4种仿生材料的红外光谱特征

发布时间：2022-03-19

　　摘 要 根据文献和我们的研究工作，归纳总 结 了 铁 的(氧)氢 氧 化 物、碳 酸 钙、二 氧 化 硅、羟 基 磷 灰 石4种 仿生材料的红外光谱特征。结论：傅里叶变换红外光谱可以直观、快速、准确地鉴别仿生材料。

　　关键词 仿生材料 傅里叶变换红外光谱

　　1 前 言

　　生物矿化是指生物体内形成矿物质的过程，受生物体分泌的有机基质的调控，生物体中形成的矿物具有高度有序的结晶结构，并具有一般无机晶体所没有的独特物理和化学性。仿生合成是指根据生物矿化的原理合成无机材料即以有机物的组装体为模板控制无机物的形成，制备具有特殊组装方式和多级结构特点的有机/无机复合 体[1]。仿 生 合 成 过程具有高效、有序、自动化等特点，其合成得到的复合体材料称为仿生材料(由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起，形成了具有特定功能的生物复合材料)。近年来，随着化学、材料科学、生命科学、物理学的发展及现代技术尤其是微观和宏观技术的进步，仿生材料得到了飞速的发展，已成为材料科学研究的重点和发展方向之一。本文归纳总结了铁的(氧)氢氧化物、碳酸钙、二氧化硅、羟基磷灰石4种仿生材料的红外光谱特征，为人们研究和开发仿生材料提供了科学依据。

　　2 仿生材料的红外光谱特征

　　2.1 铁的(氧)氢氧化物(FeOOH)

　　铁的(氧)氢 氧 化 物 是 生 物- 土 壤- 矿 物- 水 体界面交互作用的重要媒介。迄今为止，在各种生物体内发现的60多种生物矿物中，铁矿物占了较大的比例，因而成为地球科学、环境科学等研究的重要对象。FeOOH 的天然矿物可以多种晶体结构形式存在，主要有针铁矿(α-FeOOH 相)、四方纤铁矿(β-FeOOH 相)和 纤 铁 矿(γ-FeOOH)，在 环 保 和 磁 性材料 方 面 具 有 重 要 作 用。我 们 曾 以 壳 聚 糖 为 模板[2]，以 FeCL3 和 NaOH 为体系，模 拟 生 物 矿 化 制备了 多 糖 铁 (多 糖 铁 实 质 上 是 一 种 FeOOH，是FeOOH 与 多 糖 的 配 合 物，生 命 科 学、医 学 及 药 学上，将它称为多糖铁)，对于加入不同量的壳聚糖后生成的多糖铁晶体进行了红外光谱分析，发现所有的多糖铁晶体在890cm-1与700cm-1左右均有特征吸收峰，与β-FeOOH 的红外光谱图相一致，说明多糖铁中的铁核是β-FeOOH 核。另外，我们以尿素/Stoke体系球衣菌为模板[3]，以 FeCL3 和 NaOH 为体系，模拟生物矿化制备了 FeOOH，红外光谱显示亦是β-FeOOH 核。此外，我们还以聚乙二醇为模板[4]，以 FeCL3 和 NaOH 为体系，模拟生物矿化制备了 FeOOH，发 现 加 入 不 同 量 的 聚 乙 二 醇 后 生 成的 FeOOH，红 外 光 谱 显 示 亦 是β-FeOOH 核。同时进行了自由扩散方式下，加入不同量的聚乙二醇后生 成 的 FeOOH 的 实 验，结 果 发 现，其 铁 核 是 α-FeOOH，其 红 外 光 谱 特 征 峰 在 887cm-1、795cm-1、及612cm-1左右。

　　2.2 碳酸钙

　　碳酸钙在 自 然 界 中 存 在 3 种 晶 体 构 型：方 解石、文石和球霰石。我们以壳聚糖为模板，以 CaCl2和 Na2CO3 为体系，模拟生物矿化制备了方解石型碳酸钙。图1为方解石型碳酸钙的红外光谱，从图上 可 看 出，含 有 1799cm-1、1422cm-1、875cm-1、712cm-1等 特 征 峰，与方解石的红外标 准谱图一致[5]。

　　相关知识推荐：新发表的论文会有引用次数吗

　　史作义等人[6]以阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠为模板制备了球霰石型 CaCO3 晶体，其红外光谱 特 征 峰 为 745cm-1和 876cm-1[6];杨 林 等 人[7]以葡聚糖为模板控制合成了文石型碳酸钙，其红外光谱 特 征 峰 为1448cm-1和876cm-1。由 于 碳 酸 钙是一种重要的无机化工产品，不同晶型、形态的碳酸钙有着不同的用途，因而碳酸钙的仿生研究很活跃。

　　2.3 纳米二氧化硅

　　纳米二氧化硅材料是21世纪科研领域的热点，由于其具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致了纳米微粒具有奇异的物化性能，在自然界中广泛存在，而生物矿化合成后的纳米二氧化硅材料具有流动性和运输性等许多重要特点，为 材 料 化 学 合 成 提 供 了 新 思 维、新 途径、新材料，已日益成为人们关注的领域[8]。国内外已发现在植物细胞壁上，细菌细胞壁上纳米二氧化硅沉积现象[9]。我们按文献[10]方法，模拟生物硅化的过程，合成 出 纳 米 二 氧 化 硅，其 红 外 光 谱 图 见 图2，从 图 上 可 看 出，含 有 1086cm-1、962cm-1、802cm-1、461cm-1等特 征 峰，与纳米二氧化硅的红外标准谱图一致[11]。

　　何乃彦等人[12]以放线菌为模板，TEOS(正硅酸乙酯)作为硅源，利用生物矿化合成的方法合成出了直径达5nm 的 SiO2 纳米结构材料(红外 光 谱 特 征峰：1088cm-1，950cm-1，796cm-1和473cm-1);郭中满等人[13]利用含有正硅酸乙酯(TEOS)的植物营养液栽培芦荟，借助芦荟叶外表皮细胞壁模板生物矿化合成了针状纳米结构SiO2 晶体。

　　2.4 羟基磷灰石

　　羟基磷灰 石，又 称 羟 磷 灰 石，是 钙 磷 灰 石[Ca5(PO4)3(OH))]的自然矿物化。我们按文献[14]方法仿生制备出了羟基磷灰石，其红外光谱图见图3，从图上可看出，含有3572cm-1、1092cm-1、1047cm-1、963cm-1、667cm-1、632cm-1、603cm-1、572cm-1 等特征峰，与羟基磷灰石的红外标准谱图一致[15]。

　　3 结 语

　　综上所述，不同仿生材料具有不同的红外光谱特征峰。同一仿生材料，由于模板不同，可以形成不同的晶形，如碳酸钙，有方解石、文石和球霰石3种晶体构型，它们具有各自的红外光谱特征峰。同一模板，如聚乙二醇，不同方式合成的仿生材料晶形是不同的，有机 模 板 下，得 到β-FeOOH，自 由 扩 散 方式下，得到α-FeOOH，红外光谱亦能很好地区别它们。另从β-FeOOH 和 α-FeOOH 形 成 来 看，β-FeOOH 是在有 机 模 板 下 形 成 的，可 以 说 是 缓 慢 成核、生长、结晶的过程，α-FeOOH 是在自由 扩 散 方式下，可以说是快速成核、生长、结晶的过程。这一矿化模拟，红外光谱也可以揭示出来，因而红外光谱也是研究生物矿化过程及形成机理的一个强有力的工具。此外，以上4种仿生材料都是纳米级的，所以应用生物大分子实现纳米组装的研究十分活跃。

　　参考文献

　　[1] 欧阳健 明，陈 德 志，李 祥 平.材 料 导 报，2004，18(12)：62-66.[2] 陈和生，孙振亚，刘巧玲.中南药学，2005，3(1)：3-4.

　　[3] 孙 振 亚，刘 健，陈 和 生.武汉理工大学学报，2007，29(3)：50-53.

　　[4] 陈 筠，陈 和 生，孙 振 亚.武汉理工大学学报，2005，27(5)：59-61.

　　[5] 杨南如，岳文海.无机非金属材料手册[M].武汉：武汉工业大学出版社，2000：286.

　　[6] 史作 义，王 学 营，刘 娜.曲 阜 师 范 大 学 学 报，2007，33(1)：75-79.

　　[7] 杨林，丁 唯 嘉，安 英 格.高 等 学 校 化 学 学 报，2004，25(8)：1403-1406.

　　[8] Oliver，Kuperman A，CoomvsN，GaOzin.Nature，1995，378：47-56.

　　[9] YangH，KupermanA，CoonbsN，etal.Nature，1996，379：703-711.

　　[10] 高庆，周 芬，袁 建 军.高 分 子 学 报，2008，(3)：271-276.

　　[11] 朱振峰，李 晖，朱 敏.无 机 盐 工 业，2006，38(6)：14-16.

　　[12] 何乃彦，孙立志，于源华.长春理工大学学报：自然科学版，2008，31(4)：12-15.

　　[13] 郭中满，王 荔 军，陈 霞.高等学校化学学报，2000，21(6)：847-848.[14] 王江，左奕，杨维虎.无机材料学报，2009，24(2)：264-268.

　　[15] 曹颖春，李 萧，邢 玉 屏.矿物质红外光谱图前言与 索引[M].沈阳：辽宁省地质局中心实验室，1982：编号 5.12