纳米硒制备方法研究进展

苏文，杨辉，董腾达，黄莎莎

陕西科技大学食品与生物工程学院（西安 710021）

硒是人和其他生命体内必需的一种微量元素[1]，是生物体内抗氧化酶系统的重要组成成分之一，能有效清除自由基，在抑制活性氧的生成方面有着至关重要作用，在人体免疫系统、预防心血管疾病、抗癌等方面具有良好药理活性。缺硒会影响人体健康，据报道40余种疾病的发生都与缺硒有着直接关系[2]，适当补硒很有必要。

研究发现，与无机硒和有机硒相比较，纳米硒具有低毒性、高活性等特点，在保健品生产、动植物养殖、医药开发等方面均有应用[3-5]，合成纳米硒是解决有机硒资源匮乏的有效途径。因此，对于纳米硒的制备尤其重要。对于纳米硒的制备方法研究较多，对纳米硒制备的物理、化学和生物的制备方法进行综述，并对纳米硒的未来发展进行展望。

1 纳米硒的物理制备方法

物理法常利用机械作用，包括摩擦、挤压、剪切、冲击、超声等处理固体原料制备纳米硒，或通过升华冷凝法改变硒分子间作用力制备纳米硒，Umehara等[6]通过升华含硒物质和对无定形硒的退火处理制备三方相单晶硒，温度在该过程中起到关键作用。张皓月等[7]用400 ℃高温将99.999%高纯硒粒进行硒化，在常温下用盐水猝火，制备块状非晶态硒块，其中包含的纳米硒微晶属六方晶型结构，晶粒尺寸为6～45 nm。

固相法属于物理法，亦属化学法，整个操作过程是物理的，而制备的关键过程是化学反应。固相法指采用固体材料，对其球磨处理或者高温处理得到纳米粉体，其优点是操作简单安全，缺点是易引入杂质，制得产物颗粒不均匀且形状难控等。孙金全等[8]利用固相法制备纳米硒，以二氧化硒为氧化剂、氯化钠为分散剂、维生素C为还原剂，三者均用万能粉碎机进行粉碎，将粉碎后的二氧化硒若和氯化钠混合，混合摩尔比1∶4，若与粉碎后的维生素C用强制搅拌混合机混合，混合摩尔比1∶2，洗涤干燥制得纳米硒，粒径10～30 nm。

物理法对环境友好，为绿色、高效制备纳米硒提供理论依据，但存在能耗较大、易污染样品和粒度不均等问题。

2 纳米硒的化学制备方法

化学法是指利用氧化还原反应制备纳米硒，维生素C、Na2SeO3（亚硫酸钠）、硫代硫酸钠、肼等化学试剂为常用的还原剂，亚硒酸盐或硒酸盐或二氧化硒为硒源，用作氧化剂，被还原成纳米硒。在氧化还原过程中，颗粒粒径可通过加入模板或者改变反应条件控制。纳米硒初形成时颜色为红色，易变成灰黑色的毒性硒。为使纳米硒稳定存在，合成过程中加入表面活性剂等作为分散剂、稳定剂。化学法包含以下几种方法。

2.1 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法将无机盐包括金属醇盐通过水解或溶解制成溶胶，使溶质聚合凝胶化，将凝胶干燥、焙烧得纳米材料。优点是产物纳米硒纯度高且粒径均匀；制备过程简单，能在分子水平上均匀掺杂，且合成温度低。缺点是原料贵，耗时长，烘干后易团聚。中国专利CN 1789113A公开了纳米硒溶胶的制备，将亚硒酸或亚硒酸盐水溶液加入保护剂和还原剂，在超声波处理下制得球形纳米硒，其粒径为9～47 nm[9]。

2.2 水热反应法

水热反应法是利用高温、高压的水热条件促进水解反应制备纳米硒。某些热力学反应在水热条件下可得纳米粉体（包括金属合金、单金属或金属氧化物等纳米粉体）。在水热反应过程中，温度、pH和时间直接影响纳米晶体结构、形态和纯度。水热法是湿化学方法，需要在密闭容器内进行，温度和压力是区别水热法与溶胶-凝胶法的主要方面。

水热法优点是不用高温灼烧也能得到微小颗粒，所得微粒有良好的分散性和结晶性。缺点是反应过程需要高温高压，对使用的设备具有较高依赖性和严格的要求。王百木等[10]在HAc-NaAc缓冲液体系中，加入聚乙烯醇，利用Na2SeO3的歧化反应制备水热反应的前驱体，经过水热处理制得三方晶型纳米硒棒，长30～80 nm，产率高、形貌稳定。

2.3 溶液蒸发热分解法

溶液蒸发热分解法分为溶剂蒸发、燃烧、焙烧、喷雾干燥等几种。溶液蒸发热分解法制得均匀的粉体材料，在制备中盐溶液发生快速蒸发、升华、冷凝和脱水过程。Gates等[11]以亚硒酸和肼为原料，采用溶液蒸发热分解法通过氧化还原反应制纳米硒，产物是单晶硒纳米线。

2.4 液-液界面合成法或表面活性剂合成法

液-液界面合成法是利用表面活性剂对初形成纳米硒的吸附、分散、共价作用等将纳米硒携带至互不相溶的液-液界面处，结晶进一步生长形成一维纳米硒晶体。宋吉明等[12]以十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂，在加入量0.5%的条件下，以水合肼还原0.05 mol/L亚硒酸溶液，反应结束加入正丁醇进行振荡、静置，两相分层后形成红色液-液界面，该界面有纳米硒粒子聚集，常温、常压维持12 h后，即得晶态硒，晶态硒是一维三方相结构。在合成反应过程中，均相反应液中纳米硒粒子形成后，需加入与该反应液互不相溶的溶剂，以便构成互不相容的两相，形成液-液界面，在界面上硒纳米粒子进一步生长成一维结构。合成反应为H2SeO3+N2H4·H2O Se+N2↑+ 4H2O。

反应的发生形成纳米硒粒子悬浮液，正丁醇加入悬浊液形成液-液界面。表面活性剂是两亲分子，对纳米硒具有吸附作用，在该界面处，带着硒纳米粒子进行有序排列，其疏水基指向油相、亲水基指向水相，构成微腔，将硒纳米粒子包裹其中，从而形成均匀分散、稳定的体系，经分离等后续处理可以得到具有一维结构的纳米硒。

2.5 模板法

模板法是指选取合适结构和尺寸的模板制备纳米粒子。依据作用机理模板可分为软模板、硬模板，硬模板又可分为沸石分子筛模板、高分子固态模板。硬模板是指利用材料的外表面或者内表面为模板，充填在模板中的单体进行电化学、化学反应，并通过时间控制形成纳米颗粒大小，模板去除后即得纳米材料。硬模板有较强限域，能对纳米材料的尺寸和大小进行调控。软模板包括生物分子模板、高分子柔性模板、胶束与反胶束模板、液晶模板。硬模板法制备纳米硒，模板去除时要用有机溶剂、强碱或强酸，某种程度上增加了工艺流程，可能破坏纳米结构。史洪伟等[13]用模板法合成球形纳米硒，选用的模板是聚乙烯吡咯烷酮。郑晓凤等[14-15]利用模板法制备纳米硒，选取桔梗多糖为模板，原料是维生素C和亚硒酸钠，制备的纳米硒粒径约40 nm；李倩[16]常温下利用半胱氨酸为模板，制得纳米硒粒径约100 nm。

杨梦涛[17]用牡蛎多糖为模板制备纳米硒，粒径约50 nm。李小芳等[18]以羧甲基壳聚糖（质量分数为0.5%）为软模板，亚硒酸钠、抗坏血酸（质量比4∶1）为原料，温度40～60 ℃，超声120 min制得红色球形纳米硒，纳米硒平均粒径为18 nm。

2.6 微乳液法

微乳液法是利用在微乳液液滴中的化学反应制备纳米颗粒。在表面活性剂存在下，互不相溶的2种液体混合后形成在微观上不均匀但宏观上均一体系，其分散相以微乳胶团形式存在。pH、表面活性、反应物剂质量之比及沉淀剂用量等都影响粒子尺寸，通过改变条件，即可调控其大小。微乳液很小，合成的颗粒很小且分布均匀。该方法所需实验设备或装置简易、操作方便，纳米粒径可控。刘明珠[19]选择表面活性剂十二烷基硫酸钠、助表面活性剂正丁醇、溶剂环己烷构建反相微乳液体系，以硒代硫酸钠的歧化反应为基础制备粒径40～80 nm纳米硒。

2.7 微波合成法

微波法是利用微波供给的反应能量合成硒纳米粒子的一种方法。微波法优点是高效、耗能低、污染少，利于制备分散均匀的纳米粒子。黄飞[20]用微波加热法制备纳米硒，微波加热至120 ℃、30 min制备出纳米硒棒束，纳米硒棒长约20 μm、直径100～120 nm，形状为榔头状。

2.8 光化学合成法

光化学合成法是指通过光反应合成纳米硒，光反应产生水合电子和羟基自由基，水合电子特点是强还原性、强反应活性，羟基自由基则有强氧化性和反应活性，从而发生反应制备纳米粒子。该法简单、操作迅速、反应容易控制。Triantis等[21]采用光催化法制备纳米硒，利用POM（多金属氧酸盐）为反应试剂，4 mL的POM水溶液和丙二醇置于分光光度计室，用氮气脱气后盖上帽。（SiW12O40）4-的pH设定1.0，2.5和5.0，采用（PW12O40）3-时因其仅在pH 1附近稳定，需用HClO4进行溶液的酸化。在照射时，亚硒酸溶液变为蓝色，用配有冷水循环过滤器的弧灯进行光解，制得粒径24～110 nm的纳米硒。

2.9 电化学法

电化学法是对环境友好的合成纳米硒方法之一，具有高选择性。电化学法包括熔盐电解和水溶液电解，电化学法用于制备高纯金属超微粒，特别是具有强电负性的金属粉末，电化学法也能用于合成制备半导体粒子；Zhang等[22]选取模板十六烷基三甲基溴化铵，基体用镜片电极，在其表面化学控制制备直径200 nm，长度10～30 μm的硒纳米管。

2.1 0 其他方法

还有许多化学合成法[23]、（钨硅酸H4SiW12O40）TSA离子法[24]、多金属含氧酸盐光催化作用合成法[25]、聚乙烯醇法[26]、单分子膜诱导硒纳米材料[27]等合成纳米硒。

3 纳米硒的生物合成方法

生物合成法是在绿色环保发展理念下发展起来的一种简单、安全、生物相容性、环保和可回收的方式。生物法制备纳米粒子常见的是微生物法和植物法。

3.1 微生物合成法

微生物合成法指通过微生物自身新陈代谢产物将四价或者六价硒还原成纳米硒。微生物特点是分布广、数量多、生命力强和适应性高，且具有多种类型代谢产物。刘红芳[28]使用微生物乳酸菌，亚硒酸钠作为硒源，微生物法制备得纳米硒，产物粒径50～200 nm。研究表明利用lxz-41菌株[29]、生防菌枯草芽孢杆菌[30]、大肠杆菌MG1655[31]的培养可形成纳米硒；王钰婷[32]发现奇异变形杆菌Proteus mirabilisYC801和粪产碱菌Alcaligenes faecalisSe03能够合成纳米硒，亚硒酸钠作为硒源，奇异变形杆菌Proteus mirabilisYC801合成纳米硒是球形，平均水合直径178.3±11.5 nm；粪产碱菌Alcaligenes faecalisSe03合成纳米硒也是球形，平均水合直径273.8±16.9 nm。国外研究学者发现根瘤菌[33]、Tetrathiobacter kashmirensis[34]等微生物均被用来合成纳米硒。生物法特点是合成的纳米硒粒径小、热稳定性高。

Fesharaki等[35]研究微生物法合成纳米硒，选取肺炎克雷伯氏菌，将硒的氯化物转化成纳米硒，制备的纳米硒粒径是10～550 nm，具有耐压性与耐高温性。

3.2 植物合成法或生物质法

植物法是指利用植物合成纳米硒的方法，利用植物提取物为还原剂和稳定剂制备纳米硒，植物浸提液中含有多酚、黄酮、维生素、氨基酸、蛋白质等物质，其中具有多羟基、氨基、羧基等官能团，多羟基类物质具有强的还原性，氨基、羧基、醛基等具有强的络合性，对纳米硒具有吸附和分散的稳定化作用，合成过程避免有毒化学试剂的大量使用，属于绿色的纳米硒合成方法，但目前在纳米硒的制备上未见报道。植物法合成纳米银已有较多研究，Mohammad等[36]将艾蒿提取液与AgNO3依照6∶4比例混合，制得粒径为5～20 nm纳米银；任雁宇[37]利用绿茶、银杏叶、苹果渣、石榴皮等植物水提取液作为原料，加入AgNO3溶液制备纳米银，得粒径13～35 nm纳米银，这些对于纳米硒的生物合成提供参考。

4 结语与展望

4.1 结语

硒是人体的重要营养元素之一，随着生活水平的改善、健康理念的提升，富硒产品是消费者追求的理想产品之一，而天然的富硒食品原料非常有限，富硒农产品则更为紧缺，远不能满足需求，基于纳米硒具有比无机硒、有机硒更低的毒性和安全性，纳米硒产品的开发为解决富硒产品不足带来希望。核心问题是如何合成纳米硒，越来越多的研究者投入极大热情研究纳米硒合成，纳米硒合成方法很多，物理方法简单快捷，但对设备条件有较高要求，所得产物纯度低，且粒度不易控制。化学法原料易得、操作方便，能在原子或分子水平上进行合成反应，易实现尺寸、形状和晶型的可控合成等，其缺点是制备工艺复杂、条件苛刻，常伴有二次污染。在众多合成方法中生物合成法可避免有毒化学还原剂、稳定分散剂的使用，原料易得，在绿色环保发展理念下，会是纳米硒合成的重要发展方向。相对而言，在生物合成法中微生物法制备过程需要无菌操作，严格控制pH、温度等培养条件，而且单一微生物对硒氧化物的耐受性有限，而生物质法则不需无菌条件、合成温度范围宽、原料更加丰富易得、操作更简单，因此，生物质法将是纳米硒合成的主攻方向之一。

4.2 展望

植物的种类繁多，其中所含的化学成分种类很多、结构复杂，一方面给生物质法合成纳米硒的机理研究带来巨大困难，而另一方面给各种尺寸、形貌、功能的纳米硒的合成提供无限的可能。在庞大的植物群中人们对于其化学成分及其应用的研究十分悠久，特别是对可食用、药用和药食两用的植物研究颇多，对其化学成分和活性成分研究比较深入，是纳米硒可控合成的基础，因此，在纳米硒合成研究方面需要开展的工作有：1）大力借鉴植物药学及食品原料成分研究的成果，必要时可以多种生物质合理搭配定向可控合成纳米硒，在纳米硒结构、形态和特殊功能相关性方面进行深入研究，可望取得更大进展。2）纳米硒的大小、形貌、结构是影响其特性的重要因素，考虑到生物质原料化学组成、结构的复杂性，纳米硒的定向可控合成还有很长的路要走，合成中可能得到不同大小、不同形貌结构的混合纳米硒，鉴于此，人们可将现代物质的分离技术，如萃取、大孔吸附树脂分离、凝胶过滤技术等，甚至电化学分离技术应用于纳米硒颗粒大小的分级、形貌结构的分类等，在提高纳米硒的使用效率和使用的专一性的同时，进一步扩大纳米硒的使用范围。3）多种合成方法相结合，如水热合成法在纳米材料合成中应用很广，在纳米晶体结构、形貌、大小控制方面效果显著，植物提取液的化学还原法操作简单，反应速率较快，但形貌、大小控制不易，二者结合可能得意想不到的结果，多种合成方法的结合也包括与分离技术的结合。