硒，人類不可或缺的元素

邵黎雄，陸建梅?，姜雪峰

①溫州大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；②華東師范大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200062

硒(selenium)，化學(xué)符號(hào)為Se，位于化學(xué)元素周期表第四周期VIA族，是一種非金屬元素。其外層電子排布為4s24p4，這使得硒既具有氧化性又具有還原性，常見的價(jià)態(tài)有-2、0、+4和+6價(jià)。硒單質(zhì)是紅色或黑色粉末，帶灰色金屬光澤(圖1)。自然界中，硒主要以無機(jī)硒和植物活性硒兩種方式存在：無機(jī)硒一般是指亞硒酸鈉(Na2SeO3)和硒酸鈉(Na2SeO4)，毒性較大且不易被人體吸收；植物活性硒一般以硒代蛋氨酸形式存在，是人類和動(dòng)物可以使用的硒源，人體吸收后能迅速被利用(圖2)。

圖1 單質(zhì)硒粉末

圖2 亞硒酸鈉、硒酸鈉和硒代蛋氨酸的結(jié)構(gòu)

硒的用途非常廣泛，在玻璃、電子、化工、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。硒在不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求量分布如圖3所示，其中它在玻璃工業(yè)的需求量占總需求量的35 %，隨后是電子工業(yè)占30 %，化工和冶金行業(yè)各占10 %[1]。

1 硒資源概述

硒在地殼中的含量很少，其豐度按質(zhì)量估計(jì)約為地殼的0.000 07 %，在所有化學(xué)元素中排第70位[2]。同時(shí)，硒在全球范圍內(nèi)分布極不均勻，已探明的硒的基礎(chǔ)儲(chǔ)量以美洲最多，占總量的52.7 %，其次是亞洲和非洲各占15.4 %，歐洲占12.2 %，大洋洲占4.4 %(圖4)。各國中，智利、美國、加拿大、中國、贊比亞、扎伊爾、秘魯、菲律賓、澳大利亞和巴布亞新等國家的硒礦儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的76.9 %[3-4]。我國是世界主要的硒資源國之一，保有工業(yè)儲(chǔ)量位居世界第四，但存在著硒資源分布不均衡的問題。湖北恩施硒礦單礦儲(chǔ)量世界第一，硒資源分布廣、儲(chǔ)量大、埋藏深，是迄今為止全球范圍內(nèi)唯一已探明的獨(dú)立硒礦床所在地，被稱為世界硒都。同時(shí)，我國有72 %的國土缺硒，其中30 %屬于嚴(yán)重缺硒地區(qū)。

圖3 硒在不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求量占比

圖4 硒在全球范圍內(nèi)基礎(chǔ)儲(chǔ)量分布

2 硒的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展

1817年，瑞典科學(xué)家Berzelius在研究硫酸廠鉛室中沉淀的紅色淤泥時(shí)，發(fā)現(xiàn)一種與碲元素性質(zhì)相似的新元素。參照碲元素(Tellurium)名字的來源(Tellus，在拉丁語中指地球，在羅馬神話中指的是大地的母親)，他將該新元素命名為硒(Selenium)(Selene為希臘神話中的月亮女神)[5]。

在硒被發(fā)現(xiàn)的最初100多年里，人們一直認(rèn)為它是有毒的。直至1957年，法國科學(xué)家Schwarz等才證實(shí)硒是動(dòng)物體內(nèi)所必需的，對(duì)肝臟具有保護(hù)作用[6]。隨后，人們對(duì)硒的研究逐漸開始轉(zhuǎn)向生物學(xué)方向。1973年，美國科學(xué)家Rotruck等發(fā)現(xiàn)硒是谷胱甘肽過氧化酶的重要組成部分[7]。1986年，英國科學(xué)家Chambers等發(fā)現(xiàn)人類的第21種氨基酸——硒代半胱氨酸，是蛋白質(zhì)中硒的主要存在形式[8]。1988年，中國營養(yǎng)協(xié)會(huì)將硒元素列為15種每日膳食營養(yǎng)元素之一[9]。1990年，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)、國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)和世界衛(wèi)生組織(WHO)組成的專家委員會(huì)將硒元素與鐵、碘、鋅、銅、鉬、鉻和鈷元素一起劃歸為人類必需的8種微量元素(圖5)。各國也對(duì)硒的每日推薦攝入量作了規(guī)定，如我國將14～17歲青少年的每日硒推薦攝入量定為60 μg，德國將硒的每日攝入量定為成年男性70 μg，女性60 μg[10-12]。

圖5 硒的發(fā)展簡(jiǎn)史

3 硒的重要作用

3.1 硒對(duì)人體健康的重要作用

硒對(duì)人體至關(guān)重要，是身體必需的一種微量元素，與人體的健康息息相關(guān)。缺硒會(huì)導(dǎo)致人體免疫力下降，使腫瘤、心血管疾病和肝病等的發(fā)病率增高。長期嚴(yán)重缺硒還會(huì)導(dǎo)致克山病和大骨節(jié)病等地方性疾病[13]。Flores-Mateo等通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)硒濃度與冠心病的發(fā)病率呈負(fù)相關(guān)[14]。西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院的王斌等認(rèn)為硒在維持心血管系統(tǒng)正常結(jié)構(gòu)和功能上起重要作用，谷胱甘肽過氧化物酶、硫氧還蛋白還原酶和硒蛋白P等硒蛋白的抗氧化性可以保護(hù)心血管，因此通過適當(dāng)補(bǔ)硒可以預(yù)防心血管疾病[15]。西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院的田李芳等對(duì)硒與糖尿病腎病的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在糖尿病腎病患者的血漿及全血中，硒的含量明顯偏低，并且腎功能越差，硒含量越低[16]。在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)硒對(duì)腎臟的氧化應(yīng)激和抗防御系統(tǒng)具有保護(hù)作用[17-19]。硒對(duì)癌癥具有重要的預(yù)防和治療作用，能提高人體的免疫能力和抗氧化能力，抑制癌細(xì)胞的分裂、生長及DNA合成，同時(shí)硒補(bǔ)充劑在放療或化療治療中可以作為輔助治療[20-21]。

因?yàn)槿梭w自身不能合成硒，所以人體內(nèi)的硒幾乎全部來源于膳食。膳食中提供硒的主要食物是面包、谷物、肉、魚、蛋和奶制品等。水果和蔬菜中含有的硒相對(duì)較少，但有些蔬菜的富硒能力較強(qiáng)，如洋蔥、大蒜和西蘭花，在富硒土壤中生長時(shí)能積累硒。膳食中硒主要以硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸和硒酸鹽的形式存在。洋蔥和大蒜中，硒主要以γ-谷氨酰-硒甲基硒代半胱氨酸的形式存在[13](圖6)。

圖6 膳食中硒的主要存在形式

硒在全球范圍內(nèi)分布極不均勻，而食物中的硒含量很大程度上又取決于環(huán)境中的硒含量，因此，除了少數(shù)富硒地區(qū)的人存在攝入硒過量的問題外，大多數(shù)人都存在著硒缺乏的問題。世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示，全球大約有10億人口存在著缺硒問題[12,22]，而我國，約有7億人口生活在缺硒地區(qū)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過施硒能改善土壤缺硒的狀態(tài)，促進(jìn)植物生長，提高作物產(chǎn)量，同時(shí)提高作物中硒含量，進(jìn)而提高膳食的硒含量[23]。

硒是一些活性酶(如谷胱甘肽過氧化物酶、硫氧還蛋白還原酶等)活性部位的基本組成部分，具有重要的生理學(xué)作用[24]，因此，硒引起了化學(xué)家們的極大興趣，含硒藥物的開發(fā)也成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)之一。許多含硒有機(jī)化合物具有良好的生理活性，是一類非常有應(yīng)用前景的潛在藥物。如依布硒啉(Ebselen)，一種非甾體抗炎藥，是第一個(gè)人工合成的具有抗氧化和神經(jīng)保護(hù)作用的有機(jī)硒化物，具有谷胱甘肽過氧化物酶的相似活性[25]。研究發(fā)現(xiàn)，該化合物具有抗炎、抗腫瘤、治療肝損傷以及免疫系統(tǒng)等方面疾病的功效[26]。依布硒啉類似谷胱甘肽過氧化物酶活性的催化循環(huán)如圖7所示：依布硒啉首先與谷胱甘肽反應(yīng)得到硒硫化物A-1，A-1與另一分子谷胱甘肽反應(yīng)得到硒醇化合物A-2，A-2與過氧化物發(fā)生反應(yīng)得到A-3，隨后分子內(nèi)脫水重新得到依布硒啉，硒醇化合物A-2的形成是依布硒啉具有谷胱甘肽過氧化物酶活性的原因[27]。然而依布硒啉存在著水溶性差以及治療專一性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，這促使化學(xué)家對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，如將依布硒啉結(jié)構(gòu)中氮上的苯環(huán)用氨基酸或氨基酸酯取代時(shí)(圖8，結(jié)構(gòu)2)，能提高化合物的水溶性，同時(shí)改善口味重的缺點(diǎn)[25]。又如苯硒基乙基胺類化合物3，具有抗高血壓活性，同時(shí)能在抗氧化防御中發(fā)揮保護(hù)作用。硒化物3在遇到氧化亞硝酸鹽(ONOO-)或過氧化氫(H2O2)等強(qiáng)氧化劑時(shí)，分子中的硒能起到還原劑作用(3被氧化成3′)，由此保護(hù)細(xì)胞免受強(qiáng)氧化劑的損傷[27]。此外，二芳基硒和芳基硒炔等有機(jī)硒化物也都被證實(shí)具有生理活性[27-28]。隨著科學(xué)研究的不斷發(fā)展，越來越多的有機(jī)硒化物被證實(shí)具有生理活性，同時(shí)越來越多具有高活性的有機(jī)硒化物也被合成出來。

3.2 硒在工業(yè)上的重要用途

硒在工業(yè)上用途非常廣泛。玻璃工業(yè)中，硒能使玻璃脫色或著色。向玻璃中加入微量硒，能消除玻璃中由Fe2+所引起的綠色，而變成無色玻璃。硒可用來制造硒玻璃，又稱紅寶石玻璃。在中國人民革命軍事博物館上方有一顆閃閃發(fā)光的紅星，這顆紅星就是由硒玻璃制作而成的。我們?cè)谑致房谒姷降募t燈所用的紅玻璃，也是由硒玻璃制作的。同時(shí)，硒的調(diào)色功能還可以用于制作茶色、藍(lán)色和灰色等有色玻璃[1]。

電子工業(yè)中，硒同樣占據(jù)非常重要的地位。早在1873年，英國的Willough Smith用光照射硒的表面，就發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)效應(yīng)。因此，很早以前，硒就已經(jīng)在光電管、信號(hào)繼電器和整流器等儀器上廣泛使用。含硒的太陽能電池由于成本低、能耗少、光電性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，成為太陽能電池的重要研究領(lǐng)域之一，如銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池[29]、銅鋅錫硫硒(CZTSSe)太陽能電池[30]和硒化亞鍺(GeSe)薄膜太陽能電池[31]等。

圖7 依布硒啉谷胱甘肽活性的催化循環(huán)

圖8 一些具有生理活性的有機(jī)硒化物

在化工行業(yè)中，硒單質(zhì)及其化合物常被用作氧化劑、催化劑、配體和含硒硫化劑等。二氧化硒(SeO2)在有機(jī)合成中常被用作氧化劑，能用于烯烴的烯丙位氧化、羰基α位氧化等[32]。在過氧叔丁醇(TBHP)或雙氧水(H2O2)的存在下，二氧化硒(SeO2)也可以用作催化劑，催化烯烴的雙羥化、醛的氧化以及活潑氫的氧化斷裂[33]等(圖9)。單質(zhì)硒可以用作還原劑，在溫和條件下催化還原硝基化合物[34-35]；硒單質(zhì)還能用于催化胺的羰基化反應(yīng)[34]。有機(jī)硒化物RSeR′、RSeSeR等能催化烯烴的官能團(tuán)化，用于合成多種重要的有機(jī)中間體[34,36]，還可以催化羰基化合物的Baeyer-Villiger氧化、醇以及醛的氧化等等[34](圖10)。金屬催化的反應(yīng)中，手性的有機(jī)硒化物可以作為配體。例如：有機(jī)硒化物6可以用于金屬銠催化的酮和烯烴的不對(duì)稱硅氫化反應(yīng)中[37-38]；硒化物7在二乙基鋅與醛的加成反應(yīng)中可以起到不對(duì)稱誘導(dǎo)作用[39]；在鈀催化的烯丙基化反應(yīng)中，使用8為配體可以最高得到99 % ee值(光學(xué)純度)[40](圖11)。橡膠生產(chǎn)中，含硒硫化劑具有熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)[41]，同時(shí)還能增強(qiáng)橡膠的耐磨性，因此，常用含硒硫化劑來替代傳統(tǒng)的硫化劑[42]。

圖9 SeO2在有機(jī)合成中用作氧化劑或氧化催化劑的例子

圖10 硒催化的反應(yīng)舉例

圖11 有機(jī)硒配體舉例

含硒化合物在冶金工業(yè)中也具有重要作用。例如：二氧化硒(SeO2)在電解錳行業(yè)常作為電解添加劑；將硒加入到鑄鐵、不銹鋼和銅合金中，能顯著提高它們的機(jī)械性能，使結(jié)構(gòu)更加致密，提高切削性能[1]。

4 結(jié)論

硒與我們的生活息息相關(guān)。它是身體必需的微量元素，對(duì)人體健康具有非常重要的作用。一些含硒有機(jī)化合物具有良好的生理活性，可以發(fā)揮谷胱甘肽過氧化酶的作用，是一類非常具有應(yīng)用前景的潛在藥物。同時(shí)，硒在玻璃、電子、化工和冶金等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。隨著硒化學(xué)的不斷發(fā)展，硒在人體中的重要作用及其機(jī)制將越來越清楚，從而為人類健康提供保障，而且硒在各領(lǐng)域的應(yīng)用也必將越來越廣泛。