·1618 工程科学学报，第39卷，第11期 近年来，生物矿物的特殊微观结构与其优异性能 文中鳞片的样品参考系以鳞片表面（自然面）为极图 之间的联系是诸多学者研究的热点“-习.晶体的微观 参考面，鳞片面内垂直于平分顶区和基区的线为参考 结构特征决定它的机械性能，对于天然生物材料中的 方向（也就是X射线光路的水平方向），鳍骨的样品参 矿化组织结构和矿化机理的充分认识，可以为仿生设 考系以截面为参考面，平分鳍骨截面的中线方向为参 计与合成具有特定结构和功能的材料和器件提供理论 考方向，主要目的是为了研究羟基磷灰石晶体相对于 依据四.织构是金属材料中晶体择优取向的表述，它 鳞片平面和鳍骨轴向的择优取向情况.测试仪器为帕 一直是材料科学研究中备受重视的课题之一可，研究 纳科公司生产的X'Pert Pro MPD型衍射仪，尤拉(Eul- 对象多集中在金属材料的织构类型与力学性能差异方 er)织构测试台，选用Cu靶，电压45kV,电流40mA,采 面圆.岩石中晶体的择优取向被称为组构，也可以用 用同心圆状步进扫描方式，由于测试过程样品在不断 来分析岩石的变形运动和变形机制·.生物矿物晶 倾斜和旋转，样品的位置和方向由两个角决定，一个是 体以肽链为模板，其成核、结晶形态和空间取向都是有 样品的倾角Psi,另一个是样品旋转的角Pi,因此，对 机质调控的结果回，某些生物矿物结构研究表明，生物 于样品，能够被测试的扫描范围设置为Psi=0°~66°， 矿物中的晶体存在择优取向特征@，这一特征与其力 Phi=0°~360°，步长△Psi=3°，△Phi=3°，计数时间5 学性能和生命活动息息相关.因此，研究矿物晶体择 s.将经过校正后的极图数据输入软件，用于推算鳞片 优取向特征是生物矿物微观结构特征的一个重要方 和鳍骨中羟基磷灰石的取向分布函数ODF. 面，也是制备仿生材料考虑的重要因素 2 研究晶体择优取向的技术手段有光学显微镜法 实验原理与结果 (费氏台)四、X射线衍射法☒、中子衍射法国和电子 2.1极图原理 背散射衍射法等4田.每种测试方法都有其优点和局 极图就是一种对于多晶几何体中某一矿物的一组 限性，其中，X射线衍射因其测量晶体种类多、自动化 选择的特定晶面()表明其极点密度随极点在样品 程度高和测试结果具备统计学意义图而成为探测金属 参考坐标系中的取向变化的极射赤平投影图网.在 织构和岩石中晶体优选方位的常用技术手段.通过X 选定了特定的晶面(kl)后，样品随样品台旋转而不断 射线衍射分析岩石中矿物优选方位的方法包括直接极 改变方位，如果样品中晶粒的排列存在一定的优选方 图法、反极图法和取向分布函数法(orientation distribu- 位，那么，当样品旋转到某一些方位时，由于适合反射 tion function,ODF)a.曾有研究采用直接极图法测定 条件的晶粒多，衍射线的强度将明显增加，而转到另一 贝壳珍珠层中文石的结晶学定向闭.虽然ODF在金 些方位时，衍射线强度将大大减小a,这样就将选定 属织构研究中已得到认可并获得广泛应用，但采用 晶面的方位与样品坐标系联系了起来.样品与仪器的 ODF分析生物矿物择优取向的研究还未见报道.而羟 相对位置及参考坐标系的建立如图1所示网，尤拉织 基磷灰石是人类和其他脊椎动物硬体组织中普遍存在 构测试台可以带动样品按一定方式在空间转动，图中 的生物矿物，鱼类是最古老也是取材最方便的研究对 样品所在平面为水平面，在测量过程中，测试台带动样 象，其鳞片和骨骼中矿物晶体的特殊结构提供了良好 品绕水平轴AA倾斜的同时，可以使其围绕随样品不 的机械性能确保生命活动正常进行.因此，笔者采用 断倾斜的表面法线方向ON旋转，其中，样品处于水平 X射线衍射技术，在不破坏样品结构的情况下获取鳞 位置时的代表倾角Psi=0°，之后随样品不断绕水平 片和骨骼中羟基磷灰石的极图并首次采用取向分布函 轴AA倾斜，倾角Psi逐渐增大，样品绕自身法线ON旋 数ODF分析其择优取向特征，希望能为生物矿化、结 转的起始方位(X射线光路的水平方向)为参考方向 晶学和材料学提供新的研究数据. Phi=0°. RD 1实验条件 1.1样品处理 试样1/ 实验选取海水鲈鱼腹部鳞片及靠近头部的第一 根背鳍骨，将新鲜完整鳞片(6mm×7mm)和有自然 断口截面的鳍骨(7mm)置于阴凉处，自然千燥后， 探测器 将鳞片平整贴于玻璃片上，用3M透明胶布包裹鳍 接受狭缝 骨截面边缘（胶布不产生衍射），以备X射线衍射 交叉狭缝 测试使用. X射线管 1.2测试条件 图1样品与仪器相对位置关系图四 采用常规反射法对鳞片和鳍骨截面进行测量，本 Fig.1 Relative location between the sample and instrument工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 近年来，生物矿物的特殊微观结构与其优异性能 之间的联系是诸多学者研究的热点［1--3］． 晶体的微观 结构特征决定它的机械性能，对于天然生物材料中的 矿化组织结构和矿化机理的充分认识，可以为仿生设 计与合成具有特定结构和功能的材料和器件提供理论 依据［4］． 织构是金属材料中晶体择优取向的表述，它 一直是材料科学研究中备受重视的课题之一［5］，研究 对象多集中在金属材料的织构类型与力学性能差异方 面［6］． 岩石中晶体的择优取向被称为组构，也可以用 来分析岩石的变形运动和变形机制［7--8］． 生物矿物晶 体以肽链为模板，其成核、结晶形态和空间取向都是有 机质调控的结果［9］，某些生物矿物结构研究表明，生物 矿物中的晶体存在择优取向特征［10］，这一特征与其力 学性能和生命活动息息相关． 因此，研究矿物晶体择 优取向特征是生物矿物微观结构特征的一个重要方 面，也是制备仿生材料考虑的重要因素． 研究晶体择优取向的技术手段有光学显微镜法 ( 费氏台) ［11］、X 射线衍射法［12］、中子衍射法［13］和电子 背散射衍射法等［14--15］． 每种测试方法都有其优点和局 限性，其中，X 射线衍射因其测量晶体种类多、自动化 程度高和测试结果具备统计学意义［8］而成为探测金属 织构和岩石中晶体优选方位的常用技术手段． 通过 X 射线衍射分析岩石中矿物优选方位的方法包括直接极 图法、反极图法和取向分布函数法( orientation distribu￾tion function，ODF) ［16］． 曾有研究采用直接极图法测定 贝壳珍珠层中文石的结晶学定向［17］． 虽然 ODF 在金 属织构研究中已得到认可并获得广泛应用，但采用 ODF 分析生物矿物择优取向的研究还未见报道． 而羟 基磷灰石是人类和其他脊椎动物硬体组织中普遍存在 的生物矿物，鱼类是最古老也是取材最方便的研究对 象，其鳞片和骨骼中矿物晶体的特殊结构提供了良好 的机械性能确保生命活动正常进行． 因此，笔者采用 X 射线衍射技术，在不破坏样品结构的情况下获取鳞 片和骨骼中羟基磷灰石的极图并首次采用取向分布函 数 ODF 分析其择优取向特征，希望能为生物矿化、结 晶学和材料学提供新的研究数据． 1 实验条件 1. 1 样品处理 实验选取海水鲈鱼腹部鳞片及靠近头部的第一 根背鳍骨，将新鲜完整鳞片( 6 mm × 7 mm) 和有自然 断口截面的鳍骨( 7 mm) 置于阴凉处，自 然 干 燥 后， 将鳞片平整贴于玻 璃 片 上，用 3M 透 明 胶 布 包 裹 鳍 骨截面边 缘( 胶 布 不 产 生 衍 射) ，以备 X 射 线 衍 射 测试使用． 1. 2 测试条件 采用常规反射法对鳞片和鳍骨截面进行测量，本 文中鳞片的样品参考系以鳞片表面( 自然面) 为极图 参考面，鳞片面内垂直于平分顶区和基区的线为参考 方向( 也就是 X 射线光路的水平方向) ，鳍骨的样品参 考系以截面为参考面，平分鳍骨截面的中线方向为参 考方向，主要目的是为了研究羟基磷灰石晶体相对于 鳞片平面和鳍骨轴向的择优取向情况． 测试仪器为帕 纳科公司生产的 X’Pert Pro MPD 型衍射仪，尤拉( Eul￾er) 织构测试台，选用 Cu 靶，电压 45 kV，电流 40 mA，采 用同心圆状步进扫描方式，由于测试过程样品在不断 倾斜和旋转，样品的位置和方向由两个角决定，一个是 样品的倾角 Psi，另一个是样品旋转的角 Phi，因此，对 于样品，能够被测试的扫描范围设置为 Psi = 0° ～ 66°， Phi = 0° ～ 360°，步长 ΔPsi = 3°，ΔPhi = 3°，计数时间 5 s． 将经过校正后的极图数据输入软件，用于推算鳞片 和鳍骨中羟基磷灰石的取向分布函数 ODF． 2 实验原理与结果 2. 1 极图原理 极图就是一种对于多晶几何体中某一矿物的一组 选择的特定晶面( hkl) 表明其极点密度随极点在样品 参考坐标系中的取向变化的极射赤平投影图［18］． 在 选定了特定的晶面( hkl) 后，样品随样品台旋转而不断 改变方位，如果样品中晶粒的排列存在一定的优选方 位，那么，当样品旋转到某一些方位时，由于适合反射 条件的晶粒多，衍射线的强度将明显增加，而转到另一 些方位时，衍射线强度将大大减小［16］，这样就将选定 晶面的方位与样品坐标系联系了起来． 样品与仪器的 相对位置及参考坐标系的建立如图 1 所示［19］，尤拉织 图 1 样品与仪器相对位置关系图［19］ Fig． 1 Ｒelative location between the sample and instrument 构测试台可以带动样品按一定方式在空间转动，图中 样品所在平面为水平面，在测量过程中，测试台带动样 品绕水平轴 AA'倾斜的同时，可以使其围绕随样品不 断倾斜的表面法线方向 ON 旋转，其中，样品处于水平 位置时的代表倾角 Psi = 0°，之后随样品不断绕水平 轴 AA'倾斜，倾角 Psi 逐渐增大，样品绕自身法线 ON 旋 转的起始方位( X 射线光路的水平方向) 为参考方向 Phi = 0°． · 8161 ·