图1. 碳酸钙晶体（方解石）、不含结晶水的碳酸钙也作为文石和球文石出现。

长期以来，关于在结晶析出之前还存在稳定的离子簇的观点，一直未能从实验上加以证实。对于碳酸钙而言，这种结构可以借助于由测定钙的电位滴定法和超离心分析法所组成的精细实验计划加以验证。

碳酸钙（见图1）具有巨大的经济、工业和科学意义。它广泛用于建材、钢铁工业，并可在农业中作为肥料，在造纸和颜料工业中作为填充剂。此外，碳酸钙还是蟹虾、贝类和蜗牛类外壳的主要矿物质成分。贝类外壳的95%系由碳酸钙组成。如果将其抗断裂强度与纯的矿物碳酸钾相比较，会很快发现贝类要比这种矿物质的强度高出3000倍以上。这种大大改进的抗断裂强度可以归因于该生物矿物的复杂的纳米结构，这种结构能够使得矿物的裂纹难于继续扩大。假如能够复制出这样结构的矿物的话，那么将会立即开发出革命性的材料并且有可能应用到建筑技术和医学中去。因此材料科学家们很想知道，这些生物如何能够影响矿物的生长。今天生物矿物化过程已经成为许多研究工作的重心。

碳酸钙结晶的负面形象

有些时候碳酸钙的析出是不受欢迎的。比如钙离子是增大水的硬度的主要原因，钙离子主要是以碳酸钙的形式从洗衣机、洗碗机以及工业加热和冷却循环水中析出。根据源水中硬度的多少，必须在洗涤剂、洗碗机中或者工业用水中加入一些除钙剂。尽管应用了除钙剂，每年全部工业世界为消除这种矿物质沉淀而引起的费用仍然高达500亿美元之多。

图2. 带万通公司滴定系统的装备结构：将钙离子浓度的测量与称重进行比较（见于显示器中），结构表明，钙离子被结合时与簇化物的pH-值有关。

结晶过程的早期阶段是决定性的

如果想要控制从离子的水溶液中产生结晶的过程，就必须从分子机理上加以了解。这种从溶解状态到固相状态的过程叫做成核过程。这一成核的基本理论是1935年由Richard Becker 和Werner Doering 整理而成，迄今仍被为视为一种经典成核理论。可是当涉及到生物矿化问题时这一学说便遇到了难题。而有一种概念认为，在结晶的成核反应开始之前必定具有一种稳定的结晶前身，由此可以更好地解释所谓的非经典的结晶路径。就本文涉及的情况来说，这种以碳酸钙簇的物种存在的概念已经被提出并得到了计算机模拟的支持，然而长期以来一直未能用实验予以证实。

分析证实还是问题？

碳酸钙是一种难溶于水的物质，所以其游离存在的离子以及在成核反应之前所达到的簇离子浓度都是非常小的。另一方面这些离子和所期待的簇离子又都是很小的。在不同的研究论文中，碳酸钙的结晶是借助于时间解析的小型和广角伦琴射线法（TR-SAXS/WAXS）加以研究的。此时在很短的时间范围内让稀的钙离子和碳酸根离子混合以产生成核反应。在成核反应之前所形成的物种的检测由于两方面的原因变得困难。其一，可供支配的时间太短，无法观察早期阶段。其二，在如此小的浓度下对如此小的结构通过散射加以检测也是一种很大的挑战。因此所能证实的只能是于成核反应之后形成的无定形的碳酸钙颗粒而已。显而易见，如要能够证实这种早期的碳酸钙簇化物，就应该尽可能地减慢溶液的过饱和进程，以便有足够的时间来观察早期的阶段。而涉及簇化物过小的粒度和过小浓度的问题，则可采用验证游离离子总浓度的间接方法予以对付。

图3. 背景所示为带有检测光学仪器的超滤分析用的转子。前面为由离子和簇化物2元成分组成的体系，在离心场中测量到的浓度随时间而变化的示意图。

借助结合滴定法的电位测量进行证实

一种可行的分析方法是：将所测量的游离离子的浓度用称量的方法加以比较。这一目的只有通过精密控制的实验才能实现。当某一称量为已知时，必须测出游离的钙离子和碳酸根的浓度。将稀的钙溶液以恒定的速率加入到稀的碳酸根缓冲液，由此调节渐进过饱和过程，这样便能够实现这一方案。由于这两种离子的浓度是已知的，所以每一时刻的称重也是已知的。 游离的钙离子浓度可以借助一种钙离子选择电极采用测量其电化学电势的方法进行测定（见图2）。目前还没有这类碳酸根的离子电极，当碳酸根离子结合到簇化物或颗粒物中时，便导致溶液pH-值的下降。如果采用滴定法用滴入稀的氢氧化钠溶液将pH-值维持恒定，则可根据所消耗的氢氧化钠用量计算出被结合的碳酸根的离子的量。

实验表明，等量的钙和碳酸根离子在成核反应之前相结合，而一部分游离的离子则“消失”于另外一种结构中。开始阶段游离离子的浓度直线上升，但斜率较之于称量要平缓一些。在成核反应之后（游离离子）浓度急据下降，最后达到沉淀的碳酸钙（固）相的溶度积的浓度。

这一结果还不能证明碳酸钙簇化物就此形成。只有在显示了所结合的钙离子浓度与碳酸根浓度有关，或者反过来，所结合的碳酸根离子与钙离子浓度有关，才算得到了证明。缓冲液中碳酸根的提高引起了pH-值的提高，由此也加强了对钙离子的结合，在pH 9 时所加的钙中约有35%，而pH 10 的时候则有75%被结合到电中性的碳酸钙簇化物中。除了这种对于簇化物的定性证明之外，实验还表明，能够对簇化物形成的化学平衡以及沉淀的无定形结构的溶度积从物理化学上进行定量计算。

图4. 对于成核反应概念的经典的和新式的（变通的）的理解比较。不同的过度形态提供了对结晶过程施加影响或者进行控制的可能性。

超滤分析的直接证明

超滤分析（对于簇化物）可以是一种独立的和直接的证明。采用的装备为一种以极高角速度旋转的转子，其离心力可以达到地球加速度的300?000倍。在这样一种离心场中甚至可能将溶解的离子变成沉积物。在所给定的转速和溶剂条件下，其沉淀的速度取决于沉积质点的质量、密度和形态。对于簇化物而言，可以期待具有比单个离子更高的沉积速度。离子和簇化物沉积带的运动（见图3）可以借助于一种可以测出最微小的光折射指数的瑞利干涉光谱仪进行观察。根据沉积速度可以采用质点密度测量出质点的大小。在实验进程中根据扩散形成了两种沉积带。于是在成核反应簇化物之前可以采用滴定实验来证实在溶液中沉积的离子。此外还可以估计质点的大小约为2nm，相应于在单个簇化物中共计有70个钙和碳酸根离子。此外紧靠成核反应之前和之后，还发现有较大的簇化物，这一事实表明成核反应与簇化物的总量有关（见图4）。

对未来簇化物研究的挑战

稳定的簇化物提出了一种迄今尚未认知的结构，这种结构可能在生物意义上或者人工合成晶体加合物方面发挥作用。滴定实验允许对这类加合物的作用方式加以区别和确定特性。现在有可能对结晶过程更好地进行理解。而对于生物矿化的这类新的机理应当加以关注。看来也有可能基于这种新的知识去开发出新型的除钙剂。从科学的意义考虑将同时开启一种新的研究领域。一方面应当对簇化物更好地确定其特性，包括结构、化学平衡的动力学、以及通过聚集物而成核的机理等等。另一方面要找出这种新的变动的成核机理是否是一种例外抑或是矿化过程中普遍性的规律。迄今已经能够定性地指出，这种簇化物的形成在生物矿物磷酸钙结晶中（例如骨头、牙齿）和草酸钙（例如肾结石）中出现。最后还需考虑一种也许现在还不甚明朗的因果关系。众所周知，碳酸钙的矿藏结合了巨大数量的二氧化碳，可是在大洋里也已形成的簇化物中附带结合的CO2却迄今未被考虑。大洋的酸化会导致簇化物的溶解而最终强化了温室效应。这一影响也必须进行量化。