呈斜四方形，后耳延长呈柄状，两壳隆起显著。 此贝适台于培养大型有核珍珠，我国海南沿海及广东雷州半岛地区有少量分布。其右壳 内层面光学照片如图2 4 ( a ) 所示。可见其壳长1 2 l 左右，壳高1 4a i l 左右。在贝壳生长 端( a 区) 其珍珠层具有鲜艳的彩虹色光泽，且其颜色在沿垂直生长纹方向从生长端外 缘往内部呈现明显的规律性变化，即从绿色变为红色再变为黄绿色最后又变为绿色。而 在壳中区( b 区) 及壳项区( c 区) 只具有微弱的彩虹色光泽，主要表现为其背景色白 色。图2 _ 4 ( b ) 、( c ) 分别为图2 - 4 ( a ) 中a 、b 区域自然断面光学照片，可见：企鹅珍珠贝生 长端珍珠层具有明显的不随入射光角度变化而变化的褐色化学色，推测由褐色素引起， 且其含量从生长端到壳中区明显降低，导致褐色化学色强度明显变弱，到壳中区珍珠层 基本没有明显褐色