納米硒制備方法研究進(jìn)展

蘇文，楊輝，董騰達(dá)，黃莎莎

陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（西安 710021）

硒是人和其他生命體內(nèi)必需的一種微量元素[1]，是生物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成成分之一，能有效清除自由基，在抑制活性氧的生成方面有著至關(guān)重要作用，在人體免疫系統(tǒng)、預(yù)防心血管疾病、抗癌等方面具有良好藥理活性。缺硒會(huì)影響人體健康，據(jù)報(bào)道40余種疾病的發(fā)生都與缺硒有著直接關(guān)系[2]，適當(dāng)補(bǔ)硒很有必要。

研究發(fā)現(xiàn)，與無機(jī)硒和有機(jī)硒相比較，納米硒具有低毒性、高活性等特點(diǎn)，在保健品生產(chǎn)、動(dòng)植物養(yǎng)殖、醫(yī)藥開發(fā)等方面均有應(yīng)用[3-5]，合成納米硒是解決有機(jī)硒資源匱乏的有效途徑。因此，對(duì)于納米硒的制備尤其重要。對(duì)于納米硒的制備方法研究較多，對(duì)納米硒制備的物理、化學(xué)和生物的制備方法進(jìn)行綜述，并對(duì)納米硒的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 納米硒的物理制備方法

物理法常利用機(jī)械作用，包括摩擦、擠壓、剪切、沖擊、超聲等處理固體原料制備納米硒，或通過升華冷凝法改變硒分子間作用力制備納米硒，Umehara等[6]通過升華含硒物質(zhì)和對(duì)無定形硒的退火處理制備三方相單晶硒，溫度在該過程中起到關(guān)鍵作用。張皓月等[7]用400 ℃高溫將99.999%高純硒粒進(jìn)行硒化，在常溫下用鹽水猝火，制備塊狀非晶態(tài)硒塊，其中包含的納米硒微晶屬六方晶型結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸為6～45 nm。

固相法屬于物理法，亦屬化學(xué)法，整個(gè)操作過程是物理的，而制備的關(guān)鍵過程是化學(xué)反應(yīng)。固相法指采用固體材料，對(duì)其球磨處理或者高溫處理得到納米粉體，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單安全，缺點(diǎn)是易引入雜質(zhì)，制得產(chǎn)物顆粒不均勻且形狀難控等。孫金全等[8]利用固相法制備納米硒，以二氧化硒為氧化劑、氯化鈉為分散劑、維生素C為還原劑，三者均用萬能粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，將粉碎后的二氧化硒若和氯化鈉混合，混合摩爾比1∶4，若與粉碎后的維生素C用強(qiáng)制攪拌混合機(jī)混合，混合摩爾比1∶2，洗滌干燥制得納米硒，粒徑10～30 nm。

物理法對(duì)環(huán)境友好，為綠色、高效制備納米硒提供理論依據(jù)，但存在能耗較大、易污染樣品和粒度不均等問題。

2 納米硒的化學(xué)制備方法

化學(xué)法是指利用氧化還原反應(yīng)制備納米硒，維生素C、Na2SeO3（亞硫酸鈉）、硫代硫酸鈉、肼等化學(xué)試劑為常用的還原劑，亞硒酸鹽或硒酸鹽或二氧化硒為硒源，用作氧化劑，被還原成納米硒。在氧化還原過程中，顆粒粒徑可通過加入模板或者改變反應(yīng)條件控制。納米硒初形成時(shí)顏色為紅色，易變成灰黑色的毒性硒。為使納米硒穩(wěn)定存在，合成過程中加入表面活性劑等作為分散劑、穩(wěn)定劑。化學(xué)法包含以下幾種方法。

2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法將無機(jī)鹽包括金屬醇鹽通過水解或溶解制成溶膠，使溶質(zhì)聚合凝膠化，將凝膠干燥、焙燒得納米材料。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物納米硒純度高且粒徑均勻；制備過程簡(jiǎn)單，能在分子水平上均勻摻雜，且合成溫度低。缺點(diǎn)是原料貴，耗時(shí)長(zhǎng)，烘干后易團(tuán)聚。中國(guó)專利CN 1789113A公開了納米硒溶膠的制備，將亞硒酸或亞硒酸鹽水溶液加入保護(hù)劑和還原劑，在超聲波處理下制得球形納米硒，其粒徑為9～47 nm[9]。

2.2 水熱反應(yīng)法

水熱反應(yīng)法是利用高溫、高壓的水熱條件促進(jìn)水解反應(yīng)制備納米硒。某些熱力學(xué)反應(yīng)在水熱條件下可得納米粉體（包括金屬合金、單金屬或金屬氧化物等納米粉體）。在水熱反應(yīng)過程中，溫度、pH和時(shí)間直接影響納米晶體結(jié)構(gòu)、形態(tài)和純度。水熱法是濕化學(xué)方法，需要在密閉容器內(nèi)進(jìn)行，溫度和壓力是區(qū)別水熱法與溶膠-凝膠法的主要方面。

水熱法優(yōu)點(diǎn)是不用高溫灼燒也能得到微小顆粒，所得微粒有良好的分散性和結(jié)晶性。缺點(diǎn)是反應(yīng)過程需要高溫高壓，對(duì)使用的設(shè)備具有較高依賴性和嚴(yán)格的要求。王百木等[10]在HAc-NaAc緩沖液體系中，加入聚乙烯醇，利用Na2SeO3的歧化反應(yīng)制備水熱反應(yīng)的前驅(qū)體，經(jīng)過水熱處理制得三方晶型納米硒棒，長(zhǎng)30～80 nm，產(chǎn)率高、形貌穩(wěn)定。

2.3 溶液蒸發(fā)熱分解法

溶液蒸發(fā)熱分解法分為溶劑蒸發(fā)、燃燒、焙燒、噴霧干燥等幾種。溶液蒸發(fā)熱分解法制得均勻的粉體材料，在制備中鹽溶液發(fā)生快速蒸發(fā)、升華、冷凝和脫水過程。Gates等[11]以亞硒酸和肼為原料，采用溶液蒸發(fā)熱分解法通過氧化還原反應(yīng)制納米硒，產(chǎn)物是單晶硒納米線。

2.4 液-液界面合成法或表面活性劑合成法

液-液界面合成法是利用表面活性劑對(duì)初形成納米硒的吸附、分散、共價(jià)作用等將納米硒攜帶至互不相溶的液-液界面處，結(jié)晶進(jìn)一步生長(zhǎng)形成一維納米硒晶體。宋吉明等[12]以十六烷基三甲基溴化銨為表面活性劑，在加入量0.5%的條件下，以水合肼還原0.05 mol/L亞硒酸溶液，反應(yīng)結(jié)束加入正丁醇進(jìn)行振蕩、靜置，兩相分層后形成紅色液-液界面，該界面有納米硒粒子聚集，常溫、常壓維持12 h后，即得晶態(tài)硒，晶態(tài)硒是一維三方相結(jié)構(gòu)。在合成反應(yīng)過程中，均相反應(yīng)液中納米硒粒子形成后，需加入與該反應(yīng)液互不相溶的溶劑，以便構(gòu)成互不相容的兩相，形成液-液界面，在界面上硒納米粒子進(jìn)一步生長(zhǎng)成一維結(jié)構(gòu)。合成反應(yīng)為H2SeO3+N2H4·H2O Se+N2↑+ 4H2O。

反應(yīng)的發(fā)生形成納米硒粒子懸浮液，正丁醇加入懸濁液形成液-液界面。表面活性劑是兩親分子，對(duì)納米硒具有吸附作用，在該界面處，帶著硒納米粒子進(jìn)行有序排列，其疏水基指向油相、親水基指向水相，構(gòu)成微腔，將硒納米粒子包裹其中，從而形成均勻分散、穩(wěn)定的體系，經(jīng)分離等后續(xù)處理可以得到具有一維結(jié)構(gòu)的納米硒。

2.5 模板法

模板法是指選取合適結(jié)構(gòu)和尺寸的模板制備納米粒子。依據(jù)作用機(jī)理模板可分為軟模板、硬模板，硬模板又可分為沸石分子篩模板、高分子固態(tài)模板。硬模板是指利用材料的外表面或者內(nèi)表面為模板，充填在模板中的單體進(jìn)行電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)，并通過時(shí)間控制形成納米顆粒大小，模板去除后即得納米材料。硬模板有較強(qiáng)限域，能對(duì)納米材料的尺寸和大小進(jìn)行調(diào)控。軟模板包括生物分子模板、高分子柔性模板、膠束與反膠束模板、液晶模板。硬模板法制備納米硒，模板去除時(shí)要用有機(jī)溶劑、強(qiáng)堿或強(qiáng)酸，某種程度上增加了工藝流程，可能破壞納米結(jié)構(gòu)。史洪偉等[13]用模板法合成球形納米硒，選用的模板是聚乙烯吡咯烷酮。鄭曉鳳等[14-15]利用模板法制備納米硒，選取桔梗多糖為模板，原料是維生素C和亞硒酸鈉，制備的納米硒粒徑約40 nm；李倩[16]常溫下利用半胱氨酸為模板，制得納米硒粒徑約100 nm。

楊夢(mèng)濤[17]用牡蠣多糖為模板制備納米硒，粒徑約50 nm。李小芳等[18]以羧甲基殼聚糖（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%）為軟模板，亞硒酸鈉、抗壞血酸（質(zhì)量比4∶1）為原料，溫度40～60 ℃，超聲120 min制得紅色球形納米硒，納米硒平均粒徑為18 nm。

2.6 微乳液法

微乳液法是利用在微乳液液滴中的化學(xué)反應(yīng)制備納米顆粒。在表面活性劑存在下，互不相溶的2種液體混合后形成在微觀上不均勻但宏觀上均一體系，其分散相以微乳膠團(tuán)形式存在。pH、表面活性、反應(yīng)物劑質(zhì)量之比及沉淀劑用量等都影響粒子尺寸，通過改變條件，即可調(diào)控其大小。微乳液很小，合成的顆粒很小且分布均勻。該方法所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備或裝置簡(jiǎn)易、操作方便，納米粒徑可控。劉明珠[19]選擇表面活性劑十二烷基硫酸鈉、助表面活性劑正丁醇、溶劑環(huán)己烷構(gòu)建反相微乳液體系，以硒代硫酸鈉的歧化反應(yīng)為基礎(chǔ)制備粒徑40～80 nm納米硒。

2.7 微波合成法

微波法是利用微波供給的反應(yīng)能量合成硒納米粒子的一種方法。微波法優(yōu)點(diǎn)是高效、耗能低、污染少，利于制備分散均勻的納米粒子。黃飛[20]用微波加熱法制備納米硒，微波加熱至120 ℃、30 min制備出納米硒棒束，納米硒棒長(zhǎng)約20 μm、直徑100～120 nm，形狀為榔頭狀。

2.8 光化學(xué)合成法

光化學(xué)合成法是指通過光反應(yīng)合成納米硒，光反應(yīng)產(chǎn)生水合電子和羥基自由基，水合電子特點(diǎn)是強(qiáng)還原性、強(qiáng)反應(yīng)活性，羥基自由基則有強(qiáng)氧化性和反應(yīng)活性，從而發(fā)生反應(yīng)制備納米粒子。該法簡(jiǎn)單、操作迅速、反應(yīng)容易控制。Triantis等[21]采用光催化法制備納米硒，利用POM（多金屬氧酸鹽）為反應(yīng)試劑，4 mL的POM水溶液和丙二醇置于分光光度計(jì)室，用氮?dú)饷摎夂笊w上帽。（SiW12O40）4-的pH設(shè)定1.0，2.5和5.0，采用（PW12O40）3-時(shí)因其僅在pH 1附近穩(wěn)定，需用HClO4進(jìn)行溶液的酸化。在照射時(shí)，亞硒酸溶液變?yōu)樗{(lán)色，用配有冷水循環(huán)過濾器的弧燈進(jìn)行光解，制得粒徑24～110 nm的納米硒。

2.9 電化學(xué)法

電化學(xué)法是對(duì)環(huán)境友好的合成納米硒方法之一，具有高選擇性。電化學(xué)法包括熔鹽電解和水溶液電解，電化學(xué)法用于制備高純金屬超微粒，特別是具有強(qiáng)電負(fù)性的金屬粉末，電化學(xué)法也能用于合成制備半導(dǎo)體粒子；Zhang等[22]選取模板十六烷基三甲基溴化銨，基體用鏡片電極，在其表面化學(xué)控制制備直徑200 nm，長(zhǎng)度10～30 μm的硒納米管。

2.1 0 其他方法

還有許多化學(xué)合成法[23]、（鎢硅酸H4SiW12O40）TSA離子法[24]、多金屬含氧酸鹽光催化作用合成法[25]、聚乙烯醇法[26]、單分子膜誘導(dǎo)硒納米材料[27]等合成納米硒。

3 納米硒的生物合成方法

生物合成法是在綠色環(huán)保發(fā)展理念下發(fā)展起來的一種簡(jiǎn)單、安全、生物相容性、環(huán)保和可回收的方式。生物法制備納米粒子常見的是微生物法和植物法。

3.1 微生物合成法

微生物合成法指通過微生物自身新陳代謝產(chǎn)物將四價(jià)或者六價(jià)硒還原成納米硒。微生物特點(diǎn)是分布廣、數(shù)量多、生命力強(qiáng)和適應(yīng)性高，且具有多種類型代謝產(chǎn)物。劉紅芳[28]使用微生物乳酸菌，亞硒酸鈉作為硒源，微生物法制備得納米硒，產(chǎn)物粒徑50～200 nm。研究表明利用lxz-41菌株[29]、生防菌枯草芽孢桿菌[30]、大腸桿菌MG1655[31]的培養(yǎng)可形成納米硒；王鈺婷[32]發(fā)現(xiàn)奇異變形桿菌Proteus mirabilisYC801和糞產(chǎn)堿菌Alcaligenes faecalisSe03能夠合成納米硒，亞硒酸鈉作為硒源，奇異變形桿菌Proteus mirabilisYC801合成納米硒是球形，平均水合直徑178.3±11.5 nm；糞產(chǎn)堿菌Alcaligenes faecalisSe03合成納米硒也是球形，平均水合直徑273.8±16.9 nm。國(guó)外研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)根瘤菌[33]、Tetrathiobacter kashmirensis[34]等微生物均被用來合成納米硒。生物法特點(diǎn)是合成的納米硒粒徑小、熱穩(wěn)定性高。

Fesharaki等[35]研究微生物法合成納米硒，選取肺炎克雷伯氏菌，將硒的氯化物轉(zhuǎn)化成納米硒，制備的納米硒粒徑是10～550 nm，具有耐壓性與耐高溫性。

3.2 植物合成法或生物質(zhì)法

植物法是指利用植物合成納米硒的方法，利用植物提取物為還原劑和穩(wěn)定劑制備納米硒，植物浸提液中含有多酚、黃酮、維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，其中具有多羥基、氨基、羧基等官能團(tuán)，多羥基類物質(zhì)具有強(qiáng)的還原性，氨基、羧基、醛基等具有強(qiáng)的絡(luò)合性，對(duì)納米硒具有吸附和分散的穩(wěn)定化作用，合成過程避免有毒化學(xué)試劑的大量使用，屬于綠色的納米硒合成方法，但目前在納米硒的制備上未見報(bào)道。植物法合成納米銀已有較多研究，Mohammad等[36]將艾蒿提取液與AgNO3依照6∶4比例混合，制得粒徑為5～20 nm納米銀；任雁宇[37]利用綠茶、銀杏葉、蘋果渣、石榴皮等植物水提取液作為原料，加入AgNO3溶液制備納米銀，得粒徑13～35 nm納米銀，這些對(duì)于納米硒的生物合成提供參考。

4 結(jié)語與展望

4.1 結(jié)語

硒是人體的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，隨著生活水平的改善、健康理念的提升，富硒產(chǎn)品是消費(fèi)者追求的理想產(chǎn)品之一，而天然的富硒食品原料非常有限，富硒農(nóng)產(chǎn)品則更為緊缺，遠(yuǎn)不能滿足需求，基于納米硒具有比無機(jī)硒、有機(jī)硒更低的毒性和安全性，納米硒產(chǎn)品的開發(fā)為解決富硒產(chǎn)品不足帶來希望。核心問題是如何合成納米硒，越來越多的研究者投入極大熱情研究納米硒合成，納米硒合成方法很多，物理方法簡(jiǎn)單快捷，但對(duì)設(shè)備條件有較高要求，所得產(chǎn)物純度低，且粒度不易控制?；瘜W(xué)法原料易得、操作方便，能在原子或分子水平上進(jìn)行合成反應(yīng)，易實(shí)現(xiàn)尺寸、形狀和晶型的可控合成等，其缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜、條件苛刻，常伴有二次污染。在眾多合成方法中生物合成法可避免有毒化學(xué)還原劑、穩(wěn)定分散劑的使用，原料易得，在綠色環(huán)保發(fā)展理念下，會(huì)是納米硒合成的重要發(fā)展方向。相對(duì)而言，在生物合成法中微生物法制備過程需要無菌操作，嚴(yán)格控制pH、溫度等培養(yǎng)條件，而且單一微生物對(duì)硒氧化物的耐受性有限，而生物質(zhì)法則不需無菌條件、合成溫度范圍寬、原料更加豐富易得、操作更簡(jiǎn)單，因此，生物質(zhì)法將是納米硒合成的主攻方向之一。

4.2 展望

植物的種類繁多，其中所含的化學(xué)成分種類很多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一方面給生物質(zhì)法合成納米硒的機(jī)理研究帶來巨大困難，而另一方面給各種尺寸、形貌、功能的納米硒的合成提供無限的可能。在龐大的植物群中人們對(duì)于其化學(xué)成分及其應(yīng)用的研究十分悠久，特別是對(duì)可食用、藥用和藥食兩用的植物研究頗多，對(duì)其化學(xué)成分和活性成分研究比較深入，是納米硒可控合成的基礎(chǔ)，因此，在納米硒合成研究方面需要開展的工作有：1）大力借鑒植物藥學(xué)及食品原料成分研究的成果，必要時(shí)可以多種生物質(zhì)合理搭配定向可控合成納米硒，在納米硒結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特殊功能相關(guān)性方面進(jìn)行深入研究，可望取得更大進(jìn)展。2）納米硒的大小、形貌、結(jié)構(gòu)是影響其特性的重要因素，考慮到生物質(zhì)原料化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，納米硒的定向可控合成還有很長(zhǎng)的路要走，合成中可能得到不同大小、不同形貌結(jié)構(gòu)的混合納米硒，鑒于此，人們可將現(xiàn)代物質(zhì)的分離技術(shù)，如萃取、大孔吸附樹脂分離、凝膠過濾技術(shù)等，甚至電化學(xué)分離技術(shù)應(yīng)用于納米硒顆粒大小的分級(jí)、形貌結(jié)構(gòu)的分類等，在提高納米硒的使用效率和使用的專一性的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)大納米硒的使用范圍。3）多種合成方法相結(jié)合，如水熱合成法在納米材料合成中應(yīng)用很廣，在納米晶體結(jié)構(gòu)、形貌、大小控制方面效果顯著，植物提取液的化學(xué)還原法操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)速率較快，但形貌、大小控制不易，二者結(jié)合可能得意想不到的結(jié)果，多種合成方法的結(jié)合也包括與分離技術(shù)的結(jié)合。