摘 要：自然界中的色彩分化学色和结构色两种，吉丁虫体表具有多种色彩的金属光泽，其色彩的形成机理在本文中被研究。本文采用微型光谱仪对吉丁虫的不同部位进行了变角度光谱测试，验证了吉丁虫的结构色特征。随后用光学显微镜和电子扫描显微镜观察了吉丁虫的表面结构，发现吉丁虫的表面有许多孔洞和细纹。而这些表面的特殊结构具备了产生结构色的结构基础。
关键词：吉丁虫；结构色；光谱测试；表面结构
自然界的色彩主要有两种颜色：结构色和化学色。借助化学着色剂如色素、颜料等达到染色的目的，即化学色；结构色，不依赖于任何化学染料，通过光栅衍射、散射、干涉和光学过程的组织结构及其特殊白色物体显示颜色。结构色对应于相应的生物学功能，这是一个长期的生物进化。
甲虫已经在地球上生存了约30亿年，许多甲虫都展示了它们壮观的彩虹色，被称为“活宝石”。在2003年，A.R.Parker在昆士兰澳大利亚东北部森林发现的甲虫，它有一个相对统一的彩色金属板，从任何方向可见。用扫描电子显微镜对薄膜的标度截面进行了观察。
结构颜色具有不褪色、环保和虹彩效果。因此，结构色在人类社会生活中的应用将在服装、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。我们在本实验中对吉丁虫色彩的形成机制，色彩结构进行了研究分析，希望建立光子晶体的结构模型，为色彩仿生材料结构设计提供基础。
1.试验样本
本实验所采用的样本为吉丁虫。如图1所示，实验观察的部位为绿色鞘翅和红色尾部。吉丁虫产于马来西亚，属于吉丁科。该昆虫的体长约为28毫米，鞘翅细窄，表面具有铜绿色的金属光泽。其头部和前胸背板均为黄绿色，尾部具有少量红色。
2. 变角度光谱测试
本实验采用变角度光谱测试法，分别从90°、60°、30°、0°的入射角测量反射光谱。若光谱图中波峰的峰位随着入射角的改变而发生移动，则表明该样本存在结构色；否则，为色素色。
图2（a）（b）分别显示的是吉丁虫部位1、部位2的变角度光谱图，其中曲线1、2、3、4分别对应90°、60°、30°、0°的入射角。如图2（a）所示，随着入射角的减小，波峰往波长小的位置移动，即蓝移。而在光谱图中，峰位表示颜色的色调，这就表明颜色发生了改变，该部位存在结构色。而对于部位2，可观察到图2（b）中各曲线的峰位所在区域并不相同，波峰峰位发生红移。同样地，部位2也存在结构色。
3. 结构观察
验证吉丁虫的两个部位均为结构色后，下一步需要对这两个部位的微观结构进行光学显微镜，扫描电镜测试，观察和分析各部位所具有的特殊微观结构。
3.1 光学显微镜观测吉丁虫的结构形貌
实验借助光学显微镜对吉丁虫不同部位的结构形貌进行了研究分析。
图3为吉丁虫在光学显微镜下的微观结构图。其中（a）、（b）分别表示50倍、500倍放大倍数下部位1的结构图。在显微镜的观察下，可发现吉丁虫翅膀表面布满凹陷的孔洞和细纹，且其表面整体呈现黄绿色，具有明亮的光泽。（c）、（d）显示的是50倍、500倍放大倍数下部位2的结构图，其表面凹凸不平，布满细微的孔洞，且孔洞内部存在黄绿色物质。
3.2 SEM观测下吉丁虫的表面微观结构
光学显微镜存在局限性，它只能初步判断昆蟲表面的色彩分布和大致结构，为细致观察昆虫内部微结构，实验对吉丁虫不同部位的表面微观结构进行了扫描电镜实验，即SEM。
图4显示的是SEM观测下吉丁虫的表面微观结构。其中图4（a）、（b）分别是1000倍、5000倍放大倍数下部位1的结构图。可见该部位表面布满大小不一、高低不匀的凹坑，破坏了表面的平整度。此外，仔细观察可发现，这些凹坑的分布存在一定的规律，将连续的凹坑相连可形成一个个多边形，即一个五角形或六角形的每个顶点有一个凹坑，具体如图4（b）所示。图4（c）、（d）是1000倍、5000倍放大倍数下部位2的结构图。观察其部位2，可发现该吉丁虫尾部与翅膀结构相似，表面也布满规则的凹坑。此外，放大观察倍数，可发现除规则分布的凹坑外，其表面还有较多细纹和许多不规则的细小微孔，微孔大小和形状各异。
本文通过微型光谱仪对吉丁虫的外表颜色进行测试，证实其表面色彩随着入射光角度的不同而发生变化，即吉丁虫体表的颜色是结构色产生的。产生结构色的结构基础是周期性重复的微纳米结构，根据光学显微镜和扫描电子显微镜对吉丁虫表面结构的观察，其表面的孔洞和细纹呈现周期性重复的特征，具备成为光子晶体结构色的结构基础，但进一步的分析仍需在今后的研究中继续进行。
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（作者单位：嘉兴学院南湖学院化纺系，浙江 嘉兴314000）
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