摘 要

本文在生物质与材料界面效应对结构形成过程的影响与调控、光系统和光电子与空穴应用于合成无机物质的人工光合反应、光合作用与生物矿化的耦合效应等方面，揭示新机制和规律、发现新现象，以此发展室温下的合成与制备技术，发展新结构和新材料。

论文主要研究了：1) 光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程；2) 光系统与生物矿化耦合条件下的晶体结构与形貌形成机制。

研究结果表明：1）光照产生的电子与空穴能辅助某些矿化反应（本文为二氧化钛前驱体转变为锐钛矿晶体）的室温进行；2）光照能在室温下改变某些生物矿物（本文为碳酸钙）的形貌。

本文的特色：设计和实现光合作用与生物矿化相结合的材料合成，为功能材料的室温合成提供新的思路和途径。

关键词：生物矿化；光合作用；室温合成

Abstract

In this paper, I study the influence and regulation of interfacial effect of biomass and material on structure forming process, the artificial photosynthetic reaction for inorganic fabrication induced by photosystem, electrons and holes, and the coupling effect of photosynthesis and biomineralization, we expect that new phenomena, mechanisms and rules will be found and revealed to create material synthesis and preparation techniques in room temperature, thus developing new structures and materials.

I find that photoelectron and hole can assist some mineralization reactions at room temperature, which in this paper is precursor of titanium dioxidersquo;s transforming into anatase crystal. And I find irradiation can change the microstructure of some biological minerals at room temperature, which in this paper is calcium carbonate.

Key Words：biomineralization；artificial photosynthesis；room temperature

目 录

第1章 绪论 1

1.1 生物矿化 2

1.2 光合作用 4

1.3 生物矿化与光合作用的结合 5

1.4 主要研究内容和意义 5

1.4.1 研究目的和意义 5

1.4.2 研究内容 6

第2章 实验方案设计 7

2.1 实验试剂及仪器 7

2.1.1 探究光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程实验试剂及仪器 7

2.1.2 探究光系统与生物矿化耦合条件下的晶体结构与形貌形成机制实验

试剂及仪器 8

2.2 表征测试方法 8

2.2.1 X射线衍射（XRD） 8

2.2.2 场发射扫描电子显微镜（FESEM） 9

2.2.3 透射电子显微镜（TEM） 9

第3章 实验过程 10

3.1 探究光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程实验 10

3.1.1 R5细菌的培养 10

3.1.2 R5细菌调控和光照耦合条件下的矿化 11

3.2 光系统与生物矿化耦合条件下的晶体结构与形貌形成机制实验 12

3.2.1 实验装置的设计 12

3.2.2 光系统对碳酸钙晶体结构与形貌形成机制实验 12

第4章 实验结果分析 14

4.1 探究光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程实验结果 14

4.1.1 实验1：光照时间不变改变染料浓度 14

4.1.2 实验2：光照时间不变引入空穴捕捉剂甲醇改变染料浓度 15

4.1.3 实验3：玫瑰红B和甲醇浓度不变时改变光照时间 17

4.2 光系统与生物矿化耦合条件下的晶体结构与形貌形成机制实验结果 19

4.2.1 实验1：染料浓度为变量时碳酸钙形貌的变化 19

4.2.2 实验2：光照时间为变量碳酸钙形貌的变化 22

第5章 结论与展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

大自然是奇妙而伟大的，自然物质的结构微妙而精确，其形成过程是长达数十亿年生物进化和自然选择的结果。通常，自然物质可以在室温下经过有机体生长发育完成精妙结构的形成过程，生长出美妙的微结构，依托其精妙的微结构进而得到独特的功能。然而，用现代工业方法合成制备具有类似性能的功能材料或结构材料往往需要高温等较苛刻条件或投入更多能量。自然物质精妙的结构形成过程值得学习，以发展材料的制备新技术。为此，研究学者受到来自自然的启发提出了一个新的研究方向“生物过程启示的制备技术 （Bioprocess-inspired fabrication）”^[1-7]。其中心思想和研究方法为“从自然结构的形成过程中找到灵感、得到启示，发展新的加工与合成技术”。如图1.1所示，“生物过程启示的制备技术”学习的是自然制造过程或者自然制造过程与生物结构的关系。

图1.1 “生物过程启示的制备技术”学习生物过程或生物过程与结构的关系^[1-7]

例如，通常来说陶瓷的烧结需要一千摄氏度及以上的高温才能实现，但自然生物过程在室温下便可完成，如图1.2所以。生物过程启示的制备技术有二个预期，一是通过学习生物制造过程，发展室温、或者较低温度下的材料加工与合成技术进而实现“绿色低碳合成”或“环境友好合成”；二是从生物结构形成过程中得到启迪，发展和提升目前的材料制备技术。

图1.2 几种高温合成和室温合成的举例

• 1. 生物矿化

自然界生物中存在着大量的无机矿物材料例如骨骼、牙齿、贝壳等，且各种无机矿物的化学成分多样，下表1.1列出了自然界中常见的生物矿物及其主要化学成分^[8]。下面以碳酸钙、二氧化硅和羟基磷灰石为例简要介绍这几种生物矿物。

表1.1 自然界中主要生物矿物

化学组成	俗名	实例
CaCO3	方解石	棘皮动物刺、珊瑚、乌龟壳等
CaCO3	文石	部分海洋生物、腕足动物、软体动物的外壳
CaMg(CO3)2	白云石	棘皮动物的牙齿
Ca5(PO4)3OH	羟基磷灰石	骨骼、牙齿、幼年软体动物的骨骼
MgCO3	菱镁矿	海绵的刺
SiO2·nH2O	硅石	藻类、海绵、马尾草（禾本科）等
CaC2O4·nH2O	草酸钙	仙人掌科、豆科、蔷薇科、葡萄科
Fe2O3/Fe3S4	/	趋磁细菌、降硫细菌

自然界中的碳酸钙主要有一水碳酸钙、六水碳酸钙、文石、球文石、方解石及无定型酸钙等六种不同晶型。贝壳珍珠层的主要成分是文石，占90%以上，主要形状是均匀的六边形，因为贝壳珍珠层中有机大分子的填充，其韧性是天然文石的3000倍。鸟类蛋壳力学性能优异，主要成分是方解石。

硅元素的储量在地球上极其丰富，其主要以化合物形式存在，其中二氧化硅（无定型）是许多生物矿物的存在形式，例如硅藻、海绵等海洋生物的骨架与外壳。这些生物矿物具有纳米到微米尺度的等级结构，使其具有优异的机械性能。

羟基磷灰石（HAP）是脊椎动物骨骼和牙齿的主要组成成分，人的牙齿牙釉质和骨骼中分别含有96%和69%的羟基磷灰石。因其良好的生物相容性、生物活性和传导作用，能制作成具有优异性能的硬组织替代材料^[9]。目前人工合成羟基磷灰石的方法主要有固相反应法、水热合成法、化学沉淀法、溶胶凝胶法等。

关于天然生物矿化的机理解释目前没有确定的结论，有机基质的参与主要起到了机械设计、稳定矿物、调控形核和空间组织的作用^[9]，最终形成有机/无机复合的生物结构。

生物矿化是一门从20世纪开始逐渐发展起来的学科，是指由生物体、有机体通过生物大分子的调控作用或直接参与反应来生成无机矿物的过程。它的研究内容包括生物矿物的矿化机制和形成过程等。研究学者们是在20世纪早期在研究“活组织所形成矿物”时，提出了生物矿化这个概念。例如在自然界中，所存在的骨骼、贝壳、牙齿、蟹壳等，都属于是生物矿化的产物^[10]，如图1.2。广泛学科领域的学者通过学科交叉，由生物学到化学，再到材料学，通过长期思考和设法模仿生物矿物的精细结构和独特的功能研究（如硅藻，贝壳，骨骼和牙齿），成功合成了大量的仿生材料或生物启发的独特结构和功能。

crab shell

shell

bone

tooth

图1.2 生物矿化形成的蚌壳、骨骼、蟹甲、牙齿

1.2 光合作用

光合作用是另一个重要的生物过程，能在室温下诱导和驱使有机物糖类的产生。绿色植物的自然光合作用由三个过程组成:两个光系统的采光和激发、电子传递和活性位点的氧化还原反应。在太阳照射下,光捕获器通过较复杂的生理反应吸收一个光子,能量会逐渐转移到反应中心的光系统Ⅰ(PSⅠ)、光系统Ⅱ(PSⅡ),引发一个激发态的电荷分离。PSⅠ的电子转移到氧化型辅酶Ⅱ（NADP ）逐步生成NADPH, PSⅠ的激发态被PSⅡ的电子还原。水在锰钙氧化物簇的催化下被氧化，释放的电子被转移以还原激发态PSⅡ。如图1.3所示，电子传递中间体可以很明显对光生电子和空穴起到分离的作用。这种精细的电子传递机制使其在最佳状态下的电荷分离效率几乎达到100%。这启发我们可以从光系统I和光系统II中学习,并利用从自然生物中提取出的光系统或模拟自然中的光系统的电子和（或）空穴来完成人工合成材料。

图1.3 自然光系统中的电子传递过程

如果陆生植物和水生的藻类和属于细菌类的蓝藻的光合作用被定义为自然光合作用,那么人工光合作用则被定义为是一个人为的过程：人为制造的如人工树叶、光电化学电池和光生物反应器等利用光合作用将光能源转化成化学能并存储于食品或燃料（例如H₂）中。由于自然光合作用效率低、环境条件的限制、海洋和湖泊中大量生物质难以获取等原因，无法满足人类社会的需求。所以人工光合作用是迷人的也是充满希望的，它是解决粮食、能源、环境或全球气候变化这三个紧迫问题的一大途径。

我们也可以从光合过程中找到灵感，利用自然和模拟光系统、以及光生电子和空穴，发展新的材料合成技术。目前，人工光合成的主要研究集中在水分解制氢、二氧化碳还原、固氮、有机物的合成等方面。 C. Li 等用 CdS 半导体模拟光系统Ⅰ、从植物中直接提取天然光系统Ⅱ，设计和组成了自然-人工杂化光合成系统，实现了水分解^[11]。K. Domen 等用 SrTiO3 模拟光系统Ⅰ、用 BiVO4 模拟光系统Ⅱ，设计和组成了人工光合成系统实现水分解，太阳能-氢能转换效率达到 1.1%，表观量子产率超过了 30%^[12]。 光合作用启示的无机物合成方面的研究工作还很少^[13-17]。 J. A. Seabold 等设计了图 9 所示的光合成系统，光激发BiVO4 形成带电空穴， Fe2 离子获得空穴在 BiVO4 表面合成 FeOOH^[17]。

1.3 生物矿化与光合作用的结合

目前已有一些关于利用人工光合作用制备无机材料的报道，但由于光生电子及空穴的能量较低，难以克服室温下晶体形成所需的活化能，阻碍了绝大部分无机材料的制备，导致光合作用启示的合成方法并未上升为一种常用无机材料的制备策略。另一方面，研究表明具有矿化能力的细胞或有机质，例如蛋白可通过晶格几何特征、极性、立体化学互补、空间对称性等特殊方式降低晶体成核的活化能，改变传统制备技术中需要温度的非生物材料的结晶途径，克服其势垒，从而实现非生物材料的低温或室温合成。因此，利用光能的辅助驱动力加快生物矿化过程，克服材料形成所需势垒，实现对结构的精细控制，从而提升材料的性能，是发展全新、高效的无机材料室温制备技术的有效策略。

光合作用与生物矿化相结合的合成与制备是一个全新的想法，自然界的生物矿化能够精确地控制过程而获得精细的晶体结构，但是合成和制造慢、效率低；人工光合反应已经用于分解水、还原 CO2、合成有机和无机化合物，但是人工光合反应难以企及生物矿化对晶体结构的精确控制；将光合作用与生物矿化相结合，光能辅助下的矿化过程是否加快？能否继续实现对结构的控制？这是一个有趣的研究思路，本设计将重点研究光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程，光系统与生物矿化耦合条件下的晶体结构与形貌形成机制。

1.4主要研究内容和意义

1.4.1 研究目的及意义

光合作用与生物矿化相结合的合成与制备是一个全新的想法，存在的影响因素多并且相互耦合干扰、关键过程参数不清楚、过程控制难。因此，本文从构建高水平的光合作用与生物矿化耦合效应下的材料新制备平台入手，并在此基础上充分研究光合矿化工艺特征，建立各因素控制手段，研究辨识影响光合作用下的生物矿化过程的关键控制环节，针对典型材料体系获得优化的光合矿化合成工艺，实现结构、功能材料的高效室温合成制备。

本文也将探索光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程，弄清光合作用与生物矿化的耦合效应对材料合成过程的影响规律、以及晶体结构与形貌形成机制，设计和实现光合作用与生物矿化相结合的材料合成，为功能材料的室温合成提供新的思路和途径。

1.4.2 研究内容

本设计将从光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程和光系统与生物矿化耦合条件下的晶体结构与形貌形成机制两个方面入手来探究光驱动下的矿化过程及机理。

（1）选取二氧化钛材料作为光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程的研究材料。加入染料玫瑰红B和甲醇再进行光照。光照时染料玫瑰红B可光降解自敏化产生光生电子和光生空穴，甲醇作为空穴捕捉剂促进化学反应平衡向正向进行。在二氧化钛前驱体量不变和光照时间恒定的情况下，通过改变染料浓度为变量做前期预实验，探究得出染料玫瑰红B的最佳浓度。再改变光照时间来探究其动力学过程。

（2）选取碳酸钙为光系统与生物矿化耦合条件下晶体结构与形貌形成机制的研究材料。加入染料玫瑰红B和甲醇再进行光照。光照时染料玫瑰红B可光降解自敏化产生光生电子和光生空穴，甲醇作为空穴捕捉剂促进化学反应平衡向正向进行。通过改变物料配比和光照时间来探究光照对碳酸钙晶体形貌的影响。