专利名称：中空碳酸钙方解石晶体的制备方法
技术领域：
本发明属于仿生合成领域，具体涉及利用聚P-苯甲基天门冬氨酸(Poly p-benzylL-aspartate，简称PBA) LB膜制备中空碳酸钙方解石晶体的方法。
背景技术：
碳酸钙作为一种重要的生物矿物， 一直是材料学家、生物学家、矿物学家以及医学家们 关注、研究的对象。碳酸钙具有多种晶型，比较稳定的有方解石和文石，在生物界中主要存 在于软体动物的外壳、鸟类的蛋壳当中另外还有球文石、无定型碳酸钙(ACC)等。在生物 体内，有机生物大分子的存在使得碳酸钙的几种热力学不稳定相得以存在，并且在生物体内 起着不同的作用。
碳酸钙在工业领域如涂料、塑料、造纸等许多领域有着广泛的应用。近年来，作为生物 矿化的主要无机体系之一，碳酸钙的体外研究成为了学界的热点人们使用生物提取或人工 合成的添加剂和模板，调控出了具有不同晶型以及特殊晶粒形貌的碳酸钙晶体；对有机-无机 界面诱导矿化的机理给出了更多原子水平上的分析和验证。研究生物矿化的机理能够为仿生 制备新材料提供理论依据和合成手段。诸多进展已经逐渐将生物矿化的研究带入了仿生的机 理模拟阶段。
LB技术是一种可以在分子水平上精确控制薄膜厚度的制膜技术，无论是从生物矿化、仿 生合成的角度还是从新材料、生物技术的角度来看，LB技术均不失为一种比较理想的技术。 利用LB技术进行生物矿化的模拟研究具有重要的理论价值和应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种利用聚P-苯甲基天门冬氨酸LB膜来制备中空碳酸钙方解石 晶体的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为 一种中空碳酸钙方解石晶体的制备方法， 该方法在无尘箱内进行，包括两个步骤1)将聚P-苯甲基天门冬氨酸溶于挥发性溶剂中制成 铺展液，然后将铺展液滴于去离子水亚相表面上，使聚p-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜， 保持一段时间以使溶剂挥发，然后开始压膜，目标表面压为19 21mN/m，达到目标压后将亚 相表面的单分子层转移到疏水基片上；2)提膜后的基片干燥后斜插入浓度为4.9 5.1mM的碳 酸氢钙溶液中使晶体生长20 28h，晶体生长温度控制在25士rC。
所述聚|3-苯甲基天门冬氨酸的分子量为13000~17000。
所述挥发性溶剂由氯仿和二氯乙酸混合而成，两者的体积比为16 19: 1;铺展液中聚卩-苯甲基天门冬氨酸的浓度为0.28~0.32mg/ml 。
每平方厘米的亚相表面铺展l 2pL所述的铺展液。 压膜速度大于0小于等于5mm/min。
所述步骤l)在常温常压下进行，压膜速度为3mm/min，目标表面压为20mN/m;达到目标压后保持一段时间至表面压稳定后再进行转移。
所述氯仿与二氯乙酸的体积比为17: 1，聚p-苯甲基天门冬氨酸溶液的浓度为0.3mg/ml。
压膜前保持30min以使溶剂挥发；达到目标压后保持5分钟以使表面压稳定，然后用垂直 提拉法进行转移，随后用氮气将提膜后的基片吹干。
每L碳酸氢钙溶液的制备方法为取0.0049 0.0051mol碳酸钙粉末，加去离子水至1L，通 入二氧化碳气体并搅拌，直到溶液清澈透明基片插入碳酸氢钙溶液中后，用保鲜膜将盛装 溶液的容器密封以减少溶剂水的挥发，并用针在保鲜膜上扎5 10个小孔。
所述的疏水基片是经过下述疏水处理的玻璃片玻璃基片依次在水、丙酮、乙醇、水中 用超声分别处理30min,取出用氮气吹干；然后放入新配制的90'CPiranha溶液中浸泡8 10h， 取出并用氮气吹干；然后置于盛有氟硅垸的15mL小烧杯中，加半滴水引发反应后用保鲜膜密 封烧杯并保持12h;取出后放入烘箱内在12(TC下烘lh。处理后的基片具有良好的疏水性能， 疏水角能达到104°。
对本发明的产物晶体进行X射线衍射分析，发现其唯一的衍射峰出现在29=29.36°处，对 应的是方解石晶体(104)晶面，沿(104)晶面生长的取向性十分明显。用扫描电镜对产物进行观 察，发现晶体形貌呈现比较规则的碟状，中部有一小孔，边缘清晰，尺寸比较均一，直径8nm 左右。晶体剖面扫描电镜图片显示本发明的产物方解石晶体为中空结构，内表面较粗糙呈颗 粒状，壳壁厚度约0.5^m。
图1是聚P-苯甲基天门冬氨酸(PBA)在纯水亚相上的表面压-面积等温曲线，从图中可以看 出，当压膜至表面压为20mN/m左右时，PBA单分子膜处在固相区。而当表面压为20mN/m时 PBA在云母基片上的原子力显微镜图像(如图2)显示，此时PBA分子排列均匀致密，在 3^mx3阿的范围内平均粗糙度为4.03nm，说明PBA此时还具有较好的成膜性能。本发明将目 标表面压控制在19 21mN/m,将这一条件下制得的聚P-苯甲基天门冬氨酸LB膜用于诱导碳酸 钙晶体生长，能够获得更多的中空方解石晶体。
本发明的方法对实验设备和条件要求较低，步骤简单，可操作性强，可重复性好，生产 成本容易控制，无论是在理论研究还是工业生产方面都具有巨大的价值。
图1是PBA在去离子水亚相上的表面压-面积等温曲线；
图2是压膜至表面压为20mN/m时，PBA在云母基片上的原子力显微镜图象； 图3是实施例1所得晶体的X射线衍射图谱；
图4是实施例1所得晶体的扫描电镜照片，图4-a、图4-b分别对应不同的放大倍数； 图5是实施例1所得晶体的剖面扫描电镜照片，图5-a、图5-b分别对应不同的放大倍数。
具体实施例方式
实施例1
中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，该方法在无尘箱内进行，包括两个步骤 1)取体积比为17: l的氯仿和二氯乙酸混合，将分子量为1300(M7000的聚P-苯甲基天门 冬氨酸溶于其中制成浓度为0.30mg/ml的铺展液。在去离子水亚相表面上每平方厘米滴l 2^iL铺展液，使聚P-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜。保持30min使溶剂挥发后开始以3mm/min 的速度压膜。目标表面压为20mN/m，达到目标压后保持5min使表面压稳定，然后用垂直提拉 法将去离子水亚相表面的单分子层转移到疏水基片上。
其中疏水基片通过如下处理方法获得玻璃基片依次在水、丙酮、乙醇、水中用超声分 别处理30min,取出用氮气吹干；然后放入新配制的90'CPiranha溶液中浸泡8h，取出并用氮气 吹干；然后置于盛有氟硅垸的15mL小烧杯中，加半滴水引发反应后用保鲜膜密封烧杯并保持 12h;取出后放入烘箱内在120'C下烘lh。处理后的基片具有良好的疏水性能，疏水角能达到 104°。
2)提膜后的基片用氮气吹干后斜插入浓度为5mM的碳酸氢钙溶液中使晶体生长24h，晶 体生长温度控制在25irC。基片插入碳酸氢钙溶液中后，用保鲜膜将盛装溶液的容器密封以 减少溶剂水的挥发，并用针在保鲜膜上扎6个小孔。
其中每L碳酸氢钙溶液的制备方法为取0.005mol碳酸钙粉末，加去离子水至1L,然后通 入二氧化碳气体并用搅拌机搅拌，直到溶液清澈透明。
对所得的晶体进行X射线衍射分析，图谱如图3所示，从图中可以看出其唯一的衍射峰出 现在29=29.36°处，对应的是方解石晶体(104)晶面，沿(104)晶面生长的取向性十分明显。用扫 描电镜对产物进行观察，如图4，图中晶体形貌呈现比较规则的碟状，中部有一小孔，边缘清 晰，尺寸均一，直径8nm左右。图5的晶体剖面扫描电镜图片显示，产物方解石晶体为中空结 构，内表面较粗糙呈颗粒状，壳壁厚度约0.5^111。 实施例2
中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，该方法在无尘箱内进行，包括两个步骤
1) 取体积比为16: l的氯仿和二氯乙酸混合，将分子量为13000-17000的聚P-苯甲基天门 冬氨酸溶于其中制成浓度为0.28mg/ml的铺展液。在去离子水亚相表面上每平方厘米滴l 2pL 铺展液，使聚P-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜。保持35min使溶剂挥发后开始以0.5mm/min 的速度压膜。目标表面压为19.7mN/m,达到目标压后一段时间以使表面压稳定，然后用垂直 提拉法将去离子水亚相表面的单分子层转移到疏水基片上。
其中疏水基片通过如下处理方法获得玻璃基片依次在水、丙酮、乙醇、水中用超声分 别处理30min,取出用氮气吹干；然后放入新配制的90'CPiranha溶液中浸泡10h，取出并用氮 气吹干；然后置于盛有氟硅烷的15mL小烧杯中，加半滴水引发反应后用保鲜膜密封烧杯并保 持12h;取出后放入烘箱内在120'C下烘lh。处理后的基片具有良好的疏水性能，疏水角能达 到104°。
2) 提膜后的基片用氮气吹干后斜插入浓度为5.05mM的碳酸氢转溶液中使晶体生长25h， 晶体生长温度控制在25士rc。基片插入碳酸氢钙溶液中后，用保鲜膜将盛装溶液的容器密封 以减少溶剂水的挥发，并用针在保鲜膜上扎7个小孔。
其中每L碳酸氢钙溶液的制备方法为取0.00505mol碳酸钙粉末，加去离子水至1L，然后 通入二氧化碳气体并用搅拌机搅拌，直到溶液清澈透明。
对产物晶体进行X射线衍射分析，发现其唯一的衍射峰出现在26=29.36°处，对应的是方解石晶体(104)晶面，沿(104)晶面生长的取向性十分明显。用扫描电镜对晶体颗粒进行观察， 发现晶体形貌呈现比较规则的碟状，中部有一小孔，边缘清晰，尺寸比较均一，直径8jxm左 右。晶体剖面扫描电镜图片显示其为中空结构，内表面较粗糙有颗粒状凸起，壳壁厚度约 0.5(xm。 实施例3
中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，该方法在无尘箱内进行，包括两个步骤
1) 常温常压下，取体积比为16.5: l的氯仿和二氯乙酸混合，将分子量为13000-17000的 聚P-苯甲基天门冬氨酸溶于其中制成浓度为0.29mg/ml的铺展液。在去离子水亚相表面上每平 方厘米滴l 2^iL铺展液，使聚P-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜。保持25min使溶剂挥发后 开始以lmm/min的速度压膜。目标表面压为19mN/m，达到目标压后保持4min使表面压稳定， 然后将去离子水亚相表面的单分子层转移到疏水基片上。
其中疏水基片通过如下处理方法获得玻璃基片依次在水、丙酮、乙醇、水中用超声分 别处理30min,取出用氮气吹干；然后放入新配制的卯'CPiranha溶液中浸泡9h，取出并用氮气 吹干；然后置于盛有氟硅垸的15mL小烧杯中，加半滴水引发反应后用保鲜膜密封烧杯并保持 12h;取出后放入烘箱内在120'C下烘lh。处理后的基片具有良好的疏水性能，疏水角能达到 104°。
2) 提膜后的基片用氮气吹干后斜插入浓度为5.1mM的碳酸氢钙溶液中使晶体生长22h， 晶体生长温度控制在25士rc。基片插入碳酸氢钙溶液中后，用保鲜膜将盛装溶液的容器密封 以减少溶剂水的挥发，并用针在保鲜膜上扎9个小孔。
其中每L碳酸氢钙溶液的制备方法为取0.0051mol碳酸钙粉末，加去离子水至1L，然后 通入二氧化碳气体并用搅拌机搅拌，直到溶液清澈透明。
对产物晶体进行X射线衍射分析，发现其唯一的衍射峰出现在29=29.36°处，对应的是方 解石晶体(104)晶面，沿(104)晶面生长的取向性十分明显。用扫描电镜对晶体颗粒进行观察， 发现晶体形貌呈现比较规则的碟状，中部有一小孔，边缘清晰，尺寸比较均一，直径8^im左 右。晶体剖面扫描电镜图片显示其为中空结构，内表面较粗糙有颗粒状凸起，壳壁厚度约 0.5|im。 实施例4
中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，该方法在无尘箱内进行，包括两个步骤
1)在室温下，取体积比为18: l的氯仿和二氯乙酸混合，将分子量为13000-17000的聚卩-苯甲基天门冬氨酸溶于其中制成浓度为0.31mg/ml的铺展液。在去离子水亚相表面上每平方厘 米滴l 2nL铺展液，使聚P-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜。保持28min使溶剂挥发后开始 以4mm/min的速度压膜。目标表面压为20.6mN/m，达到目标压后保持10min使表面压稳定， 然后用垂直提拉法将去离子水亚相表面的单分子层转移到疏水基片上。
其中疏水基片通过如下处理方法获得玻璃基片依次在水、丙酮、乙醇、水中用超声分 别处理30min，取出用氮气吹干；然后放入新配制的90'CPiranha溶液中浸泡8.5h，取出并用氮 气吹干；然后置于盛有氟硅烷的15mL小烧杯中，加半滴水引发反应后用保鲜膜密封烧杯并保持12h;取出后放入烘箱内在12(TC下烘lh。处理后的基片具有良好的疏水性能，疏水角能达 到104°。
2)提膜后的基片晾干后斜插入浓度为4.9mM的碳酸氢钙溶液中使晶体生长28h，晶体生 长温度控制在25士rc。基片插入碳酸氢钙溶液中后，用保鲜膜将盛装溶液的容器密封以减少 溶剂水的挥发，并用针在保鲜膜上扎5个小孔。
其中每L碳酸氢钙溶液的制备方法为取0.0049mol碳酸钙粉末，加去离子水至1L，然后 通入二氧化碳气体并用搅拌机搅拌，直到溶液清澈透明。
对产物晶体进行X射线衍射分析，发现其唯一的衍射峰出现在26=29.36°处，对应的是方 解石晶体(104)晶面，沿(104)晶面生长的取向性十分明显。用扫描电镜对晶体颗粒进行观察， 发现晶体形貌呈现比较规则的碟状，中部有一小孔，边缘清晰，尺寸比较均一，直径8nm左 右。晶体剖面扫描电镜图片显示其为中空结构，内表面较粗糙有颗粒状凸起，壳壁厚度约
实施例5
中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，该方法在无尘箱内进行，包括两个步骤
1) 取体积比为19: l的氯仿和二氯乙酸混合，将分子量为13000-17000的聚P-苯甲基天门 冬氨酸溶于其中制成浓度为0.32mg/ml的铺展液。在去离子水亚相表面上每平方厘米滴1 2^L 铺展液，使聚P-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜。保持40min使溶剂挥发后开始以5mm/min 的速度压膜。目标表面压为21mN/m，达到目标压后保持8min使表面压稳定，然后用垂直提拉 法将去离子水亚相表面的单分子层转移到疏水基片上。
其中疏水基片通过如下处理方法获得玻璃基片依次在水、丙酮、乙醇、水中用超声分 别处理30min，取出用氮气吹干；然后放入新配制的9(TCPiranha溶液中浸泡9.5,取出并用氮 气吹干；然后置于盛有氟硅垸的15mL小烧杯中，加半滴水引发反应后用保鲜膜密封烧杯并保 持12h;取出后放入烘箱内在120'C下烘lh。处理后的基片具有良好的疏水性能，疏水角能达 到104°。
2) 提膜后的基片晾干后斜插入浓度为5mM的碳酸氢钙溶液中使晶体生长20h，晶体生长 温度控制在25il'C。基片插入碳酸氢钙溶液中后，用保鲜膜将盛装溶液的容器密封以减少溶 剂水的挥发，并用针在保鲜膜上扎10个小孔。
其中每L碳酸氢钙溶液的制备方法为取0.005mol碳酸钙粉末，加去离子水至1L，然后通 入二氧化碳气体并用搅拌机搅拌，直到溶液清澈透明。
对产物晶体进行X射线衍射分析，发现其唯一的衍射峰出现在29=29.36°处，对应的是方 解石晶体(104)晶面，沿(104)晶面生长的取向性十分明显。用扫描电镜对晶体颗粒进行观察， 发现晶体形貌呈现比较规则的碟状，中部有一小孔，边缘清晰，尺寸比较均一，直径8^m左 右。晶体剖面扫描电镜图片显示其为中空结构，内表面较粗糙有颗粒状凸起，壳壁厚度约 0.5^im。
权利要求
1、一种中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，该方法在无尘箱内进行，包括两个步骤1)将聚β-苯甲基天门冬氨酸溶于挥发性溶剂中制成铺展液，然后将铺展液滴于去离子水亚相表面上，使聚β-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜，保持一段时间以使溶剂挥发，然后开始压膜，目标表面压为19～21mN/m，达到目标压后将亚相表面的单分子层转移到疏水基片上；2)提膜后的基片干燥后斜插入浓度为4.9～5.1mM的碳酸氢钙溶液中使晶体生长20～28h，晶体生长温度控制在25±1℃。
2、 根据权利要求1所述的中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，所述聚P-苯甲基 天门冬氨酸的分子量为13000-17000。
3、 根据权利要求2所述的中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，所述挥发性溶剂 由氯仿和二氯乙酸混合而成，两者的体积比为16~19: 1;铺展液中聚p-苯甲基天门冬氨酸 的浓度为0.28~0.32mg/ml。
4、 根据权利要求3所述的中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，每平方厘米的亚 相表面铺展l-2^L所述的铺展液。
5、 根据权利要求1或2或3或4所述的中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，压 膜速度大于0小于等于5mm/min。
6、 根据权利要求5所述的中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，所述步骤l)在 常温常压下进行，压膜速度为3mm/min，目标表面压为20mN/m;达到目标压后保持一段 时间至表面压稳定后再进行转移。
7、 根据权利要求6所述的中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，所述氯仿与二氯 乙酸的体积比为17: 1,聚l3-苯甲基天门冬氨酸溶液的浓度为0.3mg/ml。
8、 根据权利要求7所述的中空碳酸^方解石晶体的制备方法，其特征在于，压膜前保持30min 以使溶剂挥发；达到目标压后保持5分钟以使表面压稳定，然后用垂直提拉法进行转移， 随后用氮气将提膜后的基片吹干。
9、 根据权利要求8所述的中空碳酸铞方解石晶体的制备方法，其特征在于，每L碳酸氢钙溶 液的制备方法为取0.0049 0.0051mol碳酸钙粉末，加去离子水至1L，通入二氧化碳气 体并搅拌，直到溶液清澈透明；基片插入碳酸氢钙溶液中后，用保鲜膜将盛装溶液的容器 密封，并用针在保鲜膜上扎5 10个小孔。
10、 根据权利要求9所述的中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，其特征在于，所述的疏水基 片是经过下述疏水处理的玻璃片玻璃基片依次在水、丙酮、乙醇、水中用超声分别处理 30min,取出用氮气吹干；然后放入新配制的90'CPiranha溶液中浸泡8 10h,取出并用氮 气吹干；然后置于盛有氟硅烷的15mL小烧杯中，加半滴水引发反应后用保鲜膜密封烧杯 并保持12h;取出后放入烘箱内在12(TC下烘lh。
全文摘要
中空碳酸钙方解石晶体的制备方法，属仿生合成领域。该法在无尘箱内进行，包括两个步骤1)将聚β-苯甲基天门冬氨酸溶于挥发性溶剂中制成铺展液，然后将铺展液滴于去离子水亚相表面上，使聚β-苯甲基天门冬氨酸铺展成单分子膜，保持一段时间以使溶剂挥发，然后开始压膜，目标表面压为19～21mN/m，达到目标压后将亚相表面的单分子层转移到疏水基片上；2)提膜后的基片干燥后斜插入浓度为4.9～5.1mM的碳酸氢钙溶液中使晶体生长20～28h，晶体生长温度控制在25±1℃。产物经X射线衍射分析确认为方解石晶体；扫描电镜结果显示晶体呈规则的碟状且为中空结构。本发明对实验设备和条件要求较低，可操作性强，可重复性好。
文档编号C01F11/00GK101580261SQ200910065119
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者吴新志, 张兴堂, 戴树玺, 杜祖亮 申请人:河南大学