納米硒制備方法研究進展

蘇文，楊輝，董騰達，黃莎莎

陜西科技大學食品與生物工程學院（西安 710021）

硒是人和其他生命體內必需的一種微量元素[1]，是生物體內抗氧化酶系統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重要作用，在人體免疫系統、預防心血管疾病、抗癌等方面具有良好藥理活性。缺硒會影響人體健康，據報道40余種疾病的發生都與缺硒有著直接關系[2]，適當補硒很有必要。

研究發現，與無機硒和有機硒相比較，納米硒具有低毒性、高活性等特點，在保健品生產、動植物養殖、醫藥開發等方面均有應用[3-5]，合成納米硒是解決有機硒資源匱乏的有效途徑。因此，對于納米硒的制備尤其重要。對于納米硒的制備方法研究較多，對納米硒制備的物理、化學和生物的制備方法進行綜述，并對納米硒的未來發展進行展望。

1 納米硒的物理制備方法

物理法常利用機械作用，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]通過升華含硒物質和對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鍵作用。張皓月等[7]用400 ℃高溫將99.999%高純硒粒進行硒化，在常溫下用鹽水猝火，制備塊狀非晶態硒塊，其中包含的納米硒微晶屬六方晶型結構，晶粒尺寸為6～45 nm。

固相法屬于物理法，亦屬化學法，整個操作過程是物理的，而制備的關鍵過程是化學反應。固相法指采用固體材料，對其球磨處理或者高溫處理得到納米粉體，其優點是操作簡單安全，缺點是易引入雜質，制得產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進行粉碎，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用強制攪拌混合機混合，混合摩爾比1∶2，洗滌干燥制得納米硒，粒徑10～30 nm。

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

2 納米硒的化學制備方法

化學法是指利用氧化還原反應制備納米硒，維生素C、Na2SeO3（亞硫酸鈉）、硫代硫酸鈉、肼等化學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條件控制。納米硒初形成時顏色為紅色，易變成灰黑色的毒性硒。為使納米硒穩定存在，合成過程中加入表面活性劑等作為分散劑、穩定劑。化學法包含以下幾種方法。

2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法將無機鹽包括金屬醇鹽通過水解或溶解制成溶膠，使溶質聚合凝膠化，將凝膠干燥、焙燒得納米材料。優點是產物納米硒純度高且粒徑均勻；制備過程簡單，能在分子水平上均勻摻雜，且合成溫度低。缺點是原料貴，耗時長，烘干后易團聚。中國專利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 水熱反應法

水熱反應法是利用高溫、高壓的水熱條件促進水解反應制備納米硒。某些熱力學反應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）。在水熱反應過程中，溫度、pH和時間直接影響納米晶體結構、形態和純度。水熱法是濕化學方法，需要在密閉容器內進行，溫度和壓力是區別水熱法與溶膠-凝膠法的主要方面。

水熱法優點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晶性。缺點是反應過程需要高溫高壓，對使用的設備具有較高依賴性和嚴格的要求。王百木等[10]在HAc-NaAc緩沖液體系中，加入聚乙烯醇，利用Na2SeO3的歧化反應制備水熱反應的前驅體，經過水熱處理制得三方晶型納米硒棒，長30～80 nm，產率高、形貌穩定。

2.3 溶液蒸發熱分解法

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

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初形成納米硒的吸附、分散、共價作用等將納米硒攜帶至互不相溶的液-液界面處，結晶進一步生長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，反應結束加入正丁醇進行振蕩、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，即得晶態硒，晶態硒是一維三方相結構。在合成反應過程中，均相反應液中納米硒粒子形成后，需加入與該反應液互不相溶的溶劑，以便構成互不相容的兩相，形成液-液界面，在界面上硒納米粒子進一步生長成一維結構。合成反應為H2SeO3+N2H4·H2O Se+N2↑+ 4H2O。

反應的發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，對納米硒具有吸附作用，在該界面處，帶著硒納米粒子進行有序排列，其疏水基指向油相、親水基指向水相，構成微腔，將硒納米粒子包裹其中，從而形成均勻分散、穩定的體系，經分離等后續處理可以得到具有一維結構的納米硒。

2.5 模板法

模板法是指選取合適結構和尺寸的模板制備納米粒子。依據作用機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、高分子固態模板。硬模板是指利用材料的外表面或者內表面為模板，充填在模板中的單體進行電化學、化學反應，并通過時間控制形成納米顆粒大小，模板去除后即得納米材料。硬模板有較強限域，能對納米材料的尺寸和大小進行調控。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，模板去除時要用有機溶劑、強堿或強酸，某種程度上增加了工藝流程，可能破壞納米結構。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（質量分數為0.5%）為軟模板，亞硒酸鈉、抗壞血酸（質量比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反應制備納米顆粒。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形式存在。pH、表面活性、反應物劑質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。該方法所需實驗設備或裝置簡易、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、溶劑環己烷構建反相微乳液體系，以硒代硫酸鈉的歧化反應為基礎制備粒徑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能量合成硒納米粒子的一種方法。微波法優點是高效、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，納米硒棒長約20 μm、直徑100～120 nm，形狀為榔頭狀。

2.8 光化學合成法

光化學合成法是指通過光反應合成納米硒，光反應產生水合電子和羥基自由基，水合電子特點是強還原性、強反應活性，羥基自由基則有強氧化性和反應活性，從而發生反應制備納米粒子。該法簡單、操作迅速、反應容易控制。Triantis等[21]采用光催化法制備納米硒，利用POM（多金屬氧酸鹽）為反應試劑，4 mL的POM水溶液和丙二醇置于分光光度計室，用氮氣脫氣后蓋上帽。（SiW12O40）4-的pH設定1.0，2.5和5.0，采用（PW12O40）3-時因其僅在pH 1附近穩定，需用HClO4進行溶液的酸化。在照射時，亞硒酸溶液變為藍色，用配有冷水循環過濾器的弧燈進行光解，制得粒徑24～110 nm的納米硒。

2.9 電化學法

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

2.1 0 其他方法

還有許多化學合成法[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保發展理念下發展起來的一種簡單、安全、生物相容性、環保和可回收的方式。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物將四價或者六價硒還原成納米硒。微生物特點是分布廣、數量多、生命力強和適應性高，且具有多種類型代謝產物。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]的培養可形成納米硒；王鈺婷[32]發現奇異變形桿菌Proteus mirabilisYC801和糞產堿菌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。國外研究學者發現根瘤菌[33]、Tetrathiobacter kashmirensis[34]等微生物均被用來合成納米硒。生物法特點是合成的納米硒粒徑小、熱穩定性高。

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、蛋白質等物質，其中具有多羥基、氨基、羧基等官能團，多羥基類物質具有強的還原性，氨基、羧基、醛基等具有強的絡合性，對納米硒具有吸附和分散的穩定化作用，合成過程避免有毒化學試劑的大量使用，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，這些對于納米硒的生物合成提供參考。

4 結語與展望

4.1 結語

硒是人體的重要營養元素之一，隨著生活水平的改善、健康理念的提升，富硒產品是消費者追求的理想產品之一，而天然的富硒食品原料非常有限，富硒農產品則更為緊缺，遠不能滿足需求，基于納米硒具有比無機硒、有機硒更低的毒性和安全性，納米硒產品的開發為解決富硒產品不足帶來希望。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，物理方法簡單快捷，但對設備條件有較高要求，所得產物純度低，且粒度不易控制。化學法原料易得、操作方便，能在原子或分子水平上進行合成反應，易實現尺寸、形狀和晶型的可控合成等，其缺點是制備工藝復雜、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還原劑、穩定分散劑的使用，原料易得，在綠色環保發展理念下，會是納米硒合成的重要發展方向。相對而言，在生物合成法中微生物法制備過程需要無菌操作，嚴格控制pH、溫度等培養條件，而且單一微生物對硒氧化物的耐受性有限，而生物質法則不需無菌條件、合成溫度范圍寬、原料更加豐富易得、操作更簡單，因此，生物質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，其中所含的化學成分種類很多、結構復雜，一方面給生物質法合成納米硒的機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于其化學成分及其應用的研究十分悠久，特別是對可食用、藥用和藥食兩用的植物研究頗多，對其化學成分和活性成分研究比較深入，是納米硒可控合成的基礎，因此，在納米硒合成研究方面需要開展的工作有：1）大力借鑒植物藥學及食品原料成分研究的成果，必要時可以多種生物質合理搭配定向可控合成納米硒，在納米硒結構、形態和特殊功能相關性方面進行深入研究，可望取得更大進展。2）納米硒的大小、形貌、結構是影響其特性的重要因素，考慮到生物質原料化學組成、結構的復雜性，納米硒的定向可控合成還有很長的路要走，合成中可能得到不同大小、不同形貌結構的混合納米硒，鑒于此，人們可將現代物質的分離技術，如萃取、大孔吸附樹脂分離、凝膠過濾技術等，甚至電化學分離技術應用于納米硒顆粒大小的分級、形貌結構的分類等，在提高納米硒的使用效率和使用的專一性的同時，進一步擴大納米硒的使用范圍。3）多種合成方法相結合，如水熱合成法在納米材料合成中應用很廣，在納米晶體結構、形貌、大小控制方面效果顯著，植物提取液的化學還原法操作簡單，反應速率較快，但形貌、大小控制不易，二者結合可能得意想不到的結果，多種合成方法的結合也包括與分離技術的結合。