二維凝膠體系中碳酸鈣分形結構的形成與機理研究

王潤霞 張 麗 王秀芳 謝安建,3 黃方志 沈玉華＊,,3

(1安徽大學化學化工學院，合肥230039)

(2安徽醫學高等專科學校，合肥230601)

(3南京大學配位化學國家重點實驗室，南京210093)

二維凝膠體系中碳酸鈣分形結構的形成與機理研究

王潤霞1，2張 麗1王秀芳1謝安建1,3黃方志1沈玉華＊,1,3

(1安徽大學化學化工學院，合肥230039)

(2安徽醫學高等專科學校，合肥230601)

(3南京大學配位化學國家重點實驗室，南京210093)

本文研究了二維瓊脂凝膠圓盤體系中碳酸鈣分形結構的形成過程，發現隨著反應時間的增加，碳酸鈣的形態經過了細小顆粒-枝晶結構-分形結構的轉變過程，該分形結構實際上是由納微米級碳酸鈣晶粒聚集而成的。增加瓊脂和反應物的濃度，碳酸鈣微晶的形貌和尺寸發生了變化，呈現立方體與球形，由其構成的分形結構的尺寸也隨著改變，但碳酸鈣的晶型均為方解石型，無明顯變化。二維凝膠體系中碳酸鈣分形結構的形成主要與瓊脂極性基團提供成核位點、多糖的網絡結構、沉淀劑離子擴散受限有關。

碳酸鈣；分形結構；二維瓊脂凝膠體系；生物礦化；晶體生長

0 引言

生物礦化是指生物體系中具有特殊的高級結構和組裝方式的生物礦物形成的過程[1],它與地質上的礦化作用明顯不同的是無機相的結晶嚴格受生物分泌的有機質的控制[2]。碳酸鈣作為世界上最廣泛的生物礦物，常見晶型有3種：球霰石、文石和方解石，它們的熱力學穩定性依次增加[3]。在腹足動物的蛋殼以及海鞘類動物的骨針中,碳酸鈣主要以球霰石形式存在；在雞蛋殼和某些疾病的結石中則主要為方解石；而在軟體動物殼的珍珠層中主要為文石,棱柱層中則主要為方解石[4]，如在紅鮑魚殼層中的不同部位,碳酸鈣分別以文石、塊狀方解石和球狀方解石形式存在[5]。近年來，生物組織中的碳酸鈣由于具有多種晶型和復雜的結構、形貌而引起了化學、生物及材料科學工作者的廣泛關注。

依據生物礦化的原理，利用各種軟模板的空間限域和調控作用合成從介觀尺度到宏觀尺度具有復雜形態的、滿足多種功能要求的仿生材料，已成為材料化學領域新近崛起的重要研究方向之一[6]。例如自組裝單分子膜、LB膜、生物大分子、有機小分子、分子篩[7]、膠束[8-10]、囊泡[11]，病毒[12]、細菌[13]、動植物組織[14-15]等被廣泛的用來調節碳酸鈣晶體的生長。我們課題組在復雜結構碳酸鈣的仿生合成方面已經開展了大量的工作，如在不同氨基酸體系中合成了球狀的霰石型碳酸鈣[12]，在氨基酸/Mg2+體系中合成了刺球狀文石型碳酸鈣[16]，并利用合成的新型氨羧配位劑4-BAPTA作模板，合成了多角星狀的方解石型碳酸鈣等[17]；用大腸桿菌介導合成了CaCO3的中空球[18]；在二棕櫚酰磷脂酰膽堿單分子層下，通過調節亞相葡聚糖的濃度控制合成了圓餅等多種形態的CaCO3[19]。

凝膠是一類具有三維網絡結構的半固態介質,凝膠的濃度、內部結構和所包含功能基團的種類等性質都可以對所制備的無機晶體的形貌和大小等進行控制。凝膠作為擴散介質，為沉淀劑離子提供了一個緩慢的擴散、成核以及生長過程，因此，凝膠作為微納米材料的制備模板，具有獨到的優勢[20]。有人在羥丙基甲基纖維素(HPMC)水凝膠中合成了玉米棒狀的文石和方解石混合晶型的碳酸鈣晶體[21]；在硅酸凝膠中制備了針狀的文石、立方體狀的方解石和球形的球霰石[22]。本工作考慮到瓊脂多糖大分子的側鏈上除了含有大量的羥基外，還有許多的醚基和醛基，這些基團可與Ca2+作用，對碳酸鈣晶體的形貌和性能都將產生重要的影響；而且生物大分子凝膠體系與生物體內的環境更為接近；另外在二維凝膠體系中制備復雜形貌的碳酸鈣的研究尚未見報道。在此，利用二維瓊脂凝膠作為離子擴散和反應介質，首次觀察到了具有自相似性、分形結構特征的樹枝狀CaCO3晶體的形成，為凝膠體系作為生物礦物的模擬環境、制備復雜形態的無機材料提供了啟示。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

無水氯化鈣(廣東汕頭市西隴化工廠)，無水碳酸鈉(上海化學試劑有限公司)，以上試劑皆為分析純。瓊脂(海南省瓊海市長坡瓊脂二廠)。本實驗用水均為二次蒸餾水(石英雙重蒸餾器制取)。

美國Nicolet公司NEXUS-870型傅立葉變換紅外光譜儀，KBr壓片(掃描范圍4 000~400 cm-1，掃描32次，分辨率4 cm-1)；MAP18XAHF轉靶型X射線衍射儀，測試電壓為40 kV，電流100 mA，掃描速度4°·min-1；掃描電鏡(SEM，日本Hitachi S-3400型，加速電壓20 kV)。索尼TX1數碼相機，光學顯微鏡(北京泰克儀器有限公司制造)。

1.2 實驗步驟

配制一定量濃度的氯化鈣溶液(0.01、0.05 mol· L-1)備用。準確稱取一定量的瓊脂溶于二次水中，配成不同濃度的瓊脂溶液(0.1%，1%)，加熱至沸騰，并加入一定量的碳酸鈉使其濃度分別為0.01、0.05 mol·L-1，不斷攪拌使其混合均勻。趁熱分別取15 mL左右注入潔凈的培養皿中(如圖1a所示)。待瓊脂冷卻凝固后，在圓盤中心挖一個半徑為0.7 cm的孔洞，除去其中的瓊脂，在孔洞中滴加氯化鈣溶液(如圖1b所示)。室溫下密封放置，反應過程中定時記錄并拍攝現象。15 d后，取出含有產物的瓊脂凝膠，部分干燥后，進行X射線粉末衍射(XRD)測試，傅立葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電鏡(SEM)等測試。

圖1 二維瓊脂凝膠圓盤體系實驗示意圖Fig.1 Experimental strategy of two-dimensional agar gel systems

2 結果與討論

2.1 二維瓊脂凝膠圓盤體系中碳酸鈣分形結構的動力學觀察

圖2是二維瓊脂凝膠圓盤體系中碳酸鈣分形結構的形成過程動力學觀測結果，可見，隨著反應時間的增加，體系中碳酸鈣晶體逐漸形成的枝狀分形結構。反應5d，如圖2a所示，瓊脂凝膠體系出現了一些細小的顆粒，變渾濁，且部分呈現云霧狀結構。其相應的XRD圖顯示在2θ為23.08°、29.35°、36.04°、39.43°、43.21°、47.23°和48.40°處出現衍射峰(圖3a)，分別對應于方解石晶體的(012)、(104)、(110)、(113)、(202)、(018)和(116)面(JCPDS Card No.：88-1812)，其晶格常數約為a=0.4976 nm，c=1.748 nm，表明有方解石型CaCO3微晶形成。反應10 d后(圖2b)，凝膠中形成了由長約300 μm莖干和若干分枝組成的CaCO3枝晶結構，且莖干和枝干均是由微小晶粒組裝而成，局部放大圖(圖2c)顯示此微小晶粒為1~2 μm左右的立方晶體、晶體棒等多形態的晶體。對應的XRD圖譜(圖3b)表明此時產物為方解石型CaCO3。隨反應時間的延長，碳酸鈣微晶增多，組裝形成類似樹枝狀的碳酸鈣分形結構，當反應時間達到15d(圖2d)，分形結構中莖干變粗、枝干增多，空間結構的立體性減弱，由其局部放大圖(圖2e)可見，且參與形成多級分形結構的碳酸鈣為1~2 μm左右的立方晶體。XRD圖(圖3c)表明此時所得碳酸鈣也是方解石。從以上結果可以看出不同反應時間生成的碳酸鈣均為方解石，可見調控誘導時間可調節碳酸鈣的形態，但對產物的晶型無明顯的影響。其形態的轉變過程是：在結晶初期，膠體中首先形成一個個小的碳酸鈣晶粒；隨反應時間的延長，晶粒不斷增多，膠體中晶粒聚集在一起,形成了分形花樣，這個過程和電解沉積金屬如Zn以及NaCl的結晶過程相似，其機制可能為擴散受限聚集機制(DLA)[23-25]。據此，以圖2d為基礎，計算機模型模擬計算得到其分形維數為1.83。

圖2 二維瓊脂凝膠圓盤體系中碳酸鈣的形貌隨時間的變化圖Fig.2 Images of calcium carbonate crystals obtained in agar gel after different time

2.2 濃度對碳酸鈣分形結構的影響

當瓊脂濃度增加至1%時，所得產物如圖4a所示，可見，與相同條件下瓊脂濃度較低時得到的產物(圖2d)不同，碳酸鈣樹枝狀分形的主莖干變粗，且枝干變得粗而短。其分形維數為1.76。

另外，從其局部放大圖(圖4b)可見，此枝狀分形是由大量平均直徑約2 μm的球形晶體和少量的尺寸約為2~3 μm立方晶體組裝而成。其X射線衍射圖如圖5a所示,可見，在2θ為22.99°，29.07°，36.07°，39.34°，43.20°，46.54°，48.04°和57.51°時出現了幾組衍射峰，對照標準卡片(JCPDS No.88-1812)，這些峰分別對應于方解石型碳酸鈣晶體的(012)、(104)、(110)、(113)、(202)、(018)、(116)、(112)面的特征衍射。說明調節介質瓊脂的濃度不僅可以調控碳酸鈣基本晶粒的形貌和尺寸，也可影響碳酸鈣的多級分形結構的形態。這可能是由于瓊脂凝膠作為離子擴散介質，其濃度增加，網格密度增大，吸附面增多，使Ca2+的擴散速度降低，限域效應增強，有利于球形結構晶體的形成；瓊脂分子鏈未能充分展開，成核位點有所減少，相同濃度的離子，瓊脂凝膠濃度較大的形成的晶體尺寸較大，且晶體容易發生聚集，形成的枝狀分形則較為稠密，分形維數降低，尺寸增大。

圖3 二維瓊脂凝膠圓盤體系中碳酸鈣的XRD圖Fig.3 XRD patterns of calcium carbonate crystals obtained in agar gel after different time

圖4 反應在15 d后不同反應物濃度的瓊脂凝膠體系中碳酸鈣的分形圖Fig.4 Fractal Images of calcium carbonate crystals obtained in agar gel with different reactant concentrations after 15 d

當瓊脂凝膠的濃度不變(1%)，增加Ca2+和CO32-的濃度至0.05 mol·L-1時(如圖4c)，形成的枝狀碳酸鈣晶體的主莖干變得更為粗壯，枝干也變得更為短而粗，但生產的碳酸鈣晶體的量明顯增多，分形結構也更為稠密，分形維數為1.69，XRD圖(圖5b)顯示產物為方解石型碳酸鈣。另外，組成分形結構的碳酸鈣晶體的形態也發生了改變，主要是平均尺寸約為4~5 μm的多面體晶體和少量不規則形態的小晶粒(圖4d)。這可能是由于瓊脂濃度不變，離子濃度增大后，擴散速度增大，晶體成核速率加快的同時，晶體生長速度也顯著增大，瓊脂介質的調控效果降低，則形成的晶體數量增多，且大小不一；部分尺寸較大，且為立方體結構。說明碳酸鈣的濃度對最終晶體的尺寸和形貌都有一定的影響，并且導致分形維數降低。

圖5 反應在15 d后不同反應物濃度的瓊脂凝膠體系中碳酸鈣的XRD圖Fig.5 XRD patterns of calcium carbonate crystals obtained in agar gel with different reactant concentrations after 15 d

2.3碳酸鈣分形結構的形成機理

圖6是CaCO3晶體在瓊脂凝膠調控下的生長示意圖。首先在瓊脂凝膠體系中均勻分散，在二維圓盤中心加入Ca2+后，由于濃度梯度和瓊脂凝膠介質的作用，Ca2+緩慢地向圓盤四周擴散。如圖6所示，瓊脂凝膠中含有大量的羥基、醚基等，其上的氧原子可與Ca2+相互作用，提供了成核位點(如圖6a)，進一步吸引均勻分散在瓊脂凝膠中的形成CaCO3晶核。根據成核與生長理論[26]，形成一個新的晶核，必須克服成核活化能(ΔGN)。ΔGN可表示為：

其中ΔG1、k、T和S分別為形成新界面和維持晶體生長所需表面能、玻茲曼常數、溫度和局域過飽和度。表面能ΔG1的降低和局域過飽和度S的增加都可以降低晶體成核所需的活化能。瓊脂凝膠分子與Ca2+相互作用使得Ca2+富集于瓊脂凝膠分子中氧原子周圍，導致這些區域的碳酸鹽過飽和度的增加和表面能的降低，結果碳酸鈣晶核形成了。同時，從瓊脂分子的結構示意圖(圖7)可以看出，瓊脂分子中存在多種構象的氧原子，氧原子之間的間距各不相同，這樣可提供立體化學互補與晶格匹配效應，最終導致CaCO3的(104)面擇優生長。并且，根據能量最低原理，CaCO3晶體沿著三維網狀的瓊脂鏈生長，降低了方解石型CaCO3晶體的成核與生長活化能，最終形成方解石型CaCO3晶體。瓊脂凝膠的空間網絡結構的形狀和大小決定了生成的CaCO3晶體的形貌和粒徑。瓊脂凝膠濃度較大時，其網格密度也較大，吸附面增多從而易于形成球形晶體，進一步組裝形成分形結構。因此，瓊脂凝膠分子可以作為模板調控碳酸鹽的成核、生長與多級分形結構的組裝。

圖6 瓊脂凝膠調控CaCO3生長機理示意圖Fig.6 Schematic representation of formation process of CaCO3fractal structure controlled by agar gels

圖7 瓊脂分子結構式Fig.7 Molecular structure of agar

3 結論

本文以二維瓊脂凝膠圓盤為仿生礦化模擬體系，成功演繹了碳酸鈣微晶→枝晶結構→分形結構的轉變過程。在此過程中，調節瓊脂和反應物的濃度、反應時間不僅可以控制碳酸鈣的多級分形結構的形態，也可調控分形結構中的碳酸鈣基本單元的形貌和尺寸。隨瓊脂和反應物濃度的增加，基本組裝單元由立方碳酸鈣逐漸轉變為立方體與球體2種混合結構的碳酸鈣；相應的分形結構的莖干與枝干也變的粗壯；但碳酸鈣的晶型不變，均為方解石型晶體。這種形態與結構的變化可能主要是受瓊脂的空間構象、多糖的網絡結構以及沉淀離子的空間擴散等的制約，為探討生物體中晶體分形結構的形成提供了有益的參考依據。

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Preparation and Formation Mechanisms of Calcium Carbonate Fractal Aggregates in Agar Gel

WANG Run-Xia1,2ZHANG Li1WANG Xiu-Fang1XIE An-Jian1,3HUANG Fang-Zhi1SHEN Yu-Hua＊,1,3
(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Anhui University,Hefei 230039)
(2Anhui Medical College,Hefei 230601)
(3State Key Laboratory of Coordination Chemistry,Nanjing University,Nanjing 210093)

Fractal growth of calcium carbonate was found in 2D agar gels.Remarkable morphological evolution of calcite from crystalline to ramified aggregates to tree-like fractal aggregates as induction time increased has been observed.Marked morphological and dimension changes of crystals were observed to be dependent on the concentration of agar and precipitator.Although,the sizes of tree-like fractal aggregates consisting of global blocks and cubical crystals also changed,all the crystals were identified to be orthorhombic CaCO3crystals.The experimental results reveal that fractal growth could occur successfully in agar gels,which was influenced by the polar groups of agar,network-like structure of amylase and pervasion of precipitators,and so on.

calcium carbonate,fractal structure,2D agar gel,biomineralization,crystal growth

O611.6；O614.23+1

A

1001-4861(2010)08-1355-06

2010-03-29。收修改稿日期：2010-05-12。

國家自然科學基金(No.20671001，20871001),高校博士點基金(No.20070357002)及安徽省高等學校自然科學重大項目(No.ZD2007004-1)和一般項目(No.KJ2008B50ZC)基金資助。

＊通訊聯系人。E-mail：s_yuhua@163.com

王潤霞，女，42歲，碩士，副教授；研究方向：生物礦化與仿生合成。