研究·背景
碳酸钙被许多⽆脊椎动物⽤于⽣物矿化。⽣物矿物中的有机材料可稳定⽆定形碳酸钙(ACC)。调查⽣物矿物的形成需要分析 ACC。
X 射线吸收近边缘结构 (XANES) 分析⽤于检查ACC溶液中 Ca 的化学形式。光谱表明，在含有8 个磷酸盐和镁离⼦的溶液中，Ca以 ACC 的形式存在。Ca 9 K-edge XANES 分析可⽤于在⼤⽓条件下识别溶液中的 ACC。
各种⽣物体产⽣含有钙的⽣物矿物，已知⼀些⽆脊椎动物和藻类主要产⽣ CaCO3。⽣物矿物中的CaCO3产⽣的这些微观结构由少数有机分⼦控制。
CaCO3 有⼏种晶型。⽅解⽯在常温常压下最稳定，⽂⽯是亚稳态，球霰⽯不稳定。最近，对CaCO3结晶的研究集中在⽆定形碳酸钙 (ACC)纳⽶团簇上，这是形成和⽣⻓其他种多晶型物的初始阶段。
ACC前体的⼤⼩、形状和⽔合状态调节碳酸钙的结晶。ACC 纳⽶颗粒与有机分⼦之间的相互作⽤会影响ACC 结晶过程中CaCO3晶体的形成和⽅向。
然⽽，详细的相互作⽤机制尚未确定。为了了解 ACC 与有机分⼦之间的相互作⽤，我们尝试在溶液中合成 ACC 纳⽶粒⼦并确定ACC相。使⽤ X 射线衍射和红外光谱法鉴定 ACC 相已有报道。
ACC 含有许多⽔分⼦，需要潮湿条件、室温和⼤⽓压⼒，以避免形成CaCO3晶体。然⽽，在这些测量过程中很难保持⾜够的⽔合作⽤。
此外，在整个测量过程中必须保持 ACC 纳⽶粒⼦的⼤⼩；⽣物矿化初始阶段形成的ACC是纳⽶颗粒或簇，⽽不是⼤块聚集体。
只有当ACC 粒径保持在纳⽶级⽔平时，才能分析 ACC 与有机分⼦之间的相互作⽤。然⽽，从⽤于 X 射线衍射或红外光谱测量的溶液中纯化纳⽶ ACC 具有挑战性。
研究 · 内容
钙 L 边缘 X 射线吸收精细结构 (XAFS) ⼤约 348-354 eV 已⽤于识别 CaCO3多晶型物，然⽽，软 X 射线测量需要真空条件或 He 吹扫环境以避免 X 射线被空⽓和⽔吸收。
因此，在测量过程中 ACC 样品中可能会产⽣伪影。XAFS的Ca K-edge 53也⽤于测量溶液的光谱，因为更硬的 X 射线（约 4 keV）⽐Ca L-edge 的（约 350 eV）更能穿透⽔和空⽓。
据报道，Ca K 边 X 射线吸收近边结构 (XANES) 可⽤于识别⽅解⽯、⽂⽯和球霰⽯多晶型物。
然⽽，他们没有测量 ACC。在此，通过⽐较⼤体积 ACC与其他 CaCO3晶体和 Ca 离⼦溶液Ca K 边 XANES 光谱， 研究了 ACC 的特征吸收。
使⽤ Ca K边缘 XANES 光谱分析溶液中合成的纳⽶ ACC 。500mM CaCl2和 500 mM CaNO3溶液由市售的 CaCl2和 CaNO3 66粉末试剂（⽇本⼤阪和光）制备⽽成。
准备了市售CaCO3 (Wako) 和 Iceland Spar，并使⽤杵和研钵将研磨成细粉。Pinctada fucata的69棱柱层包含纯⽅解⽯，因此，从壳上切下该层并使⽤研杵和研钵研磨。
来⾃摩洛哥的⽂⽯矿物被研磨并制备了三种⼤体积 ACC（Si-ACC、DC-ACC 和 P-ACC）。通过在 4°C 下混合50mM CaCl2 (Wako)、50 mM Na2CO3 (Wako) 和 15 mM Na2SiO3 (Wako) 10 秒来制备 Si-ACC 溶液。
过滤沉淀物并使⽤⼄醇洗涤，然后在室温下mM 碳⼲酸燥。⼆通甲过酯 在(Wako) 室温下将 和12.5mM mM NaOH CaCl2、(Wako) 62.5 混合 150 秒来制备 DC-ACC 溶液。将沉淀离⼼，⽤丙酮洗涤3次81次，室温⼲燥。
P-ACC 溶液是82通过混合 50 mM NaHCO3 (Kokusan Chemical Co.Ltd., Tokyo, Japan)、50 mM CaCl2 和5 mM 磷酸盐84 (Wako) 在室温下处理 60 秒。
将沉淀物离⼼次并使⽤⼄醇洗涤 3 次。以前的出版物使⽤ X 射线衍射或红外光谱测量揭⽰了 Si-ACC15DC-ACC16和 P-ACC17P- 的 ACC 形式。
溶液中的Nano-ACC是通过磷酸盐和镁离⼦（分别为效ACC 应合成sol的。和通Mg 过在室ACC 温下sol）将的50 mM NaHCO3、50 mM CaCl2和 5mM 磷酸盐溶液混合 60 秒来制备。ACC 溶胶。
将 Nano-ACC 94离⼼并使⽤蒸馏⽔洗涤 3 次，以去除⾮反应性 Ca、碳酸根和磷酸根离⼦。
研究 · 结果
*01
纳⽶ ACC 洗涤后，将其保存在溶液中。Mg-ACC 溶胶通过混合 10 mM CaCl2、10 mMNaHCO3和 200 mM MgCl2 (Wako) 溶液在室温下处理2 12 ⼩时。将 3mg CaCO3与 76 mg BN(Wako) 混合。
使⽤⽅解⽯、⽂⽯、Si-ACC、DC-ACC 和 P-ACC ⽚剂成型机（SHIMADZU，⽇本京都）从混合粉末制备颗粒。P-ACC 溶胶、Mg-ACC 溶胶和钙⽔复合溶液使⽤聚酯薄（Chemplex Industries，Palm City，FL，USA）密封。
CaK边 XANES 光谱是在⽇本筑波的⾼能加速器研究组织材料结构研究所科学研究所光⼦⼯⼚的 BL-9A 中测量的。⼊射 X 射线⽤a Si(111) 双晶单⾊仪单⾊化，两个平⾯镜⽤于减少⾼阶 X 射线。
狭缝孔径为1×1mm。通过使⽤元素检测Ca-Kα (3.69 keV) 线的X 射线荧光强度，以透射模式测量颗粒样品或荧光模式测量聚酯薄膜中液体样品的X 射线吸收光谱锗检测器 (SSD)。
扫描电⼦显微镜(SEM)⽤于观察纳⽶粒⼦。将 P-ACC 溶胶的CaCO3离⼼并使⽤蒸馏⽔洗涤以除去溶液。⼲燥的 CaCO3涂有 Pt-Pd ⽤于 SEM 测量，使⽤ S - 4800 SEM（⽇⽴，东京， ⽇本）进⾏，加速电压范围为 2‒15 kV。
光谱通过峰前27区域的基线（约在 4.035 keV 之前）和峰顶（约 4.05keV）归⼀化：峰前区域的基线应为 0，峰顶应为 1。动态光散射（DLS ) 测量是使⽤ DynaPro99(Wyatt Technology Corp., Santa Barbara, CA, USA)进⾏的。
图1
Figure 1. Ca K-edge XANES spectra of calcite from the prismatic layer of P. fucata (a), Iceland spar (b) and commercially available calcium carbonate powder (c). The features of these spectra are very similar with slight difference to each other.
将含有 ACC 的溶液引⼊池中，并在 150 秒内收集每个样品的⾄少 20 个测量值，然后使⽤ Dynamics v5.24.02（Wyatt Technology Corp.）对其进⾏分析。
强度表⽰相对组分重量。P. fucata、Iceland Spar 和CaCO3粉末的标准⽅解⽯棱柱层的 XANES 光谱显⽰这些光谱与略有不同（图 1）。
吸收在4037.1 eV 附近开始增加，并且在4044.8和4047.8 eV处确定了峰值。
此外，在4059.5 eV 附近观察到⽅解⽯特有的⼴泛吸收特征。P. fucata、 Iceland Spar 和市售 CaCO3粉末的标准⽅解⽯棱柱层的⼀阶导数光谱也显⽰在图 S1 中。
*02
XANES 光谱标准⽂⽯表现出相似的特征，因为吸收在4037.1 eV 处开始增加（图 2）。
图2
Figure 2. Ca K-edge XANES spectrum of aragonite from Morocco.
但是，4045.4 eV 处的峰值⽐⽅解⽯4050和4049.2 和4053.4 eV 附近的宽峰⾼ 0.6 eV有51个是⽂⽯独有的。标准⽂⽯的⼀阶导数光谱也显⽰在图 S2 中。
*03
标准 Ca ⽔合物、CaCl2和 CaNO3，展⽰了在 4037.1 eV 时开始增加的特征吸收（图 3）。
然⽽，样品在 4039.7 eV 处显⽰出⼀个⼩的峰，以及在 4050.3 eV 处的⼀个⼤峰，大于⽂⽯的那个峰。
图3
Figure 3. Ca K-edge XANES spectra of calcium aqua complex in calcium chloride solution (a) and calcium nitrate solution (b). The features of these spectra are identical to each other.
Ca ⽔络合物溶液的特点是在 4045 eV 附近没有肩峰，并且除了主峰之外没有其他⾼能峰。Ca aqua络合物溶液的⼀阶导数光谱也显⽰在图 S3 中。
*04
标准 ACC、Si-ACC、DC-ACC 和 P-ACC的光谱显⽰出相同的特征（图4）。
与其他 Ca标准品类似，吸收开始增加到4037.1 eV 以上， 在5光谱中出现约 4039.7 eV 的⼩宽峰，但峰肩位于 4044.9-4045.4 eV。
图4
Figure 4. Ca K-edge XANES spectra of P-ACC powder (a), DC-ACC powder (b) and Si-ACC powder (c). The features of these spectra are identical to each other.
主峰的位置位于 4049.4 eV是ACC 独有的功能7 。标准 ACC 8的⼀阶导数光谱也显⽰在图S4 中。
拐点4044.9-4045.4 eV 在⼀阶导数光谱中被清楚地检测为 4045 eV 附近的峰值。因此，可以合理地得出结论通过使⽤ Ca K 边缘 XANES 光谱可以将 ACC 与其他 Ca 形式12区分开来。
研究了在溶液中合成 ACC 纳⽶颗粒的⽅法。含有磷酸盐的 P-ACC 溶胶在溶液中表现出的⽩⾊浑浊（图 S5a）；SEM 观察结果表明合成了 5‒30 nm 的纳⽶颗粒（图 2）。
*05
Mg-ACC 溶胶在溶液中是透明的（图 S5b）。溶液中 Mg-ACC 纳⽶颗粒的尺⼨使⽤ DLS 测量，⽤于计算三个范围内 颗粒尺⼨：短（0.01-0.1 纳⽶）、中21 （0.1-100 纳⽶）和⻓（0.1‒10 µm）（图 S7）。
较短的范围表⽰ Ca 和 Mg 离⼦⽔合物半径，中间范围显⽰纳⽶粒⼦的⼤⼩，⻓范围表⽰团块聚集。初始混合后，将 MgACC 搅拌 12⼩时，每 5 分钟和 12 ⼩时测量⼀次 DLS 光谱（图 S8）。
图5
Figure 5. Ca K-edge XANES spectra of Mg-ACC sol (a) and P-ACC sol (b). The features of these spectra are identical to each other.
12 ⼩时 5 分钟和 12 ⼩时 50 分钟之间的动态光散射数据表明在 MgACC溶胶中产⽣了 10‒30 nm 的纳⽶粒⼦（图 S9）。有时，由于 ACC 相不 稳定，纳⽶粒⼦会消失 。
通过使⽤XANES分析溶液中的纳⽶颗粒，揭⽰了P-ACC 和 Mg-ACC 溶胶中 Ca 的化学形式（图 5）。光谱中存在约 4038.8 eV 34的⼩宽峰。在 P-ACC 和 Mg-ACC 溶胶中检测到 ACC 特有的 4044.8‒4045.3 eV范围内的峰肩。
在 4048.3eV 处检测到最⼤吸收，这对应于ACC 标准的最⼤峰。P-ACC 和Mg-ACC 溶胶中的⼩峰顶 (4038.8 eV) 和主峰顶 (4048.3 eV)与 ACC 中的⼩峰顶 (4039.7 eV) 和主峰顶 (4049.4 eV)略有偏移固体样品。图 5a 和图 5b 的峰顶也略有偏移。
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这些差异可能源⾃ ACC 溶液的液态，因为我们使 ⽤聚酯薄膜固定液体并选择薄膜的薄区域以避免⾃吸收效应表明很难保持相同的条件对于每次测量。
我们还使⽤荧光测量来检测微弱信号。这个因素可能会影响这些峰的轻微移动。然⽽，固体和液体 ACC的所有 XANES 峰的形状和特征⼏乎完全相同。P-ACC 和 Mg-ACC 溶胶的⼀阶导 数光谱也显⽰在图 S10 中。
4044.8‒4045.3 eV 的拐点在⼀阶导数光谱中明显检测为 4045 eV 左右的峰值，表明这些溶液含有 ACC。正如这些结果所证明的，我们成功地在溶液中合成了ACC，并显⽰了溶液中 Ca 的化学形式作为 ACC 的直接证据。
在下⼀步中，我们将使⽤来⾃种⽣物矿物的有机分⼦制备 ACC 溶液，以在体外重现⽣物矿化反应。Ca K 边缘 XANES 光谱的测量将是分析这些实验 的 ACC 相的有⽤⼯具。
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研究 · 结论
我们分析了 XANES 光谱，它直接证明钙以 ACC 的化学形式存在于P-ACC 和 Mg-ACC 溶胶中。使⽤X射线衍射67和红外光谱等⽅法难以分析溶液中的ACC相。
因此，XANES 是⼀种很有前途的⼯具，可⽤于分析体内和体 外⽣物矿物形成的早期阶段。这项研究部分由以⾊列科学基⾦会 (ISF) ‒ ⽇本科学促进会73 (JSPS) 联合学术研究计划资助。
*如对内容有异议，查看“原文链接”查看期刊原文。© 2020 The Chemical Society of Japan.
原文链接：https://www.researchgate.net/publication/341598937_Identification_of_Amorphous_CaCO_3_in_Aqueous_Solution_Using_XANES_Analysis
