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基本介紹

貝(bei)殼（bèi ké）是生(sheng)活在水邊軟體動(dong)物(wu)的外套殼，由軟體動(dong)物(wu)的一種(zhong)特殊(shu)腺(xian)細胞的分泌物(wu)所(suo)形成的保護(hu)身(shen)體柔軟部分的鈣(gai)化(hua)物(wu)。

自然(ran)界中天然(ran)碳酸鈣(gai)礦物質相比(bi)較(jiao)，貝殼具有獨特的多(duo)(duo)尺度、多(duo)(duo)級次“磚－泥(ni)”組裝(zhuang)結(jie) 構，且因其(qi)多(duo)(duo)級層狀(zhuang)結(jie)構而具有韌(ren)性(xing)好、強(qiang)度高等優(you)良特性(xing)。

貝(bei)殼由95%左(zuo)右的CaCO3和5%左(zuo)右的有機質組成。

結構組成

基本結構

貝(bei)殼的微觀(guan)結構主(zhu)要(yao)通過(guo)薄片法(fa)進行研究。

研究表明，貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)的基本結(jie)構(gou)主(zhu)要(yao)分為(wei)三(san)部分，最外層(ceng)是(shi)由硬(ying)質(zhi)蛋白組成的角質(zhi)層(ceng)；中間為(wei)方(fang)(fang)(fang)解石(shi)(shi)或文(wen)石(shi)(shi)晶體組成的棱柱層(ceng)，主(zhu)要(yao)為(wei)貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)提(ti)供硬(ying)度和(he)耐溶蝕性(xing)；最 內 層(ceng) 為(wei)珍珠層(ceng)，主(zhu)要(yao)為(wei)貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)提(ti)供硬(ying)度和(he)韌性(xing)，一般(ban)由方(fang)(fang)(fang)解石(shi)(shi)或文(wen)石(shi)(shi)等CaCO3礦物(wu)(無(wu)機(ji)相)和(he)有機(ji)質(zhi)(有機(ji)相)組成。在地(di)質(zhi)學意義(yi)上，貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)是(shi)化石(shi)(shi)中最常見的保存(cun)方(fang)(fang)(fang)式。他們通(tong)常用于確(que)定地(di)質(zhi)形(xing)成的系統進化，地(di)層(ceng)的確(que)切年代及貝(bei)(bei)類(lei)種群的分類(lei)。因此，貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)的結(jie)構(gou)研究具有重(zhong)要(yao)的意義(yi)。

貝殼通常(chang)利用7種基本結構形成貝殼，其中交聯薄層、珍(zhen)珠(zhu)層和棱柱層結構是最常(chang)見的形式(shi)。盡管結構不同，但這些層主要由多(duo)晶(jing)硅(gui)陣列構成。單一晶(jing)硅(gui)通常(chang)全部(bu)朝向(xiang)至少一個(ge)(ge)方(fang)向(xiang)，或(huo)者(zhe)朝向(xiang)三個(ge)(ge)方(fang)向(xiang)。

每一個結(jie)(jie)晶通(tong)常在(zai)礦物(wu)沉積前植入或者(zhe)與有機質相連。珍珠層(ceng)的結(jie)(jie)構(gou)和形成(cheng)機制是(shi)貝(bei)類(lei)結(jie)(jie)構(gou)研究(jiu)的重要(yao)方面。

研(yan)究發(fa)現珍(zhen)珠層有機質的(de)(de)不可(ke)(ke)溶(rong)(rong)部(bu)(bu)分和可(ke)(ke)溶(rong)(rong)部(bu)(bu)分共同作用，形(xing)成了100%的(de)(de)文(wen)石(shi)；不可(ke)(ke)溶(rong)(rong)部(bu)(bu)分(含有一定的(de)(de)未脫凈的(de)(de)可(ke)(ke)溶(rong)(rong)性部(bu)(bu)分)單(dan)獨作用，形(xing)成文(wen)石(shi)和方(fang)解(jie)石(shi)混合物(wu);可(ke)(ke)溶(rong)(rong)部(bu)(bu)分單(dan)獨作用，只(zhi)形(xing)成了方(fang)解(jie)石(shi)。

研(yan)究認(ren)為(wei)在(zai)貝(bei)(bei)(bei)殼(ke)形成過程中，CaCO3晶(jing)型的(de)(de)(de)(de)形成是由貝(bei)(bei)(bei)殼(ke)有(you)(you)機(ji)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)可溶部分和不可溶部分共同作用。貝(bei)(bei)(bei)殼(ke)中每(mei)種基質(zhi)蛋白的(de)(de)(de)(de)特(te)性表明有(you)(you)機(ji)質(zhi)和碳酸鈣之間的(de)(de)(de)(de)關系復(fu)雜多變作為(wei)天然復(fu)合材(cai)料，貝(bei)(bei)(bei)殼(ke)的(de)(de)(de)(de)結構研(yan)究受(shou)到廣泛關注，因為(wei)它(ta)們的(de)(de)(de)(de)機(ji)械強度(du)和脆(cui)性剛(gang)度(du)遠高于任一(yi)單一(yi)物質(zhi)的(de)(de)(de)(de)單純晶(jing)體。

各類貝殼的結構組成

不同種類貝殼的宏觀結構和組成(cheng)既具有(you)相似性又(you)具有(you)特異(yi) 。

頭(tou)足綱(Cephalopoda)貝(bei)殼珍珠(zhu)層文石結(jie)構(gou)多 為“磚-泥”式粘(zhan)連結(jie)構(gou)(20～50nm)。

腹足(zu)綱(gang)(Gastropoda)貝殼排列(lie)規則的(de)文石層(ceng)的(de)交錯(cuo)結構與頭足(zu)綱(gang)貝殼差異(yi)較顯著(zhu)。

鰓綱(gang)(Lamellibranchia) (雙殼類)的殼，其微觀結構(gou)比頭足綱(gang)和腹足綱(gang)更加復雜。

研究發現雙殼(ke)類貝(bei)殼(ke)與其(qi)他品種貝(bei)殼(ke)的晶體(ti)組成(cheng)和排列方(fang)式不同。

因此，不同種貝殼(ke)的(de)(de)角質層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)、棱柱(zhu)(zhu)(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)厚(hou)度也(ye)不同。貝殼(ke)三層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結構(gou)的(de)(de)排列連接方式決定(ding)了其外在結構(gou)特點。三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)貝殼(ke)的(de)(de)角質層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)、棱柱(zhu)(zhu)(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)在貝殼(ke)的(de)(de)不同位置存在相異(yi)性(xing)，且珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)文石片的(de)(de)厚(hou)度從(cong)近棱柱(zhu)(zhu)(zhu)端(duan)至(zhi)貝殼(ke)內(nei)側面逐漸變大，棱柱(zhu)(zhu)(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)棒(bang)狀結構(gou)與角質層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)中(zhong)的(de)(de)文石片呈近垂直交(jiao)接。牡(mu)蠣殼(ke)不存在文石層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)結構(gou)，即不存在珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)，這也(ye)說明(ming)牡(mu)蠣難于形成晶瑩皎(jiao)潔珍(zhen)(zhen)珠(zhu)的(de)(de)原因。

溝腹綱(Solenogasters)和 尾腔綱(Caudofoveata)都沒有貝殼，形(xing)態類(lei)似蠕蟲；單(dan)(dan)板綱(Monoplacophora)貝殼單(dan)(dan)一，呈(cheng)帽狀(zhuang)，其(qi)殼頂(ding)向前，腹方(fang)彎(wan)曲；掘(jue)足綱(Scaphopoda)貝殼呈(cheng)牛角或象牙狀(zhuang)，兩端(duan)開口，粗端(duan)為前。這三類(lei)都是(shi)貝類(lei)的原始型，其(qi)結構(gou)和組成相對簡(jian)單(dan)(dan)。

化學成分

研究發現，貝殼的(de)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)是一種生物礦化過程(cheng)，即以少量有(you)機大分(fen)子為模板進行(xing)分(fen)子操作，高度有(you)序地組(zu)合形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)有(you)機材料的(de)過程(cheng)。研究表明，貝殼主(zhu)要由無機相和有(you)機相組(zu)成(cheng)(cheng)，無機相是約95～99.9%的(de)CaCO3(方(fang)解(jie)石、文石、球霰石及非晶型(xing)) ，相同室溫條(tiao)件(jian)下，方(fang)解(jie)石是三(san)種晶型(xing)中最(zui)穩(wen)定(ding)的(de)形(xing)(xing)(xing)態，文石相對穩(wen) 定(ding)，球霰石則(ze)最(zui)不穩(wen)定(ding)。

有機(ji)相由約0.1～5%的有機(ji)質(蛋白質、糖蛋白、多糖、幾丁質和 脂質等(deng))組成，主(zhu)要可(ke)以分為酸(水或(huo)EDTA)可(ke)溶(rong)性組分、酸不(bu)(bu)溶(rong)-變(bian)(bian)性劑(ji)可(ke)溶(rong)組分和酸不(bu)(bu)溶(rong)-變(bian)(bian)性劑(ji)不(bu)(bu)溶(rong)組分。

進(jin)一(yi)步研(yan)究(jiu)表(biao)明，貝殼主要含(han)鈣、碳、氧、氫、鍶、鎂 等 元 素，其(qi)中鍶和(he)鎂的(de)含(han)量主要與貝的(de)種類(lei)有關(guan)。

功能特性及利用

力學特性及利用

貝殼的(de)力學特(te)性(xing)(xing)是其宏觀(guan)結(jie)(jie)構(gou)的(de)硬質屬(shu)性(xing)(xing)和微觀(guan)結(jie)(jie)構(gou)的(de)輔助屬(shu)性(xing)(xing)之間(jian)相(xiang)互作用的(de)宏觀(guan)表現。研究發現，珍珠(zhu)層(ceng)內部結(jie)(jie)構(gou)與人骨相(xiang)似，是由有機(ji)(ji)質將(jiang)納米級(ji)顆(ke)粒狀的(de)無機(ji)(ji)礦物(wu)相(xiang)互連接形成(cheng)的(de)晶片狀結(jie)(jie)構(gou)，形成(cheng)有機(ji)(ji)質和無機(ji)(ji)質的(de)橋樣(yang)結(jie)(jie)構(gou)，即成(cheng)為(wei)具(ju)有良好(hao)力學特(te)性(xing)(xing)的(de)珍珠(zhu)層(ceng)結(jie)(jie)構(gou)。

貝殼(ke)的(de)(de)力(li)學特(te)性主要受到裂紋偏轉、纖維撥(bo)出及有(you)機質橋接作用(yong)的(de)(de)影響。貝殼(ke)正是在多種因 素、多維度的(de)(de)協同作用(yong)下(xia)，才表(biao)現(xian)出良好(hao)的(de)(de)力(li)學特(te)性。因此，充分(fen)了解(jie)貝殼(ke)及其產(chan)物的(de)(de)力(li)學特(te)性，有(you)助于高(gao)級(ji)貝殼(ke)工藝品和貝殼(ke)粉基建筑材料的(de)(de)開發。

光學特性及利用

貝殼(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)學特(te)(te)性主要是由于貝殼(ke)的(de)(de)(de)(de)(de)微結構對光(guang)線的(de)(de)(de)(de)(de)反 射、干 涉(she)、衍射及(ji)特(te)(te)征波譜(pu)的(de)(de)(de)(de)(de)吸收特(te)(te)性。珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)薄(bo)層(ceng)(ceng)對光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)干涉(she)及(ji)層(ceng)(ceng)與(yu)層(ceng)(ceng)之(zhi)間(jian)、文石片晶之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)狹縫對光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)衍射形成了暈(yun)彩，珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)表面的(de)(de)(de)(de)(de)暈(yun)彩和伴色的(de)(de)(de)(de)(de)顏色與(yu)珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)厚(hou)度及(ji)其變化(hua)有(you)關，還與(yu)珍(zhen)(zhen)珠(zhu)層(ceng)(ceng)內(nei)文石晶體的(de)(de)(de)(de)(de)大小、形態、排(pai)列方式(shi)有(you)關。

殼(ke)(ke)的(de)(de)內(nei)表面有以碳酸鈣為主(zhu)的(de)(de)文(wen)石(shi)結構(gou)和少量(liang)的(de)(de)有機質成分，它們在(zai)一定的(de)(de)波譜區域有特征吸(xi)收峰。因(yin)此，充分了解貝(bei)殼(ke)(ke)及其產(chan)物(wu)的(de)(de)光學特性，有助于貝(bei)殼(ke)(ke)產(chan)品檢測研究。

吸附特性及利用

貝(bei)殼(ke)(ke)吸(xi)(xi)附特(te)性是(shi)由于其(qi)結構組(zu)織(zhi)相對(dui)疏松，孔隙直徑相對(dui)較大，孔隙分(fen)布廣而(er)均(jun)勻;貝(bei)殼(ke)(ke)粉(fen)的(de)(de)(de)(de)表面(mian)較大，吸(xi)(xi)附 效率高(gao)基于以上結構特(te)性，貝(bei)殼(ke)(ke)和以貝(bei)殼(ke)(ke)為基質(zhi)的(de)(de)(de)(de)功(gong)能材料在一定條(tiao)件(jian)下可(ke)以實現對(dui)原油(you)、重金(jin)屬(shu)、硫、染料、農藥殺菌劑(ji)等的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附去除。貝(bei)殼(ke)(ke)粉(fen)可(ke)以作為催(cui)化(hua)劑(ji)載(zai)體(ti)吸(xi)(xi)附原油(you)。催(cui)化(hua)劑(ji)負(fu)載(zai)在貝(bei)殼(ke)(ke)粉(fen)表面(mian)較大的(de)(de)(de)(de)反(fan)應(ying)面(mian)積(ji)上面(mian)，增大了自身與海面(mian)油(you)污的(de)(de)(de)(de)接觸面(mian)積(ji)，提高(gao)了催(cui)化(hua)吸(xi)(xi)附反(fan)應(ying)的(de)(de)(de)(de)反(fan)應(ying)效率。

貝殼可(ke)以用(yong)于水(shui)處(chu)理領域，以貝殼作為羥基(ji)磷(lin)灰(hui)石的(de)鈣源可(ke)以吸附去(qu)除廢(fei)水(shui)中的(de)多種金屬。貝殼燃燒后的(de)產(chan)物可(ke)以用(yong)于脫硫處(chu)理，因其顆(ke)粒內部有更多的(de)氣孔表面參(can)與脫硫反應，反應過程中氣孔不(bu)易被(bei)脫硫產(chan)物阻塞，可(ke)以進行(xing)較(jiao)完全的(de)脫硫反應。此(ci)外，利用(yong)此(ci)特性，貝殼粉還可(ke)用(yong)于水(shui)處(chu)理、染料(liao)、農藥(yao)殘留(liu)處(chu)理等領域。

生物相容性及利用

貝(bei)殼的(de)生物(wu)相容性(xing)(xing)主要是基于有(you)機質的(de)生物(wu)活性(xing)(xing)組分。研究發現，貝(bei)殼有(you)機基質中(zhong)存在著能夠促進細胞(bao)(bao)(bao)成骨分化(hua)的(de)信號分子(zi)，這些(xie)信號因(yin)子(zi)能夠激(ji)活細胞(bao)(bao)(bao)堿性(xing)(xing)磷酸酶的(de)活性(xing)(xing)，促進細胞(bao)(bao)(bao)成骨分化(hua)過(guo)程中(zhong)某些(xie)特異性(xing)(xing)蛋(dan)白與(yu)基因(yin)的(de)表(biao)達，誘導細胞(bao)(bao)(bao)體 礦化(hua)等(deng)，因(yin)而，珍珠層在體內環境(jing)中(zhong)表(biao)現出良好的(de)生物(wu)相容性(xing)(xing)。

研(yan)究發現人(ren)骨(gu)髓基(ji)(ji)質(zhi)細胞(bao)在珍珠(zhu)(zhu)層人(ren)骨(gu)材料上生長并分泌細胞(bao)基(ji)(ji)質(zhi)，珍珠(zhu)(zhu)層-聚乳酸復(fu)合人(ren)工骨(gu)材料對(dui)骨(gu)髓基(ji)(ji)質(zhi)細胞(bao)的(de)(de)增值(zhi)無(wu)明(ming)顯影響，表(biao)現出良(liang)好的(de)(de)生物相容性。因此，基(ji)(ji)于貝(bei)(bei)殼(ke)的(de)(de)生物相容性，可(ke)以用于貝(bei)(bei)殼(ke)基(ji)(ji)生物材料的(de)(de)研(yan)究。

生物活性及利用

研究(jiu)表明，貝殼含(han)有(you)多種生物活性成分(fen)。這些成分(fen)一方面本身即具(ju)有(you)較(jiao)好的生物活性，另一方面在加工提取過程中(zhong)其微觀(guan)結(jie)構發(fa)生了變化，激(ji)發(fa)了其生物活性作用。

研(yan)究(jiu)發現從扇貝(bei)(bei)殼中制(zhi)取活性(xing)氧(yang)化鈣比普通氧(yang)化鈣具有更好的(de)(de)(de)活性(xing)及更明(ming)顯的(de)(de)(de)抑菌效果；利(li)用廢棄貝(bei)(bei)殼制(zhi)備生(sheng)物活性(xing)材料羥基(ji)磷(lin)(lin)灰(hui)石(shi)，采用水浴(yu)加熱法，以貝(bei)(bei)殼粉(fen)為原(yuan)料、磷(lin)(lin)酸氫二(er)氨為磷(lin)(lin)源，尿素為添加劑，成功制(zhi)備出高純相(xiang)、尺寸均勻可(ke)控的(de)(de)(de)納(na)米帶(dai)狀羥基(ji)磷(lin)(lin)灰(hui)石(shi)；以貝(bei)(bei)殼為原(yuan)料在(zai)磷(lin)(lin)酸緩沖液(ye)中浸(jin)泡24小(xiao)時(shi)，通過溶解-再結晶反(fan)應在(zai)貝(bei)(bei)殼表面沉(chen)積(ji)一層具有片狀結構的(de)(de)(de)碳(tan)酸根型(xing)磷(lin)(lin)灰(hui)石(shi)，結果表明(ming)，制(zhi)備的(de)(de)(de)磷(lin)(lin)灰(hui)石(shi)具有優良的(de)(de)(de)體外生(sheng)物活性(xing)；因此，基(ji)于(yu)貝(bei)(bei)殼及其組分的(de)(de)(de)生(sheng)物活性(xing)，可(ke)以用于(yu)貝(bei)(bei)殼基(ji)生(sheng)物材料及生(sheng)物活性(xing)物質的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)。

此(ci)外(wai)，從貝殼(ke)(ke)結(jie)構(gou)出發，總結(jie)了國內外(wai)貝殼(ke)(ke)廢(fei)棄(qi)物的資源化利用(yong)(yong)技術；對比(bi)分析(xi)了貝殼(ke)(ke)粉(fen)和(he)輕質碳(tan)酸鈣(gai)在改善手(shou)抄(chao)紙的強度性能和(he)手(shou)抄(chao)性能方面(mian)的優勢；研(yan)究發現(xian)貝殼(ke)(ke)具(ju)有一定的藥用(yong)(yong)價(jia)值(zhi)，可以用(yong)(yong)于疾病的治(zhi)療；利用(yong)(yong)菲律(lv)賓(bin)蛤仔殼(ke)(ke)粉(fen)為原料(liao)制備(bei)環保(bao)融雪劑。