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基本介紹

貝殼(ke)（bèi ké）是(shi)生活在水(shui)邊軟(ruan)體動物(wu)的(de)外套(tao)殼(ke)，由軟(ruan)體動物(wu)的(de)一(yi)種特殊腺(xian)細胞的(de)分(fen)泌物(wu)所形成的(de)保護身體柔軟(ruan)部分(fen)的(de)鈣化物(wu)。

自然界中天然碳酸鈣礦物質相(xiang)比較，貝(bei)殼具(ju)有獨(du)特的(de)多尺度、多級次“磚－泥(ni)”組裝(zhuang)結 構(gou)，且因其多級層狀(zhuang)結構(gou)而(er)具(ju)有韌性好、強度高等優(you)良特性。

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

結構組成

基本結構

貝殼的微(wei)觀結構(gou)主要通過薄片法進行研究。

研究表明，貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)的基本結(jie)構(gou)主(zhu)要(yao)(yao)分(fen)(fen)為三部分(fen)(fen)，最外層(ceng)(ceng)是(shi)由硬質(zhi)蛋(dan)白組成(cheng)的角質(zhi)層(ceng)(ceng)；中間為方(fang)解石(shi)或文石(shi)晶體(ti)組成(cheng)的棱柱層(ceng)(ceng)，主(zhu)要(yao)(yao)為貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)提供硬度(du)和耐(nai)溶蝕性；最 內 層(ceng)(ceng) 為珍(zhen)珠層(ceng)(ceng)，主(zhu)要(yao)(yao)為貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)提供硬度(du)和韌(ren)性，一(yi)般(ban)由方(fang)解石(shi)或文石(shi)等CaCO3礦物(無機相(xiang))和有(you)(you)機質(zhi)(有(you)(you)機相(xiang))組成(cheng)。在地質(zhi)學意(yi)(yi)義(yi)上，貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)是(shi)化石(shi)中最常(chang)見的保存(cun)方(fang)式。他們通常(chang)用(yong)于確定地質(zhi)形成(cheng)的系統進化，地層(ceng)(ceng)的確切年(nian)代及貝(bei)(bei)類種群的分(fen)(fen)類。因(yin)此，貝(bei)(bei)殼(ke)(ke)的結(jie)構(gou)研究具有(you)(you)重要(yao)(yao)的意(yi)(yi)義(yi)。

貝(bei)殼通常利用7種(zhong)基(ji)本結構形成貝(bei)殼，其(qi)中交聯薄層、珍珠層和(he)棱柱層結構是最常見(jian)的(de)形式。盡管結構不(bu)同，但這些層主要由多晶硅陣(zhen)列構成。單一(yi)晶硅通常全部朝向(xiang)至少(shao)一(yi)個方向(xiang)，或者朝向(xiang)三個方向(xiang)。

每一個結晶(jing)通常(chang)在礦(kuang)物(wu)沉積前植入或(huo)者與有機(ji)質(zhi)相連。珍珠(zhu)層(ceng)的(de)結構和形成機(ji)制是(shi)貝類結構研究的(de)重要方面。

研究(jiu)發現(xian)珍(zhen)珠層有機質的(de)不可(ke)溶(rong)部(bu)(bu)分和可(ke)溶(rong)部(bu)(bu)分共同作(zuo)用，形成(cheng)了100%的(de)文(wen)石(shi)；不可(ke)溶(rong)部(bu)(bu)分(含有一定的(de)未脫凈的(de)可(ke)溶(rong)性部(bu)(bu)分)單獨作(zuo)用，形成(cheng)文(wen)石(shi)和方解(jie)石(shi)混(hun)合物;可(ke)溶(rong)部(bu)(bu)分單獨作(zuo)用，只形成(cheng)了方解(jie)石(shi)。

研究(jiu)認為在貝(bei)殼形(xing)成過程中，CaCO3晶型的(de)形(xing)成是由貝(bei)殼有(you)機質(zhi)的(de)可溶部分(fen)(fen)和(he)(he)不可溶部分(fen)(fen)共同作用。貝(bei)殼中每(mei)種基質(zhi)蛋白(bai)的(de)特性表明有(you)機質(zhi)和(he)(he)碳酸鈣之間的(de)關(guan)(guan)系復雜(za)多(duo)變(bian)作為天然復合材(cai)料，貝(bei)殼的(de)結構研究(jiu)受到廣(guang)泛關(guan)(guan)注，因為它(ta)們的(de)機械強(qiang)度(du)和(he)(he)脆性剛度(du)遠(yuan)高于任一單一物(wu)質(zhi)的(de)單純晶體。

各類貝殼的結構組成

不同種類貝(bei)殼的宏觀結構和組成既具(ju)有相似性又(you)具(ju)有特異 。

頭足(zu)綱(Cephalopoda)貝殼珍珠層文石結(jie)(jie)構(gou)多 為“磚-泥(ni)”式粘連結(jie)(jie)構(gou)(20～50nm)。

腹足(zu)綱(Gastropoda)貝(bei)殼排列(lie)規則的文石(shi)層的交錯結構與頭(tou)足(zu)綱貝(bei)殼差異(yi)較顯著。

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

研(yan)究發現雙殼類貝殼與其(qi)他(ta)品種貝殼的(de)晶體組成和排列方式(shi)不同(tong)。

因此，不(bu)同(tong)(tong)種貝(bei)殼(ke)(ke)的(de)(de)(de)角質層(ceng)(ceng)、棱(leng)柱(zhu)(zhu)層(ceng)(ceng)和珍(zhen)(zhen)珠層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)厚(hou)度也(ye)不(bu)同(tong)(tong)。貝(bei)殼(ke)(ke)三層(ceng)(ceng)結(jie)構的(de)(de)(de)排列連接(jie)方式(shi)決(jue)定了其外(wai)在(zai)結(jie)構特點。三角帆蚌(Hyriopsiscumingii)貝(bei)殼(ke)(ke)的(de)(de)(de)角質層(ceng)(ceng)、棱(leng)柱(zhu)(zhu)層(ceng)(ceng)和珍(zhen)(zhen)珠層(ceng)(ceng)在(zai)貝(bei)殼(ke)(ke)的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)(tong)位置存(cun)在(zai)相異性，且珍(zhen)(zhen)珠層(ceng)(ceng)中(zhong)文(wen)石片(pian)的(de)(de)(de)厚(hou)度從(cong)近棱(leng)柱(zhu)(zhu)端至貝(bei)殼(ke)(ke)內側面逐漸變大，棱(leng)柱(zhu)(zhu)層(ceng)(ceng)中(zhong)棒狀結(jie)構與角質層(ceng)(ceng)和珍(zhen)(zhen)珠層(ceng)(ceng)中(zhong)的(de)(de)(de)文(wen)石片(pian)呈近垂直交接(jie)。牡蠣殼(ke)(ke)不(bu)存(cun)在(zai)文(wen)石層(ceng)(ceng)結(jie)構，即不(bu)存(cun)在(zai)珍(zhen)(zhen)珠層(ceng)(ceng)，這也(ye)說明(ming)牡蠣難于形成(cheng)晶瑩皎(jiao)潔珍(zhen)(zhen)珠的(de)(de)(de)原(yuan)因。

溝(gou)腹綱(gang)(Solenogasters)和 尾腔綱(gang)(Caudofoveata)都(dou)沒有(you)貝(bei)殼(ke)(ke)，形態類(lei)似(si)蠕蟲；單板綱(gang)(Monoplacophora)貝(bei)殼(ke)(ke)單一，呈帽(mao)狀(zhuang)，其(qi)殼(ke)(ke)頂向前，腹方彎曲(qu)；掘足(zu)綱(gang)(Scaphopoda)貝(bei)殼(ke)(ke)呈牛角或象(xiang)牙狀(zhuang)，兩端開口，粗端為(wei)前。這三類(lei)都(dou)是(shi)貝(bei)類(lei)的原始型，其(qi)結構和組成相對(dui)簡單。

化學成分

研究(jiu)發現，貝殼的(de)形(xing)成(cheng)是一種生物礦化(hua)過程(cheng)，即以少量有(you)機大分子為模(mo)板(ban)進行分子操作，高度有(you)序地組合形(xing)成(cheng)有(you)機材料(liao)的(de)過程(cheng)。研究(jiu)表明，貝殼主要由(you)無(wu)機相(xiang)和有(you)機相(xiang)組成(cheng)，無(wu)機相(xiang)是約(yue)95～99.9%的(de)CaCO3(方解(jie)(jie)石(shi)、文石(shi)、球霰石(shi)及非晶(jing)(jing)型) ，相(xiang)同(tong)室溫條(tiao)件下，方解(jie)(jie)石(shi)是三(san)種晶(jing)(jing)型中最(zui)(zui)穩定的(de)形(xing)態，文石(shi)相(xiang)對(dui)穩 定，球霰石(shi)則最(zui)(zui)不穩定。

有(you)機(ji)相由約(yue)0.1～5%的有(you)機(ji)質(zhi)(蛋白質(zhi)、糖蛋白、多糖、幾(ji)丁質(zhi)和 脂質(zhi)等)組成，主要可(ke)(ke)以(yi)分(fen)(fen)為(wei)酸(suan)(suan)(水或EDTA)可(ke)(ke)溶(rong)(rong)性(xing)組分(fen)(fen)、酸(suan)(suan)不溶(rong)(rong)-變性(xing)劑可(ke)(ke)溶(rong)(rong)組分(fen)(fen)和酸(suan)(suan)不溶(rong)(rong)-變性(xing)劑不溶(rong)(rong)組分(fen)(fen)。

進一步研究表明，貝殼主要含(han)鈣、碳、氧、氫、鍶、鎂 等 元 素，其中鍶和鎂的含(han)量主要與貝的種類有關(guan)。

功能特性及利用

力學特性及利用

貝(bei)殼(ke)的(de)力學特性(xing)(xing)是其(qi)宏(hong)觀(guan)結(jie)(jie)構(gou)的(de)硬質(zhi)屬性(xing)(xing)和(he)微(wei)觀(guan)結(jie)(jie)構(gou)的(de)輔助屬性(xing)(xing)之間相(xiang)互作用的(de)宏(hong)觀(guan)表現。研究(jiu)發(fa)現，珍珠(zhu)層內部結(jie)(jie)構(gou)與人骨(gu)相(xiang)似，是由有機質(zhi)將納米(mi)級顆(ke)粒狀的(de)無(wu)機礦(kuang)物相(xiang)互連接形成(cheng)的(de)晶片狀結(jie)(jie)構(gou)，形成(cheng)有機質(zhi)和(he)無(wu)機質(zhi)的(de)橋(qiao)樣結(jie)(jie)構(gou)，即成(cheng)為具有良好(hao)力學特性(xing)(xing)的(de)珍珠(zhu)層結(jie)(jie)構(gou)。

貝殼(ke)的(de)力(li)(li)學(xue)(xue)特性(xing)主要受到裂紋偏轉、纖維撥(bo)出及(ji)有機質橋接作用的(de)影響(xiang)。貝殼(ke)正是在多種因 素、多維度(du)的(de)協(xie)同作用下，才表現出良好的(de)力(li)(li)學(xue)(xue)特性(xing)。因此，充分了解貝殼(ke)及(ji)其(qi)產物(wu)的(de)力(li)(li)學(xue)(xue)特性(xing)，有助于高級貝殼(ke)工藝(yi)品和貝殼(ke)粉基建筑(zhu)材料的(de)開發。

光學特性及利用

貝殼的(de)(de)(de)光學特性主要是由于(yu)貝殼的(de)(de)(de)微結構對光線的(de)(de)(de)反 射、干(gan) 涉(she)、衍射及特征波譜的(de)(de)(de)吸(xi)收特性。珍珠層(ceng)(ceng)(ceng)薄層(ceng)(ceng)(ceng)對光的(de)(de)(de)干(gan)涉(she)及層(ceng)(ceng)(ceng)與層(ceng)(ceng)(ceng)之間(jian)、文石片晶(jing)之間(jian)的(de)(de)(de)狹縫對光的(de)(de)(de)衍射形成了暈彩，珍珠層(ceng)(ceng)(ceng)表面的(de)(de)(de)暈彩和伴色(se)的(de)(de)(de)顏色(se)與珍珠層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)厚(hou)度及其變化(hua)有關，還與珍珠層(ceng)(ceng)(ceng)內文石晶(jing)體的(de)(de)(de)大小、形態、排列(lie)方式有關。

殼(ke)的內(nei)表面(mian)有(you)(you)以碳(tan)酸鈣為主的文(wen)石結構和(he)少量的有(you)(you)機(ji)質成分，它們在(zai)一定的波譜區域有(you)(you)特(te)征(zheng)吸收(shou)峰。因此，充分了(le)解貝(bei)殼(ke)及其產物的光學特(te)性(xing)，有(you)(you)助于貝(bei)殼(ke)產品檢測(ce)研究。

吸附特性及利用

貝(bei)殼(ke)(ke)吸(xi)附(fu)(fu)特性(xing)是由于(yu)其(qi)結構組織相(xiang)對(dui)疏松(song)，孔(kong)隙直徑相(xiang)對(dui)較大，孔(kong)隙分布廣而(er)均勻;貝(bei)殼(ke)(ke)粉的(de)(de)表(biao)面(mian)較大，吸(xi)附(fu)(fu) 效率(lv)高基于(yu)以(yi)上結構特性(xing)，貝(bei)殼(ke)(ke)和以(yi)貝(bei)殼(ke)(ke)為基質的(de)(de)功能(neng)材(cai)料(liao)在一定條件下(xia)可以(yi)實現對(dui)原油(you)、重(zhong)金屬、硫、染(ran)料(liao)、農藥殺菌(jun)劑等(deng)的(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)去除。貝(bei)殼(ke)(ke)粉可以(yi)作為催(cui)(cui)化劑載體吸(xi)附(fu)(fu)原油(you)。催(cui)(cui)化劑負載在貝(bei)殼(ke)(ke)粉表(biao)面(mian)較大的(de)(de)反(fan)(fan)應(ying)面(mian)積上面(mian)，增大了(le)自身與(yu)海(hai)面(mian)油(you)污的(de)(de)接(jie)觸面(mian)積，提高了(le)催(cui)(cui)化吸(xi)附(fu)(fu)反(fan)(fan)應(ying)的(de)(de)反(fan)(fan)應(ying)效率(lv)。

貝殼可(ke)以用于水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)領(ling)域，以貝殼作為羥基磷灰石的(de)鈣源可(ke)以吸附去除廢水中的(de)多種金屬。貝殼燃(ran)燒后的(de)產(chan)物(wu)(wu)可(ke)以用于脫(tuo)(tuo)硫(liu)處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)，因(yin)其(qi)顆粒(li)內部有更多的(de)氣孔表面參(can)與脫(tuo)(tuo)硫(liu)反(fan)應，反(fan)應過程中氣孔不(bu)易被脫(tuo)(tuo)硫(liu)產(chan)物(wu)(wu)阻塞，可(ke)以進行較(jiao)完全的(de)脫(tuo)(tuo)硫(liu)反(fan)應。此(ci)外，利用此(ci)特性，貝殼粉(fen)還可(ke)用于水處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)、染料、農(nong)藥殘留處(chu)(chu)(chu)理(li)(li)等領(ling)域。

生物相容性及利用

貝殼的生物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)主要是基于有機質(zhi)的生物(wu)活性(xing)組分(fen)。研究發現，貝殼有機基質(zhi)中(zhong)存在著能夠促(cu)(cu)進(jin)細胞(bao)成(cheng)骨分(fen)化(hua)(hua)的信號(hao)分(fen)子，這些(xie)信號(hao)因子能夠激活細胞(bao)堿(jian)性(xing)磷(lin)酸酶的活性(xing)，促(cu)(cu)進(jin)細胞(bao)成(cheng)骨分(fen)化(hua)(hua)過(guo)程中(zhong)某些(xie)特異性(xing)蛋白(bai)與(yu)基因的表(biao)達(da)，誘導(dao)細胞(bao)體(ti) 礦(kuang)化(hua)(hua)等，因而，珍珠層在體(ti)內環境(jing)中(zhong)表(biao)現出良好的生物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)。

研究(jiu)(jiu)發現人骨(gu)髓基(ji)質細(xi)胞(bao)在(zai)珍(zhen)珠層人骨(gu)材料(liao)上(shang)生(sheng)長并分泌細(xi)胞(bao)基(ji)質，珍(zhen)珠層-聚乳酸復合人工骨(gu)材料(liao)對(dui)骨(gu)髓基(ji)質細(xi)胞(bao)的增(zeng)值無明顯影響，表現出良(liang)好(hao)的生(sheng)物相(xiang)容(rong)(rong)性。因此(ci)，基(ji)于(yu)(yu)貝(bei)殼的生(sheng)物相(xiang)容(rong)(rong)性，可以用于(yu)(yu)貝(bei)殼基(ji)生(sheng)物材料(liao)的研究(jiu)(jiu)。

生物活性及利用

研(yan)究表(biao)明，貝殼(ke)含有多(duo)種生(sheng)物(wu)(wu)活性(xing)成(cheng)分(fen)。這些成(cheng)分(fen)一方面本身即(ji)具(ju)有較好的生(sheng)物(wu)(wu)活性(xing)，另(ling)一方面在加工提取過程中其(qi)微觀結構發(fa)生(sheng)了變化，激發(fa)了其(qi)生(sheng)物(wu)(wu)活性(xing)作用。

研(yan)究發現從(cong)扇貝(bei)殼(ke)(ke)中制取活(huo)性氧(yang)化(hua)鈣(gai)比(bi)普(pu)通氧(yang)化(hua)鈣(gai)具(ju)(ju)有(you)(you)更(geng)好的活(huo)性及(ji)更(geng)明顯(xian)的抑(yi)菌效果；利用廢(fei)棄貝(bei)殼(ke)(ke)制備生(sheng)物(wu)活(huo)性材料羥基磷灰石(shi)，采用水浴加熱法(fa)，以貝(bei)殼(ke)(ke)粉為(wei)原(yuan)料、磷酸氫(qing)二(er)氨為(wei)磷源(yuan)，尿素為(wei)添(tian)加劑，成(cheng)功制備出高純相(xiang)、尺寸均勻(yun)可(ke)(ke)控的納米帶狀羥基磷灰石(shi)；以貝(bei)殼(ke)(ke)為(wei)原(yuan)料在磷酸緩沖(chong)液中浸(jin)泡24小時，通過(guo)溶解-再結(jie)晶反應在貝(bei)殼(ke)(ke)表(biao)(biao)面沉積一層具(ju)(ju)有(you)(you)片狀結(jie)構的碳酸根型磷灰石(shi)，結(jie)果表(biao)(biao)明，制備的磷灰石(shi)具(ju)(ju)有(you)(you)優良(liang)的體外生(sheng)物(wu)活(huo)性；因此(ci)，基于(yu)貝(bei)殼(ke)(ke)及(ji)其組分的生(sheng)物(wu)活(huo)性，可(ke)(ke)以用于(yu)貝(bei)殼(ke)(ke)基生(sheng)物(wu)材料及(ji)生(sheng)物(wu)活(huo)性物(wu)質的研(yan)究。

此外，從貝殼(ke)(ke)結(jie)(jie)構出發，總結(jie)(jie)了國內外貝殼(ke)(ke)廢棄物的(de)資源化(hua)利(li)用技術(shu)；對比分析了貝殼(ke)(ke)粉和輕質碳酸(suan)鈣在改善手抄紙的(de)強度性能和手抄性能方面的(de)優勢；研究發現貝殼(ke)(ke)具有一定的(de)藥用價值，可以用于疾病的(de)治療；利(li)用菲律(lv)賓蛤仔殼(ke)(ke)粉為原料制備(bei)環(huan)保融雪劑。