淡水球文石珍珠结构及其矿化机理研究

论文摘要

球文石是碳酸钙晶体中最不稳定的一种形态,自然界中极少存在的生物球文石多为球状。十年前,在我国淡水养殖珍珠中发现了球文石的存在,国内外尚无针对性的系统研究。球文石珍珠层主要在我国淡水养殖珍珠中发现,球文石的出现是导致珍珠失去光泽、降低质量的主要原因。本论文以淡水球文石珍珠为主要的研究模型和实验材料,与正常文石珍珠对比,研究球文石珍珠层的晶体学取向、分级结构、蛋白质的提取与表征,以及不同蛋白质调控碳酸钙体外模拟矿化等问题。研究发现球文石珍珠中的球文石晶体具有较好的热力学稳定性,其与正常文石珍珠中文石具有类似的稳定性。通过微量元素、有机基质和结构色等方面的研究,发现有机基质含量偏高和层状结构不严密是导致球文石珍珠层失去光泽的主要原因。球文石珍珠层具有典型的“砖墙”结构和晶体学择优取向,板片单元为8μm×2μm×0.4μm的条状结构。球文石珍珠板片的内部存在较多的孪晶堆垛层错。通过体外模拟实验,以原始文石珍珠层为基底,生长出一层“类珍珠层”,该层经历了无定形、纳米文石到类六边形文石板片的生长过程,层内文石板片的尺寸和晶体学取向都与天然珍珠层的类似。提取了正常文石珍珠和球文石珍珠中酸不可溶蛋白、酸可溶蛋白和水可溶蛋白;研究了不同蛋白质在体外模拟实验中对碳酸钙晶体的晶型和形貌的调控作用,发现两种珍珠的蛋白质在结构上有较大差异,球文石珍珠的酸可溶蛋白具有诱导球文石的功能。本论文以淡水球文石珍珠为研究对象,以“性能——无机构造——蛋白质成分——体外模拟实验”为主线,较系统地研究了球文石珍珠层的晶体学特征和蛋白质功能,对于球文石生物矿化的研究是一个有力补充。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 引言
• 1.2 生物矿化
• 1.2.1 生物矿物中主要的无机矿物相
• 1.2.2 生物矿化的基本过程
• 1.2.3 有机基质调控生物矿化
• 1.3 珍珠与珍珠层
• 1.3.1 珍珠
• 1.3.2 珍珠层
• 1.3.3 珍珠层的生长机制
• 1.3.4 珍珠层生长机制的最新发展
• 1.3.5 珍珠层中的生物大分子
• 1.4 球文石
• 1.4.1 球文石的自然属性
• 1.4.2 生物矿物中的球文石
• 1.4.3 实验室制备球文石
• 1.5 体外模拟生物矿化与仿生过程
• 1.5.1 基本原理与过程
• 1.5.2 体外模拟碳酸钙晶体生长
• 1.5.3 仿生设计类珍珠层结构
• 1.6 生物硅与海绵骨针
• 1.6.1 生物硅
• 1.6.2 海绵骨针
• 1.7 课题研究的意义和主要内容
• 1.7.1 课题研究的目的和意义
• 1.7.2 课题研究的主要内容
• 1.7.3 课题研究的创新点
• 第2章 文石珍珠和球文石珍珠基本结构与性能的对比研究
• 2.1 序言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 中子活化试验过程
• 2.2.3 纳米压痕实验方法
• 2.2.4 珍珠粉溶解和高温相变过程的测定
• 2.2.5 其他表征方法
• 2.3 形貌和物相确定
• 2.4 硬度和微量元素分析
• 2.5 球文石稳定性研究
• 2.6 球文石珍珠的光泽与颜色
• 2.7 分析与讨论
• 2.7.1 稳定性
• 2.7.2 微量元素
• 2.7.3 光泽与颜色
• 2.8 本章小节
• 第3章 淡水球文石珍珠的形貌和晶体择优取向
• 3.1 序言
• 3.2 实验方法
• 3.3 球文石珍珠的微观结构
• 3.4 晶体取向
• 3.5 晶体缺陷
• 3.6 分析与讨论
• 3.6.1 微观结构
• 3.6.2 文石/球文石转变
• 3.6.3 晶体缺陷
• 3.7 本章小节
• 第4章 以珍珠层和氨基酸层为基底的体外矿化研究
• 4.1 序言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 晶体生长
• 4.3 文石珍珠为基底的体外生长结果
• 4.4 改性方解石为基底的体外生长结果
• 4.5 分析与讨论
• 4.5.1 无定形碳酸钙（ACC）的存在状态
• 4.5.2 文石“类珍珠层板片”的形成机理
• 4.5.3 方解石板片生长中的取向信息传递
• 4.6 本章小结
• 第5章 珍珠层有机基质的分离表征与体外矿化
• 5.1 序言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 珍珠层三种蛋白的提取和分离
• 5.2.2 体外矿化实验
• 5.3 蛋白质表征结果
• 5.4 体外矿化结果
• 5.5 分析与讨论
• 5.5.1 蛋白质诱导生物矿化
• 5.5.2 生物矿化的自组装现象
• 5.6 本章小结
• 第6章 硅质海绵骨针的结构及力学性能
• 6.1 引言
• 6.2 实验材料与方法
• 6.3 实验结果
• 2 骨针的微观结构'>6.3.1 海绵SiO₂骨针的微观结构
• 6.3.2 海绵骨针的力学性能
• 6.4 分析与讨论
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果