含硒表界面化学

夏嘉豪，许华平

（清华大学化学系,北京100084）

硒元素是人体内一种重要的微量元素，它最早由瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius于1817年发现［1］，距今已经有超过200年的历史. 在漫长的岁月中，硒元素并未引起人们的注意. 直到1973年科学家发现了老鼠血细胞中含有一种名为谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）的物质［2］. 这种酶能够催化过氧化物的分解从而维持生物体内氧化还原的平衡. 进一步的研究表明，这种酶的催化活性与其所含的硒元素密切相关. 之后，有机硒化学获得了长足的发展，当代药物化学研究发现多种含硒小分子化合物均具有良好的生物活性［3～5］. 此外，Long 等［6］在研究地球上的3次海洋生物大灭绝现象时发现，每次生物大灭绝均伴随着海洋中硒元素浓度的大幅下降，说明硒元素与有机生命的延续之间可能存在某种深层次的联系. 硒元素在生命科学领域的重要作用均与其化学性质相关. 硒元素与硫元素同为氧族元素，两者具有相似的化学性质. 但与硫元素相比，硒元素的原子半径更大且电负性更低，这使得含硒化合物具有更高的反应活性. 本课题组在含硒高分子领域已开展超过10年的研究，取得了一系列成果. 首先，本课题组报道了二硒键的氧化还原双重响应性［7］. 二硒键能够在非常温和的氧化剂作用下生成亚硒酸结构，也可以在温和的还原剂作用下生成硒醇结构. 氧化还原反应均会导致二硒键的断裂，因此含有二硒键的两亲性高分子有望应用于药物可控释放体系的构筑［8～13］. 随后，本课题组提出了含硒动态共价键的概念，报道了Se—N键、Se—Se键及S—S键等一系列具有光响应性的动态共价键，它们在不同波长的光照射下能够发生交换反应［14～16］. 基于这一原理，含有二硒键的体相高分子材料可以实现自修复［17］、光塑性、形状记忆［18］、图案化［19］及信息存储［20］等多种功能.

Fig.1 Selenium⁃containing surface/interface chemistry

表界面是材料与环境相互作用最直接的场所，表面性质（浸润性、黏附性、稳定性及生物相容性等）是影响材料功能的重要因素［21］. 随着应用领域的不断拓展与深入，人们对表界面材料寄予了越来越高的期待. 通过将硒化学与表界面体系相结合，一方面可以采用表界面表征手段对含硒动态化学开展多角度、深层次的机理研究，另一方面可以基于硒化学的独特性质为特殊功能化表界面的设计提供新的方法与思路. 本文首先介绍了我们课题组关于含硒键的单分子力谱的研究，随后介绍了含硒共价键的表界面动态交换反应，最后介绍了基于硒化学刺激响应性的功能化表界面体系及其潜在应用（图1）.

Fig.2 Single molecule force spectroscopy of gold⁃chalcogen interaction[29]

1 含硒化学键的单分子力谱研究

基于原子力显微镜的单分子力谱技术（AFM-SMFS）能够测量单分子尺度上相互作用力的大小，进而从力学角度为各类不同强度化学键的研究提供新的支持［22～24］. Gaub等［25］利用SMFS测量得到共价键硅碳单键（Si—C）的断裂力值约为2.0 nN，Zhang 等［26］报道了单个芘环之间的π-π相互作用力仅有55 pN. 硫—金（Au—S）相互作用因其在分子识别、纳米图案化、光学材料、药物递送及传感诊断等诸多领域的应用而备受关注［27，28］. 由于硒元素、碲元素与硫元素同族，具有相似的价电子结构，因此Se与Te也能与Au形成类似的Au—Se和Au—Te相互作用. 因此，研究Au—S，Au—Se和Au—Te 3种相互作用的强弱顺序具有重要的意义，能够帮助科学家更好地调控体系的化学性质与功能. 本课题组使用AFM-SMFS对Au与3种氧族元素之间相互作用的强弱进行了研究［图2（A）］［29］，设计合成了3种分别含有硫醚、硒醚和碲醚重复单元的A-B-A型两亲性高分子，其中A链段为亲水的聚乙二醇结构（PEG），B链段为疏水的聚氨酯结构（PU）. 3种高分子可以分别通过Au—S，Au—Se和Au—Te 3种相互作用吸附到Au 基底表面，AFM 探针可以与PEG 部分通过物理吸附相连接［图2（B）］. 当探针远离表面的时候，高分子链被拉伸，导致高分子中的硫醚、硒醚及碲醚重复单元与Au基底间的相互作用依次被破坏，从而获得锯齿状力曲线［图2（C）］. 通过蠕虫链模型对力曲线进行分析，高分子的持续长度为0.35 nm，与PEG的结构相吻合，同时单次断裂信号间的伸长量ΔL对于含S，Se和Te高分子分别约为3.94，3.98和3.85 nm，与高分子中相邻两个氧族元素（S，Se，Te）间的理论距离非常接近［图2（D）］. 这些证据表明实验所得数据为单根高分子被拉伸的力曲线. 通过对实验所得的力曲线进行统计分析，再用高斯函数对图2（E）进行拟合，可以得到Au—S，Au—Se和Au—Te3种相互作用的断裂力值分别为（420±97），（500±105）和（582±107）pN，它们的强弱顺序依次为Au—Te＞Au—Se＞Au—S. 基于密度泛函理论（DFT）的计算结果也与实验结果相吻合. 研究结果表明，对于常见的Au-S 相互作用体系，可以使用Au—Se和Au—Te相互作用进行替换，有望提升体系的稳定性.

动态共价键（DCB）是一种在外界刺激下能够发生可逆断裂、生成及重组的一类特殊化学键［30］，S—S键就是广泛存于蛋白质中的一类动态共价键［31］. 近期的研究结果表明许多含硒的化学键均为动态共价键，如Se—S，Se—Se和Se—Te键等［32～35］. 其中，S—S键的动态交换反应需要在能量较高的紫外光辐照下才能进行，Se—S 与Se—Se 键的交换反应仅需可见光辐照，同时Se—S 交换所需的波长要比Se—Se更短. 通过鲍林方程可知，S—S，Se—S和Se—Se键的键能依次为240，203和172 kJ/mol［36］，从热力学的角度说明三者的强弱顺序依次是S—S＞Se—S＞Se—Se. 我们在石英基底上分别修饰了含有单个S—S，Se—S 和Se—Se 键的PEG 高分子，并利用AFM-SMFS 测量了其断裂力值依次为（1450±300），（1320±330）和（1100±300）pN，从动力学的角度同样验证了三者的强弱关系［37］. 更重要的是，单分子力谱的结果显示含硒/硫动态共价键的断裂力值介于非共价相互作用与经典共价键之间，从力学的角度解释了动态共价键兼具共价键稳定性与超分子相互作用动态性的原因，加深了对动态共价键本质的理解.

2 二硒键的界面动态交换

二硒键是一种可见光响应的动态共价键［32］. 在可见光照射下，无需添加任何催化剂，两分子对称的二硒化合物（R1SeSeR1和R2SeSeR2）即可发生交换反应生成非对称的二硒化合物（R1SeSeR2）. 受制于热力学平衡，在两种反应物摩尔比为1∶1的条件下，反应的转化率为50%. 实现对动态共价键各组分的调控是动态化学的重要研究内容，在有机合成和药物化学领域具有重要的现实意义. 本课题组采用两亲分子组装形成胶束的方式实现了对二硒动态共价平衡的调控［图3（A）］［38］，分别合成了一种具有乙二醇结构的亲水性二硒化合物（HOEG4Se）2和一种具有芳环结构的疏水性二硒化合物（BnSe）2. 将（HOEG4Se）2溶解于去离子水中，（BnSe）2溶解于二氯甲烷（DCM）中，利用悬垂液滴测试构筑了一个油/水界面模型［图3（B）］，并持续监控油/水界面张力随时间的变化. 由图3（B）可见，对于不加入任何二硒分子的对照组，油/水界面能保持稳定；而加入两种二硒分子的实验组，随着光照时间的延长油/水界面能不断下降，说明两种分子能够在界面处发生动态交换反应，生成两亲性的非对称二硒分子HOEG4SeSeBn. 该分子类似于表面活性剂，降低了油/水界面张力. 两亲性的分子在水溶液中可以自组装形成胶束结构. 为了提升组装体的稳定性，我们采用与前述模型分子具有相似结构的聚乙二醇二硒醚（mPEGSe）2与聚苯乙烯二硒醚（PSSe）2进行实验. 由图3（C）可见，两种含二硒键高分子发生二硒交换反应所得的两亲性高分子mPEGSeSePS 能够在水溶液中自组装形成球状胶束，通过动态光散射（DLS）及透射电子显微镜（TEM）可以测得胶束的粒径与PEG的长度相关，当PEG分子量为5000时，组装体的尺寸约为80 nm. 通过过滤除去体系中未参与交换反应的聚苯乙烯二硒醚，透析除去体系中未参与交换反应的聚乙二醇二硒醚，即可分离得到两亲性产物高分子的组装体溶液. 通过对比光照前后组装体溶液的DLS数据和凝胶渗透色谱（GPC）谱图［图3（D）］可知，处于组装体状态下的二硒化合物具有良好的光稳定性，不再发生交换反应. 因此，通过两亲高分子自组装的方法稳定了非对称二硒产物，改变了交换体系中各组分的平衡，实现了对二硒动态共价平衡的调控.

Fig.3 Diselenide interface exchange reaction and the modulation of dynamic equilibrium[38]

Fig.4 Osmotic pressure response of diselenide⁃containing polymeric vesicles and its controlled release application[40]

渗透压响应是自然界中一种常见的物理现象，对生物系统的调控起到关键作用. 具有渗透压响应的体系可能在药物控释体系中具有潜在应用价值［39］. 单分子力谱研究［37］表明，二硒键可以在外力作用下发生断裂. 本课题组设计了一种含二硒键的高分子囊泡［图4（A）］，通过向囊泡内外施加渗透压力打断二硒键，实现了含二硒键囊泡的可控释放［40］. 为了研究二硒键在其中起到的关键作用，我们合成了两种结构与分子量均高度相似的高分子，其中实验组的高分子mPEGSeSePS亲疏水链段间通过二硒键连接，而对照组高分子mPEGCOOPS 亲疏水链段间通过酯键连接［图4（B）］. C—O 键的键能为358 kJ/mol，远高于二硒键的键能（172 kJ/mol），因此C—O键比Se—Se键在热力学上更加稳定. 通过调节PEG链与PS链的比例，两种高分子均能够在水中组装形成中空的囊泡结构，扫描电子显微镜（SEM）及TEM均表明其尺寸约为600 nm［图4（C）和（D）］. 向组装体溶液中加入NaCl形成饱和溶液后，mPEGSeSePS组装体会聚集形成沉淀，而mPEGCOOPS组装体的形貌未发生显著改变. 进一步使用核磁共振氢谱（1H NMR）、X 射线光电子能谱（XPS）及GPC 对加入NaCl 后组装体渗透压响应的机理进行探索［图4（E）和（F）］. 结果表明，加入NaCl能够在囊泡内外侧形成渗透压打断二硒键，从而导致组装体结构被破坏. 二硒键断裂后，PEG链段溶解于水中而PS链段聚集形成沉淀. 含二硒囊泡mPEGSeSePS可以包载亲水性荧光分子，在溶液渗透压作用下实现可控释放.

3 含硒表界面修饰

Fig.5 Surface modification based on diselenide dynamic chemistry[41]

利用物理或者化学手段对玻璃、金属及聚合物等普通材料表面进行修饰，从而赋予材料本身不具有的特殊功能，这已成为表界面化学领域的研究热点［21］. 将动态共价键引入表界面修饰可以实现表界面性质在外界刺激下的可逆变化. 基于可见光响应的二硒动态化学，本课题组发展了一种温和且高效的表面修饰方法，该方法对于石英和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等常见基底均适用［图5（A）］［41］. 我们首先通过硅烷化试剂在基底表面修饰上氨基，随后使用两端含有羧基的5，5′-二硒醚二戊酸（HOOCC4Se）2与氨基发生酰胺化反应，在基底引入二硒键. 通过水接触角（WCA）、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）及XPS等方法对二硒键修饰后的基底进行表征. ToF-SIMS谱图［图5（B）］反映了表面Se元素的分布，颜色越黄表示Se元素浓度越高. 可以发现在200 μm×200 μm的范围内，Se元素在基底上呈现出相对均匀的分布. XPS能谱表明基底上有C，N和Se等元素，其中Se3d能谱在55.9 eV处有一个单峰，通过参考XPS手册可以判断其为二硒醚结构. 这些结果均表明二硒键被顺利修饰在基底表面. 由于二硒键在可见光照射下能发生动态交换，我们依次使用亲水二硒分子（HOEG4Se）2和疏水二硒分子（C12Se）2交替与基底表面发生交换反应，成功实现了对表面浸润性的可逆调控［图5（D）］. 接下来我们用同样的方法在商用玻璃毛细管的内壁修饰了二硒键，在黑暗条件下将这种毛细管插入溶解有亲水二硒分子（HOEG4Se）2的水溶液中. 向体系施加光照时，溶液中的亲水二硒分子与毛细管内壁的二硒键在光照下发生交换反应，从而提升内壁的亲水性. 在毛细作用下，毛细管内液柱的高度随着光照时间的延长而不断攀升［图5（E）］，实现了可见光驱动的液体输运过程. 除了液体输运，基于二硒动态化学的表面修饰还可用于表面生物偶联，在医学诊断及传感等领域有潜在应用.

氧化石墨烯（GO）是一类重要的二维碳材料，主要由共价键连接的碳骨架构成，碳层上含有一系列不同的含氧官能团，包括羟基、环氧基及羧基等［42］. 这些含氧官能团使得GO具有良好的水溶性及易修饰的反应位点，修饰后的GO在催化、传感、药物递送及抗肿瘤领域具有良好的应用前景［43］. 但现有的GO化学修饰方法面临许多挑战. 非共价修饰所得的GO在复杂的生理环境下稳定性欠佳，而传统的共价修饰方法存在反应条件较苛刻、反应时间较长的不足. 因此，发展一种简便而温和的GO共价修饰手段具有重要的研究意义. 由于GO材料具有氧化性［44］，同时其平面共轭的碳碳双键结构容易被自由基进攻［45］，我们利用二硒键易被氧化和在可见光照射下生成硒自由基的特征，采用温和的一锅煮方法实现了GO 的修饰［46］，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、XPS 和ToF-SIMS 等多种手段对修饰后的GO材料进行表征，推断出反应的机理可能涉及自由基加成和氧化还原两种反应类型. 所得的含硒GO材料在体外细胞实验中表现出调控活性氧物种（ROS）浓度的作用.

Fig.6 Using LbL to construct selenium⁃containing nanofilm materials[50]

层层组装（LbL）是一种制备纳米薄膜材料的有效方法. LbL可以结合聚电解质、纳米颗粒、胶体和生物大分子等多种组装基元，制备出性能多样的表界面材料［47～49］. 基于LbL技术，本课题组制备了一种能够消除活性氧物种的纳米复合薄膜［图6（A）］［50］. 我们合成了一种两端为金刚烷封端的含二硒键两亲性嵌段高分子Ad-PEG-PUSeSe-PEG-Ad，它可以在水中自组装形成胶束结构，这些高分子胶束可以与表面带有β-环糊精的纳米颗粒通过主客体相互作用层层组装得到纳米复合膜. 由于二硒键可以被ROS 氧化，因此该纳米复合膜能够有效清除过量的ROS. 以H2O2作为ROS 与纳米复合膜接触，通过UV-Vis光谱监控波长255 nm处纳米复合膜特征峰的变化可以发现，随着H2O2浓度的增加，纳米膜的结构被破坏，吸收强度减弱［图6（B）］. 我们还采用电子顺磁共振（EPR）对ROS的消耗进行了直接表征.TiO2水溶液在紫外光照射下能产生·OH 和·HO2等ROS. 将不同层数的纳米复合膜浸润在TiO2水溶液中，研究它们对活性氧自由基的消耗能力. EPR结果［图6（C）］表明，含二硒键纳米复合膜能有效降低溶液中的ROS浓度，且能力与纳米复合膜的层数正相关.

利用含二硒键的LbL膜还可以实现化疗和光动力治疗的结合［51］. 我们合成了同时含有二硒键与哌嗪结构的聚阳离子高分子，它可以和聚阴离子高分子聚苯乙烯磺酸钠及光敏剂卟啉（Por）通过层层组装形成含有二硒键的LbL 膜. 在温和的可见光辐照下，卟啉会产生ROS 并氧化二硒键，从而破坏LbL膜的结构. 如果预先在LbL膜的制备过程中加入抗肿瘤药物，则在LbL膜被光照破坏的同时就能够可控地释放出药物，有望实现化疗和光动力治疗的结合.

4 总结与展望

以二硒键为代表的一系列含硒化学键因其独特的氧化还原及可见光等多重响应性，受到了研究者们越来越多的关注. 以基于原子力显微镜的单分子力谱为代表，我们发现表界面化学的研究方法能够帮助科研工作者更加深入地理解含硒化学键的本质. 同时，通过将含硒化学键这些独特的响应性结构引入表界面化学的体系中，可以为解决表界面化学中现存的一些挑战提供新的方法和思路. 本文展示了含硒表界面化学在可控释放体系、材料表界面修饰及抗肿瘤治疗等诸多领域的潜在应用. 值得一提的是，含硒表界面化学还处于起步阶段，该领域有大量的可能等待去探索. 例如，利用含硒动态键的可见光响应及氧化还原响应特征，有望实现多种二维材料的含硒修饰并体现协同效应，在电子和催化等领域实现突破. 随着对含硒化学键研究的逐步深入，这一类独特的化学将会为表界面领域的研究及发展做出更大的贡献.