生物矿物是在特定的生物条件下形成的有机-无机复合材料，在维持生物体的生命活动中起到举足轻重的作用。研究生物矿物的化学组成和分布不仅有助于获取生物体的代谢活动信息^[1-3]，而且有望在一定程度上反演其生长环境的物理-化学变化^[4-6]。

珍珠和贝壳是古老且常见的生物矿物，由软体动物分泌产生；它们同时也是广受人们喜爱的装饰品，具有美丽多变的体色和谜一样的晕彩^[7-8]。在晶体化学方面，珍珠和贝壳具有高度相似性，主要由碳酸钙CaCO₃(多为文石，少见方解石和无定形碳酸钙)薄片与有机薄膜相互交错、逐层向外生长而成，形成高度有序的“砖墙结构”^[9]。珍珠和贝壳中的微量元素种类繁多，常见Mg、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr和Ba等^[10]。贝壳中的元素如Mn、Sr和Ba等常被用来作为古环境或其生长水域的“探针”^{[4, 11-12]}，而珍珠中的微量元素特别是过渡金属元素被认为是决定珍珠体色的重要因素之一^[10]。前人^[13-15]有关珍珠和贝壳的元素组成的研究大多采用粉末法，即将珍珠的珍珠层(不包括植入的珠核或外套膜小片)或贝壳研磨成颗粒均匀的粉末，测试粉末的元素种类或含量，通过这种方法或许能够得到精确度较高的元素含量。但是，此类研究只能获得样品中元素的平均组成，缺乏其时间-空间分布图像，因而无法获得珍珠和贝壳的生长轨迹与母贝的代谢活动或环境变化之间的关系^[16]。

目前，仅有少数学者研究了贝壳的元素分布特征。通过紫外烧蚀电感耦合等离子体质谱的线扫模式，Putten团队^[17]观察到Mg、Sr和Pb的浓度在海水贝壳的内侧区域存在协同变化现象，并认为这一现象受到生物和环境双重因素的控制。后来，Carroll和Romanek^[18]发现Mn、Sr和Ba在淡水贝壳内侧区域的含量远高于其在外侧区域的含量。Fietzke研究团队^[19]借助电子探针观察到在海水贝壳中，Mg和Na的浓度变化呈现此消彼长的互补关系。采用微区X射线荧光成像技术，Leppänen等^[20]在淡水贝壳中观察到3条Mn环带，环带的形状与贝壳的轮廓完全吻合。这些研究指示，贝壳中的微量元素浓度在其生长过程中存在某种规律性变化，部分元素之间似乎存在相关性，但是这些现象背后的原因并不清楚。相对来说，有关珍珠中微量元素分布的研究非常缺乏。在前期的探索性研究中，笔者采用同步辐射X射线荧光成像技术发现在海水珍珠中，Zn与Hg的浓度变化呈正相关关系，随着珍珠逐层向外生长，二者都表现“低-高-低”的浓度变化趋势，笔者提出这一现象可能与马氏珠母贝在插核手术后、其新陈代谢速率发生变化有关^[21-22]。

为进一步获取珍珠中元素的组成和分布特征，本文对若干颗珍珠进行了同步辐射X射线荧光成像实验，发现淡水珍珠与海水珍珠在元素分布方面存在明显差异、并具有独特的环带结构。该研究结果不仅有助于我们认识珍珠的生物矿化和生长机理，洞悉软体动物在珍珠生长的不同阶段对微量元素的需求和利用，而且可以为珍珠养殖提供理论依据。

1.   样品及测试方法

本研究随机选取6颗不同体色的养殖珍珠(图 1)作为研究对象，其中2颗淡水无核珍珠(样品A21283深粉色和样品A24001奶白色)，2颗淡水Akoya珍珠(样品A21282深橙色和样品A21614淡粉色)，1颗“爱迪生”珍珠(样品A21284E金黄色)^[23]和1颗海水Akoya珍珠(样品A21614S金黄色)。淡水珍珠产于中国浙江，其中无核珍珠和Akoya珍珠在不同的三角帆蚌的外套膜中养殖而成，“爱迪生”珍珠在三角帆蚌的内脏团中形成。海水Akoya珍珠产于日本，由马氏珠母贝养殖而成。无核珍珠的养殖时长为4~5年，“爱迪生”珍珠养殖2年，Akoya珍珠养殖1年。Akoya珍珠和“爱迪生”珍珠呈球形，无核珍珠样品A21283呈馒头型，样品A24001呈不规则水滴型。首先用金刚石线切割机将这些珍珠从中间切成两半，每颗珍珠取一半固定在树脂中，然后用粒径3 μm的Al₂O₃粉末抛光珍珠的横截面，最后用去离子水在超声波中清洗半小时。

图  1  6颗珍珠样品

Figure  1.  Six pearl samples

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研究采用同步辐射X射线荧光技术(μ-X-ray Fluorescence，简称为μ-XRF)(检出限ppb)测试珍珠的横截面，获得其组成元素的种类和空间分布图像。μ-XRF测试在中国科学院高能物理研究所同步辐射装置4W1B线站完成，电流强度固定在260 mA。入射光经由毛细血管半透镜聚焦至直径50 μm，照射到样品的表面。实验样品固定在三维平移台上，与入射光和检测器均呈45°。通过电机控制样品平移台沿水平和竖直方向连续移动，步长50 μm。每个采样点的荧光信号检测有效时间为0.2 s。通过PyMCA软件对采集到的光谱进行批量处理^[24]，借助Origin8.0(Originlab Crop., USA)软件绘制荧光峰强度与采样点位置的关系图。

2.   测试结果

图 2a是淡水无核馒头珠样品A21283的横截面的显微照片，整个截面的μ-XRF成像结果表明其含有Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr和Ba等元素，其中Ca、Sc、Ti、V、Co、Ni、Cu、Zn和Sr均匀分布在珍珠层中。Mn、Fe和Ba的浓度变化呈现与珍珠生长轨迹耦合的韵律环带(图 2b-图 2d)。从珍珠的中心到珍珠层的边缘，Mn和Fe呈3~4条环带且元素含量逐渐升高，Mn和Fe的浓度变化似乎存在相关性(图 2b，图 2c)。在珍珠中心，植入的外套膜小片内部也有较高浓度的Mn和Fe，但其并未与珍珠层中的Mn和Fe环带相连，所以珍珠层中的Mn和Fe全部来自外界环境而非由外套膜小片中扩散而来。与Mn和Fe的富集区域呈现环带特征不同，Ba浓度的缺乏区域显示微弱的环带图像，可以识别出1~2条环带(图 2d中蓝色环带)。Mn和Ba的浓度变化没有此消彼长的互补关系。

图  2  淡水无核珍珠样品A21283横截面的显微照片(a)以及Mn(b)，Fe(c) 和Ba(d)的浓度分布呈环带图像

注：黑色矩形框显示μ-X射线荧光成像区域，白色虚线指示植入的外套膜小片

Figure  2.  Micrograph of the cross section (a) and oscillatory zoning of Mn (b), Fe (c) and Ba (d) of freshwater non-nucleated pearl sample A21283

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水滴型珍珠样品A24001(图 3a)含有Ca、Ti、Mn、Cu、Zn、Ge和Sr等元素。Mn在微量元素中的含量最高，显示4条环带，距离珠核最近的环带最宽、Mn的浓度也最高，其余三条环带由内到外逐渐变细(图 3b)。Ca和其它微量元素均匀分布。

图  3  淡水无核珍珠A24001横截面的显微照片(a)以及Mn的浓度分布呈环带图像(b)

注：黑色矩形框显示μ-X射线荧光成像区域

Figure  3.  Micrograph of the cross section (a) and oscillatory zoning of Mn (b) of freshwater non-nucleated pearl sample A24001

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在Akoya珍珠中，样品A21282(图 4a)含有一条Mn环带并位于珍珠层边缘(图 4b)，其余元素包括Ca、Sc、Ti、V、Co和Cu均匀分布。样品A21614(图 5a)含有Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu等元素。Mn显现2条环带，由内向外环带逐渐变细，Mn的含量逐渐升高(图 5b)。Fe也呈现2条环带，与Mn环带协同变化(图 5c)。“爱迪生”珍珠样品A21284E(图 6a)的Mn和Fe主要富集在珍珠层的边缘，珍珠层的中间区域有一条弱的、宽的Mn和Fe环带，可见Mn与Fe的浓度变化呈正相关关系(图 6c)。其余元素包括Ca、Sc、Ti、V、Co、Ni、Cu和Zn等均匀分布在珍珠层中。

图  4  Akoya珍珠样品A21282横截面的显微照片(a) 以及Mn在珍珠层边缘呈条带状富集，与珍珠层的生长轨迹耦合(b)

注：黑色矩形框显示μ-X射线荧光成像区域

Figure  4.  Micrograph of the cross section (a) and Mn concentrates at the margin of the nacre, coupled with the growth pattern of the pearl (b) of Akoya pearl sample A21282

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图  5  Akoya珍珠样品A21614横截面的显微照片(a)以及Mn(b)和Fe(c)的浓度呈环带分布，二者协同变化

注：黑色矩形框显示μ-X射线荧光成像区域

Figure  5.  Micrograph of the cross section (a) and oscillatory zoning of Mn (b), coupled with that of Fe (c) of Akoya pearl sample A21614 that changes synergistically

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图  6  “爱迪生”珍珠样品A21284E横截面的显微照片(a)以及Mn(b)和Fe(c)的浓度呈环带分布，Mn环带与Fe环带协同变化

注：黑色矩形框显示μ-X射线荧光成像区域

Figure  6.  Micrograph of the cross section (a) and oscillatory zoning of Mn (b), coupled with that of Fe (c) of Edison pearl sample A21284E that changes synergistically

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海水珍珠样品A21614S(图 7a)的元素组成与淡水珍珠的有所差异，最明显的是Mn元素含量极低，几乎低于检测限(图 7b)，这与木士春和马红艳^[25]的报道一致。虽然样品A21614S的珠核含有高浓度的Mn，但是几乎没有Mn扩散到珍珠层中。在珍珠层的边缘有一条Fe环带(图 7c)。其它元素包括Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Sr和Ba等均匀分布在珍珠层中。

图  7  海水珍珠样品A21614S横截面的显微照片(a)以及Mn(b)和Fe(c)的浓度分布

注：黑色矩形框显示μ-X射线荧光成像区域

Figure  7.  Micrograph of the cross section (a) and distribution of Mn (b) and Fe (c) of seawater pearl sample A21614S

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3.   讨论

根据上文研究结果，淡水珍珠通常含有Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sr和Ba等元素，不同珍珠的元素组成稍有差异，而海水珍珠的特点是其Mn元素含量极低。这6颗珍珠的体色差异较为明显，并不能简单地由其组成元素的种类解释。本文首次发现淡水珍珠具有环带结构，主要表现为Mn、Fe和Ba韵律环带。不同淡水珍珠显示的环带的元素种类有所差异，但是普遍具有Mn环带，环带的形状与珍珠的生长轨迹耦合，且偶尔与Fe环带协同变化。此前，Leppänen团队^[20]在淡水贝壳中也观察到3条Mn环带，其形状与贝壳的轮廓吻合。这里，Mn环带的数目与珍珠的养殖年限并不完全对应，如淡水Akoya珍珠样品A21282和样品A21614的养殖时长均为一年，但是前者显示一条Mn环带而后者两条(图 3b和图 4b)。这说明自然和环境的周期性变化并不是Mn环带形成的主导因素。Putten团队^[17]在研究在海水贝壳的微量元素分布时也发现Mg、Sr和Pb的浓度变化与海水成分的季节变化并不完全吻合。考虑到珍珠是在软体动物体内形成的，而生物体是一个开放的非平衡体系且具有自组装能力，所以推测淡水珍珠的环带结构是一种耗散结构，即环带的形成与环境的周期变化无关，而取决于其生长速率与介质中离子的扩散速率之间的相互作用。当生长速率高于离子在其近表面的扩散速率时，通过近表面沉淀动力学可以形成元素富集区域^[26]。在完成插核手术和此后的珍珠生长过程中，母贝的新陈代谢速率会发生变化^[21-22]，这种变化很可能影响离子的沉淀速率，改变珍珠层的生长速率，从而形成环带。韵律环带的形成可能是母贝新陈代谢速率多次变化的结果，推测这种变化是生物体对自然环境变化的响应与术后自身恢复与调节的共同作用的结果。

相对来说，淡水珍珠的韵律环带比海水珍珠的普遍。这里存在两种可能：一是海水珍珠本身没有环带结构；二是海水珍珠虽有环带结构，但是由于元素的含量太低而使其浓度变化并不明显，或是环带在更大或更小的尺度上显现。如果是第一种情况，那么可以根据环带存在与否区分淡水珍珠与海水珍珠，这说明生活在海洋中的马氏珠母贝与生活在淡水中的三角帆蚌在珍珠养殖过程中对微量元素(如Mn和Fe)的摄取和利用是不同的。此前，木士春和马红艳^[25]采用等离子光谱和X射线荧光等技术发现，海水珍珠与淡水珍珠的元素含量存在显著差异，前者相对富Na、Mg和Sr而贫Mn，后者则相反，并且提出这一差异可用来判定珍珠的生长环境。这里笔者提出一个无需定量分析就能精确鉴定珍珠类型的方法，即Mn韵律环带。如果第二种假设成立，那么改变入射X射线的光斑直径或采用更强的入射光束或许能使海水珍珠的环带显现。根据上述研究结果，淡水珍珠的环带宽度通常大于500 μm，所以用直径50 μm的入射光斑是合适的。如果海水珍珠的韵律环带的宽度仅有50 μm甚至更小，那么需要更小直径的入射光斑才有可能使其显现。

最后，鉴于珍珠与贝壳在晶体化学方面的高度相似性，笔者推测Mn、Fe和Ba等元素在贝壳中的浓度变化可能也受控于母贝的代谢活动。因此，在利用贝壳中的元素特征重构古环境或是反演其生长水域的物理-化学条件时，需要考虑生物控制这一因素。

4.   结语

通过同步辐射X射线荧光成像技术，笔者发现淡水珍珠存在Mn、Fe和Ba等元素环带结构，环带的形状与珍珠的生长轨迹耦合。虽然不同淡水珍珠显示的环带的元素种类有所差异，但是Mn环带普遍存在，而且有时与Fe环带协同变化。推测这种韵律环带是一种耗散结构，其形成主要源于母贝的新陈代谢速率的变化。海水珍珠的Mn含量极低，而且没有出现与淡水珍珠类似的韵律环带。这暗示生活在海洋中的马氏珠母贝与生活在淡水中的三角帆蚌在珍珠养殖过程中对微量元素(如Mn和Fe)的摄取和利用不同。由此，Mn韵律环带可能是鉴别淡水珍珠的关键特征之一。