王潤霞 張 麗 王秀芳 謝安建,3 黃方志 沈玉華＊,,3

(1安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，合肥230039)

(2安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，合肥230601)

(3南京大學(xué)配位化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210093)

二維凝膠體系中碳酸鈣分形結(jié)構(gòu)的形成與機(jī)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院，合肥230039)

(2安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，合肥230601)

(3南京大學(xué)配位化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的形成過程，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時間的增加，碳酸鈣的形態(tài)經(jīng)過了細(xì)小顆粒-枝晶結(jié)構(gòu)-分形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程，該分形結(jié)構(gòu)實(shí)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(yīng)物的濃度，碳酸鈣微晶的形貌和尺寸發(fā)生了變化，呈現(xiàn)立方體與球形，由其構(gòu)成的分形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的形成主要與瓊脂極性基團(tuán)提供成核位點(diǎn)、多糖的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、沉淀劑離子擴(kuò)散受限有關(guān)。

碳酸鈣；分形結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)和組裝方式的生物礦物形成的過程[1],它與地質(zhì)上的礦化作用明顯不同的是無機(jī)相的結(jié)晶嚴(yán)格受生物分泌的有機(jī)質(zhì)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(xué)穩(wěn)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(jié)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)、形貌而引起了化學(xué)、生物及材料科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。

依據(jù)生物礦化的原理，利用各種軟模板的空間限域和調(diào)控作用合成從介觀尺度到宏觀尺度具有復(fù)雜形態(tài)的、滿足多種功能要求的仿生材料，已成為材料化學(xué)領(lǐng)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(jī)小分子、分子篩[7]、膠束[8-10]、囊泡[11]，病毒[12]、細(xì)菌[13]、動植物組織[14-15]等被廣泛的用來調(diào)節(jié)碳酸鈣晶體的生長。我們課題組在復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳酸鈣的仿生合成方面已經(jīng)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(dǎo)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(diào)節(jié)亞相葡聚糖的濃度控制合成了圓餅等多種形態(tài)的CaCO3[19]。

凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的半固態(tài)介質(zhì),凝膠的濃度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和所包含功能基團(tuán)的種類等性質(zhì)都可以對所制備的無機(jī)晶體的形貌和大小等進(jìn)行控制。凝膠作為擴(kuò)散介質(zhì)，為沉淀劑離子提供了一個緩慢的擴(kuò)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(dú)到的優(yōu)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(cè)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(tuán)可與Ca2+作用，對碳酸鈣晶體的形貌和性能都將產(chǎn)生重要的影響；而且生物大分子凝膠體系與生物體內(nèi)的環(huán)境更為接近；另外在二維凝膠體系中制備復(fù)雜形貌的碳酸鈣的研究尚未見報(bào)道。在此，利用二維瓊脂凝膠作為離子擴(kuò)散和反應(yīng)介質(zhì)，首次觀察到了具有自相似性、分形結(jié)構(gòu)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(huán)境、制備復(fù)雜形態(tài)的無機(jī)材料提供了啟示。

1 實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(shù)碼相機(jī)，光學(xué)顯微鏡(北京泰克儀器有限公司制造)。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(yǎng)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(yīng)過程中定時記錄并拍攝現(xiàn)象。15 d后，取出含有產(chǎn)物的瓊脂凝膠，部分干燥后，進(jìn)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(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Experimental strategy of two-dimensional agar gel systems

2 結(jié)果與討論

2.1 二維瓊脂凝膠圓盤體系中碳酸鈣分形結(jié)構(gòu)的動力學(xué)觀察

圖2是二維瓊脂凝膠圓盤體系中碳酸鈣分形結(jié)構(gòu)的形成過程動力學(xué)觀測結(jié)果，可見，隨著反應(yīng)時間的增加，體系中碳酸鈣晶體逐漸形成的枝狀分形結(jié)構(gòu)。反應(yīng)5d，如圖2a所示，瓊脂凝膠體系出現(xiàn)了一些細(xì)小的顆粒，變渾濁，且部分呈現(xiàn)云霧狀結(jié)構(gòu)。其相應(yīng)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(xiàn)衍射峰(圖3a)，分別對應(yīng)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(shù)約為a=0.4976 nm，c=1.748 nm，表明有方解石型CaCO3微晶形成。反應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(tài)的晶體。對應(yīng)的XRD圖譜(圖3b)表明此時產(chǎn)物為方解石型CaCO3。隨反應(yīng)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(jié)構(gòu)，當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到15d(圖2d)，分形結(jié)構(gòu)中莖干變粗、枝干增多，空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果可以看出不同反應(yīng)時間生成的碳酸鈣均為方解石，可見調(diào)控誘導(dǎo)時間可調(diào)節(jié)碳酸鈣的形態(tài)，但對產(chǎn)物的晶型無明顯的影響。其形態(tài)的轉(zhuǎn)變過程是：在結(jié)晶初期，膠體中首先形成一個個小的碳酸鈣晶粒；隨反應(yīng)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(jié)晶過程相似，其機(jī)制可能為擴(kuò)散受限聚集機(jī)制(DLA)[23-25]。據(jù)此，以圖2d為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)模型模擬計(jì)算得到其分形維數(shù)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(jié)構(gòu)的影響

當(dāng)瓊脂濃度增加至1%時，所得產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(xiàn)了幾組衍射峰，對照標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS No.88-1812)，這些峰分別對應(yīng)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(diào)節(jié)介質(zhì)瓊脂的濃度不僅可以調(diào)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(jié)構(gòu)的形態(tài)。這可能是由于瓊脂凝膠作為離子擴(kuò)散介質(zhì)，其濃度增加，網(wǎng)格密度增大，吸附面增多，使Ca2+的擴(kuò)散速度降低，限域效應(yīng)增強(qiáng)，有利于球形結(jié)構(gòu)晶體的形成；瓊脂分子鏈未能充分展開，成核位點(diǎn)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(fā)生聚集，形成的枝狀分形則較為稠密，分形維數(shù)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(yīng)在15 d后不同反應(yīng)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(dāng)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(chǎn)的碳酸鈣晶體的量明顯增多，分形結(jié)構(gòu)也更為稠密，分形維數(shù)為1.69，XRD圖(圖5b)顯示產(chǎn)物為方解石型碳酸鈣。另外，組成分形結(jié)構(gòu)的碳酸鈣晶體的形態(tài)也發(fā)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(guī)則形態(tài)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(kuò)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(zhì)的調(diào)控效果降低，則形成的晶體數(shù)量增多，且大小不一；部分尺寸較大，且為立方體結(jié)構(gòu)。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(dǎo)致分形維數(shù)降低。

圖5 反應(yīng)在15 d后不同反應(yīng)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(jié)構(gòu)的形成機(jī)理

圖6是CaCO3晶體在瓊脂凝膠調(diào)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(zhì)的作用，Ca2+緩慢地向圓盤四周擴(kuò)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(diǎn)(如圖6a)，進(jìn)一步吸引均勻分散在瓊脂凝膠中的形成CaCO3晶核。根據(jù)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(shù)、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(dǎo)致這些區(qū)域的碳酸鹽過飽和度的增加和表面能的降低，結(jié)果碳酸鈣晶核形成了。同時，從瓊脂分子的結(jié)構(gòu)示意圖(圖7)可以看出，瓊脂分子中存在多種構(gòu)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(xué)互補(bǔ)與晶格匹配效應(yīng)，最終導(dǎo)致CaCO3的(104)面擇優(yōu)生長。并且，根據(jù)能量最低原理，CaCO3晶體沿著三維網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)格密度也較大，吸附面增多從而易于形成球形晶體，進(jìn)一步組裝形成分形結(jié)構(gòu)。因此，瓊脂凝膠分子可以作為模板調(diào)控碳酸鹽的成核、生長與多級分形結(jié)構(gòu)的組裝。

圖6 瓊脂凝膠調(diào)控CaCO3生長機(jī)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(jié)構(gòu)式Fig.7 Molecular structure of agar

3 結(jié)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(jié)構(gòu)→分形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變過程。在此過程中，調(diào)節(jié)瓊脂和反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)時間不僅可以控制碳酸鈣的多級分形結(jié)構(gòu)的形態(tài)，也可調(diào)控分形結(jié)構(gòu)中的碳酸鈣基本單元的形貌和尺寸。隨瓊脂和反應(yīng)物濃度的增加，基本組裝單元由立方碳酸鈣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎襟w與球體2種混合結(jié)構(gòu)的碳酸鈣；相應(yīng)的分形結(jié)構(gòu)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(tài)與結(jié)構(gòu)的變化可能主要是受瓊脂的空間構(gòu)象、多糖的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及沉淀離子的空間擴(kuò)散等的制約，為探討生物體中晶體分形結(jié)構(gòu)的形成提供了有益的參考依據(jù)。

[1]Landfester K.J.Adv.Mater.,2001,13(10):765-768

[2]Aizenberg J,Black A J,Whitesides G M.Nature,1999,398 (6727):495-497

[3]Cooper S J,Sessions R B,Lubetkin S D.J.Am.Chem.Soc., 1998,120(9):2090-2098

[4]Douglas T,Young M.J.Adv.Mater.1999,11:679-681

[5]Klaus T,Joerger R,Olsson E,et al.Proc.Natl.Acad.Sci. USA.1999,96:13611-13614

[6]Feng S,Bein T.Nature,1994,368:834-836

[7]Zaremba C M,Belcher A M,Fritz M.J.Chem.Mater.,1996, 8:679-690

[8]Hua T,Wentao M,Peng W,et al.J.Biomaterials,2004,25 (17):3923-3929

[9]C觟lfen H,Qi L.J.Chem.Eur.,2001,7:106-109

[10]Sedlak M,Antoniettic M,C觟lfen H,et al.J.Macromol.Chem. Phys.,1998,199:247-250

[11]Han Y,Aizenberg J.J.Am.Chem.Soc.,2003,125:4032-4033

[12]Xie A J,Shen Y H,Zhang C Y,et al.J.Cryst.Growth, 2005,285:436-443

[13]Shenton W S,Um D,Leytr U B,et al.Nature,1997,389:585-587

[14]Mann S.J.Angew.Chem.Int.Ed,2000,39(19):3392-3406

[15]Yang H,Coombs N,Ozin G A.Nature,1997,386(6626):692-696

[16]Xie A J,Shen Y H,Li X Y,et al.J.Mater.Chem.Phys., 2007(101):87-92

[17]Xie A J,Yuan Z W,Shen Y H.J.Cryst.Growth,2005,276: 265-274

[18]Chen L,Shen Y H,Xie A J,et al.Cryst.Growth Des.,2009, 9(2):743-754

[19]Huang F Z,Shen Y H,Xie A J,et al.Cryst.Growth Des., 2009,9(2):722-727

[20]Ogasawara W,Shenton W,Davis S A,et al.Chem.Mater., 2000,12:2835-2839

[21]ZHAO Jin(趙瑾),LI Yan-Jun(李彥軍),CHENG Guo-Xiang(成國祥).Chin.Sci.Bull.(Kexue Tongbao),2007,52 (4):394-398

[22]CHENChen(陳沉),LIMing-Wei(李明偉),CHENShu-Xian (陳淑仙),et al.J.Chongqing Univ.:Nat.Sci.(Chongqing Daxue Xuebao:Ziran Kexue Ban),2006,29(8):40-43

[23]CHEN Shu-Rong(陳書榮),ZHANG Zheng(張鄭),XIE Gang(謝剛),et al.J.Xi′an Univ.of Arch.&Tech.:Nat. Sci.(Xi′an Jianzhu Keji Daxue Xuebao:Ziran Kexue Ban), 2006,38(5):686-690

[24]CHEN Shu-Rong(陳書榮),XIE Gang(謝剛),CUI Heng (崔衡),et al.J.Chin.Nonferr.Metals(Zhongguo Youse Jinshu Xuebao),2002,12(4):846-850

[25]GE Fu-Ding(葛副鼎),ZHU Jing(朱靜).J.Chin.Electron Microsc.Soc.(Dianzi Xianwei Xuebao),1998,17(6):744-747

[26]Tong H,Ma W,Wang L,et al.J.Biomaterials,2004,25(17): 3923-3929

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(xué)基金(No.20671001，20871001),高校博士點(diǎn)基金(No.20070357002)及安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)重大項(xiàng)目(No.ZD2007004-1)和一般項(xiàng)目(No.KJ2008B50ZC)基金資助。

＊通訊聯(lián)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。