生物矿化是一个非常活跃的研究领域,正在引起人们越来越多的关注。以二氧化硅为基质的硅藻细胞壁,英文名为frustules,是生物体产生的纳米艺术品中最优秀的范例。这些华丽的外壳通常展现出高度分化的纳米级和微米级图案,这些图案是由孔有规则排列产生的。它们具有独特的形态和层次结构,迷人的机械性能和在许多领域中潜在的应用价值,并因此成为许多领域的研究热点。要想了解生物矿化,就需要对其内在的细胞和分子生物学过程进行研究。一方面,人们已经从硅藻细胞壁提取物中成功地分离并鉴定出多种有机和生物分子,如蛋白质、多糖、有机胺和脂质。另一方面,通过对硅藻细胞壁的系统研究,发现硅藻细胞壁的硅质结构是由零维纳米颗粒通过一维的绳状结构组装成具有孔排列的二维微米级图案。与此同时,还观察到一些有趣的结构细节。例如,在硅藻细胞壁发育早期,硅藻产生了拉长硅质结构,而且这些结构上具有局部膨胀的部位。另一个例子是在硅藻的网眼状孔隙形成以后,出现的网眼状孔隙壁的不对称发育。然而,很少有人知道它们的生长机制。本论文中,在仿生矿化条件下,采用几种不同的沉淀二氧化硅的方法,制备具有特定形貌的硅质矿物。然后,采用多种表征方法对所得产物进行分析,其中包括粉末X-射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、(高分辨)透射型电子显微镜(TEM和HRTEM),傅里叶变换红外光谱(FTIR),热重差热分析(TG-DTA),固态29Si核磁共振,动态光散射(DLS)以及氮气吸附脱附等温线等。基于上述检测结果,可以全面研究样品的组成、结构特征以及表面形貌。与此同时,我们也进行了各种单变量实验,以了解所添加的有机质对二氧化硅沉淀的影响。结果,我们针对不同的硅质结构(包括局部膨胀的拉长结构,碟状不对称结构,二维硅质筛板以及具有穿透孔的二氧化硅带)提出了相应的生长机制。因此,我们的研究结果可以为进一步了解生物硅化机制提供有用信息,并且展示出体外合成类似于生物成因二氧化硅形貌的硅质结构的可能性。下面对论文的主要内容进行简要描述。1.采用正硅酸四乙酯[TEOS, Si(OCH2CH3)4]为硅源,引入磷脂(PL)和十二胺(DA)为有机添加剂,研究这些添加剂对矿化过程中产生的二氧化硅形貌的影响。FESEM和TEM分析表明,在DA浓度不变的情况下,PL的加入会导致硅质拉长结构的出现。而PL浓度的进一步增大会导致拉长结构进一步生长,并出现局部膨胀现象,这些都展示出硅藻壳面发育早期的一些特征。另外,我们用无机氨替代有机胺,进行了一系列PL浓度不同的平行实验。但是并没有得到任何拉长结构,这表明拉长硅质结构的产生是在PL和DA分子协同作用情况下得到的。由于有机胺(例如,长链聚胺)和膜脂(例如,硅质膜鞘)在硅藻和海绵体内生物硅化过程的特殊重要性,我们的结果可能指示,膜脂参与了生物体内有机聚集体的形成,并因此而影响到胺诱导的二氧化硅沉积。2.以正硅酸四乙酯[TEOS, Si(OCH2CH3)4]为硅源,通过控制磷脂(PL)和十二胺(DA)等有机组元的相分离过程,影响二氧化硅的沉淀过程。结果显示,有机组元的相分离过程会导致不对称非球形二氧化硅结构的形成。而且,可以通过调节PL和DA的浓度来控制不对称结构的横纵比。在时间序列实验的基础上,我们尝试着提出了不对称二氧化硅形貌形成的机制。因此,相分离过程不仅与生物二氧化硅的多级多孔图案的产生有关,而且可能有利于硅质结构在特定方向上的分异生长。由于有机胺(例如,长链聚胺)、磷脂(例如,硅质膜鞘)以及相分离过程都与硅藻的生物硅化密切相关,当前结果可能拓展了对生物硅化的机制的了解。3.大孔多孔二氧化硅筛板(silica sieve plate, SSP)是硅藻壳面结构的重要特征。正电性的多肽natSil-lA和负电性的natSil-2形成的有机聚集体是形成硅藻硅质细胞壁的模板,而且富含羟基和羧基的natSil-2被认为是大孔多孔硅质结构形成过程中的调节剂。为了进一步了解这种生物二氧化硅筛板结构矿化机制,特别的选择阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDBS)和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)分别模拟正电性的多肽natSil-1A和负电性的多肽natSil-2,控制形成复合模板；以同时带有羧基和羟基的L-酒石酸模拟natSil-2结构中的羧基和羟基,调节硅化产物多空结构的形成。结果在阴、阳离子型表面活性剂复合模板和L-酒石酸调节剂存在下,一种类似生物硅藻壳面的二维二氧化硅筛板结构被成功地合成。同时,一系列不同浓度添加剂L-酒石酸存在下的实验结构揭示羟基和羧基共存的酒石酸分子对于SSPs的形成至关重要。因此,实验结果有助于加深对生物硅藻壳面大孔多孔二氧化硅筛板成因机制的了解。4.受生物硅化作用的启发,在L-(+)-酒石酸、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和NaSCN存在的情况下,我们得到了一种带有穿透孔的二氧化硅纳米带(silica ribbons with through-holes, SRTHs)。FESEM和TEM照片表明,这种SRTH结构是由小的球形颗粒组成的,穿透孔结构的出现是由于这些纳米颗粒的组装受限导致的。基于一系列的表征结果,我们全面讨论了SRTHs的形成机制。在合成过程中,预先制得的针状酒石酸钠晶体是带状二氧化硅沉积产生的硬模板。在NaSCN的协助下,阴离子表面活性剂SDBS在酒石酸盐晶体表面吸附,这对于穿透孔结构的形成至关重要。另外,我们通过进行时间序列实验,揭示了二氧化硅从颗粒到SRTH结构的生长过程。