在自然界中，碳酸钙是最常见的生物矿物之一，其含量大约占生物矿物的一半。例如贝壳中就存在着大量碳酸钙，这些以碳酸钙为主要成分的天然结构材料具有高强度高硬度等出色的力学性能。因此人们对于制备具有这种优异力学性能的仿生材料产生了极大的兴趣。由此可见理解生物矿化机理对于指导仿生材料的制备至关重要。近年来对碳酸钙矿化机理的研究取得了很多重大的进展，但是涉及分子水平上碳酸矿化过程中的确切结构以及基团运动的细微变化仍旧不清楚。红外光谱对细微的结构变化非常敏感，并且已被证明非常适合研究矿化过程。本工作使用红外光谱仪以原位的方式记录碳酸钙矿化过程的光谱变化。同时以二维相关光谱及其衍生技术（外扰相关移动窗口）为工具对红外光谱进行分析，来获得很难从一维光谱中获得的隐藏信息，从而在分子水平上理解该矿化过程。本论文的主要研究内容为：
　　研究粉末状的无定形碳酸钙（Amorphous Calcium Carbonate,ACC）在湿气诱导的情况下的结晶过程中的分子变化。本文先通过气相扩散法制备粉末状ACC，使用X射线衍射仪、环境扫描电子显微镜和热重分析仪等方法对制备的ACC进行表征，然后使用红外光谱仪原位跟踪恒定湿气条件下ACC的结晶过程。结合二维相关光谱和外扰相关移动窗口对红外光谱进行分析，整个结晶过程可以分为三个连续的阶段，首先是水合的ACC先失去其结构水并转化为无水的ACC，然后是无水的ACC逐渐转变为球文石，最后是球文石的生长过程。ACC结晶的驱动力为H2O···CO32-形成的氢键的断裂。在湿气诱导结晶过程中，碳酸根的弯曲振动比伸缩振动对水分子的渗透更敏感。同时发现制备的ACC样品中存在无水ACC微区，其波数高于球文石。
　　本工作还研究了聚电解质调控碳酸钙矿化的分子作用机制。通过使用红外光谱仪原位跟踪溶液中存在PAA的情况下的碳酸钙的矿化过程并使用外扰相关移动窗口对得到的红外光谱进行分析。分析发现碳酸钙的矿化过程为先形成文石（Polymer-Induced Liquid Precursor,PILP）后转变为球文石。整个过程可以分为三个连续的阶段，第一个阶段为PAA与Ca2+轻微交联后形成PILP相，这一过程中PAA与Ca2+的相互作用较弱，第二个阶段是PAA与Ca2+形成强交联作用的PILP相，这一过程中PAA与Ca2+的相互作用主要为COO-···Ca2+···COO-，部分PAA与Ca2+的结合方式为COO-···Ca2+···CO32-。最后一个阶段是PILP相转变为球文石的过程，这一过程中PAA与Ca2+解离，DCO3-被混杂在球文石晶体中一并沉积。在碳酸钙矿化过程中，v3a对PILP相向结晶相的转变过程更敏感，而v3b对离子形成PILP相的过程更敏感。