作者:亚当·哈德哈齐

　　斯坦福大学的研究表明，矿物二氧化硅，一种常见的食品添加剂和流行的化妆品成分，并不是长期以来人们所认为的化学惰性物质。

　　正如在一项新的研究中所描述的那样，研究人员将市售的二氧化硅颗粒放入含有硫醇化合物的生物分子的水溶液中。这些含硫醇的生物分子在自然界和人体中广泛存在，例如以谷胱甘肽的形式存在，谷胱甘肽是大多数细胞中发现的一种关键抗氧化剂。

　　当暴露于二氧化硅时，硫醇生物分子发生氧化还原化学反应。在这些反应中，电子丢失，可能会降低或改变分子的功能，潜在地构成健康风险。例如，低水平的谷胱甘肽会导致体内氧化应激增加，从而损害从细胞膜到DNA的各种细胞成分。

　　研究结果强调需要进一步研究二氧化硅的反应性，特别是考虑到它在日常产品中的广泛使用。

　　斯坦福大学人文与科学学院化学系博士后学者、该研究的主要作者李杨杰说:“二氧化硅颗粒被认为是良性的、惰性的，但我们的研究结果表明，二氧化硅实际上是活性的。”该研究发表在8月17日的《美国国家科学院院刊》上。“我们鼓励进一步调查二氧化硅颗粒暴露是否会消耗体内的谷胱甘肽和其他关键化合物。”

　　“我们的发现为继续使用二氧化硅颗粒敲响了警钟，”资深作者理查德·扎尔说，他是玛格丽特·布莱克·威尔伯自然科学教授，也是H&S的化学教授。“虽然现在说二氧化硅是一种健康风险还为时过早，但至少二氧化硅会带来潜在的问题，尤其是在食物中引入不必要的化学物质。”

　　二氧化硅——硅和氧的化合物的另一个名称——是一种无色、无嗅、无味的材料。虽然二氧化硅确实天然存在于包括绿叶蔬菜在内的食物中，但制造商通常会在汤和咖啡奶精中添加微小的沙状二氧化硅颗粒作为抗结块剂。目前，美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration)允许食品中二氧化硅颗粒的含量不超过重量的2%。

　　对于化妆品，包括护肤品，二氧化硅作为填充剂或吸收剂，或作为磨砂膏的磨料。在医疗保健领域，二氧化硅颗粒也被广泛用于药物输送和医学成像。在这些应用中，二氧化硅颗粒被制造成具有微小的孔或孔，可以将药物和其他物质插入其中。

　　考虑到这种应用范围，Li和Zare试图检验二氧化硅作为化学惰性物质的正统观点。李在探索日常材料的假定性质方面有背景。在她的博士论文工作中，李研究了玻璃——长期以来被用来稳定储存药物和其他重要材料——在某些情况下是如何作为催化剂加速化学反应的。

　　扎雷说:“我们之前已经看到，所谓的惰性材料可能并不真的是惰性的。“这个故事可能会在二氧化硅颗粒上重演。”

　　在这项研究中，斯坦福大学的研究人员购买了市售的纯二氧化硅颗粒，以干粉的形式出售。李与库尔特·科拉辛斯基(Kurt Kolasinski, Zare的前研究生，现为西切斯特大学物理化学教授)合作，将二氧化硅添加到含有三种含硫醇生物分子之一的水溶液中。研究的生物分子是半胱氨酸(一种关键的氨基酸)、前面提到的抗氧化剂谷胱甘肽和青霉胺(一种所谓的重金属拮抗剂，用于治疗威尔逊病，这种病是由于体内铜积累过多而引起的)。

　　李在黑暗中室温孵育了一天的溶液。她在半小时，2小时，4小时和24小时的标记处获得了溶液的小样本，以测量可能发生的任何化学反应的速率，使用一种称为质谱仪的仪器。

　　随着时间的推移，通过与二氧化硅孵育，生物分子被氧化(在化学反应中失去电子)，并且令人惊讶的是，溶液中多达95%的分子最终以这种方式反应，而没有二氧化硅孵育的对照实验显示出最小的氧化。

　　从化学角度看，反应性纯硅颗粒将含硫醇分子转化为二硫分子。按照它们的元素组成，以前的分子，含有硫氢键(S-H)基团，变成了二硫桥，符号为S-S。Zare指出，当卷发用熨斗加热拉直时，逆反应是很常见的。这个过程打破了头发中蛋白质中的二硫键，使头发重新塑造成直发。扎雷说:“当人们用直发棒拉直头发时，化学反应会破坏二硫化物，把它们变成硫醇，这是我们研究的相反反应。”

　　对于观察到的反应，斯坦福大学的研究人员认为，当与水接触时，二氧化硅形成所谓的表面结合的硅氧基自由基(硅原子与氧原子结合，形成一个未配对电子的构型)。当遇到自由基时，溶液中的硫醇生物分子将氢原子(H)转移到自由基上。因此，两个硫醇分子中的硫原子从氢键中释放出来，然后重新结合形成S-S二硫化物。

　　展望未来，Zare实验室的研究人员计划进一步测试不同尺寸的二氧化硅颗粒如何影响化学反应速率。更大的生物分子实验也在进行中。

　　Zare和Li希望他们的初步发现能促使其他研究人员，以及潜在的监管机构，更彻底地表征二氧化硅的化学性质。

　　扎雷说:“二氧化硅是一种出现在很多地方的材料，在我们吃的东西里，在我们涂在皮肤上的产品里，在医疗环境里。”“根据这项新研究，我们应该更多地了解二氧化硅及其与其他材料的相互作用。”

　　Zare也是斯坦福Bio-X、心血管研究所、斯坦福癌症研究所、Sarafan ChEM-H、斯坦福森林环境研究所和吴仔神经科学研究所的成员。

　　这项研究部分由美国空军科学研究办公室通过多学科大学研究倡议项目资助。

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