夏嘉豪，許華平

（清華大學(xué)化學(xué)系,北京100084）

硒元素是人體內(nèi)一種重要的微量元素，它最早由瑞典化學(xué)家J?ns Jacob Berzelius于1817年發(fā)現(xiàn)［1］，距今已經(jīng)有超過200年的歷史. 在漫長的歲月中，硒元素并未引起人們的注意. 直到1973年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了老鼠血細(xì)胞中含有一種名為谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）的物質(zhì)［2］. 這種酶能夠催化過氧化物的分解從而維持生物體內(nèi)氧化還原的平衡. 進(jìn)一步的研究表明，這種酶的催化活性與其所含的硒元素密切相關(guān). 之后，有機(jī)硒化學(xué)獲得了長足的發(fā)展，當(dāng)代藥物化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)多種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次海洋生物大滅絕現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，每次生物大滅絕均伴隨著海洋中硒元素濃度的大幅下降，說明硒元素與有機(jī)生命的延續(xù)之間可能存在某種深層次的聯(lián)系. 硒元素在生命科學(xué)領(lǐng)域的重要作用均與其化學(xué)性質(zhì)相關(guān). 硒元素與硫元素同為氧族元素，兩者具有相似的化學(xué)性質(zhì). 但與硫元素相比，硒元素的原子半徑更大且電負(fù)性更低，這使得含硒化合物具有更高的反應(yīng)活性. 本課題組在含硒高分子領(lǐng)域已開展超過10年的研究，取得了一系列成果. 首先，本課題組報道了二硒鍵的氧化還原雙重響應(yīng)性［7］. 二硒鍵能夠在非常溫和的氧化劑作用下生成亞硒酸結(jié)構(gòu)，也可以在溫和的還原劑作用下生成硒醇結(jié)構(gòu). 氧化還原反應(yīng)均會導(dǎo)致二硒鍵的斷裂，因此含有二硒鍵的兩親性高分子有望應(yīng)用于藥物可控釋放體系的構(gòu)筑［8～13］. 隨后，本課題組提出了含硒動態(tài)共價鍵的概念，報道了Se—N鍵、Se—Se鍵及S—S鍵等一系列具有光響應(yīng)性的動態(tài)共價鍵，它們在不同波長的光照射下能夠發(fā)生交換反應(yīng)［14～16］. 基于這一原理，含有二硒鍵的體相高分子材料可以實現(xiàn)自修復(fù)［17］、光塑性、形狀記憶［18］、圖案化［19］及信息存儲［20］等多種功能.

Fig.1 Selenium?containing surface/interface chemistry

表界面是材料與環(huán)境相互作用最直接的場所，表面性質(zhì)（浸潤性、黏附性、穩(wěn)定性及生物相容性等）是影響材料功能的重要因素［21］. 隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展與深入，人們對表界面材料寄予了越來越高的期待. 通過將硒化學(xué)與表界面體系相結(jié)合，一方面可以采用表界面表征手段對含硒動態(tài)化學(xué)開展多角度、深層次的機(jī)理研究，另一方面可以基于硒化學(xué)的獨特性質(zhì)為特殊功能化表界面的設(shè)計提供新的方法與思路. 本文首先介紹了我們課題組關(guān)于含硒鍵的單分子力譜的研究，隨后介紹了含硒共價鍵的表界面動態(tài)交換反應(yīng)，最后介紹了基于硒化學(xué)刺激響應(yīng)性的功能化表界面體系及其潛在應(yīng)用（圖1）.

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

1 含硒化學(xué)鍵的單分子力譜研究

基于原子力顯微鏡的單分子力譜技術(shù)（AFM-SMFS）能夠測量單分子尺度上相互作用力的大小，進(jìn)而從力學(xué)角度為各類不同強(qiáng)度化學(xué)鍵的研究提供新的支持［22～24］. Gaub等［25］利用SMFS測量得到共價鍵硅碳單鍵（Si—C）的斷裂力值約為2.0 nN，Zhang 等［26］報道了單個芘環(huán)之間的π-π相互作用力僅有55 pN. 硫—金（Au—S）相互作用因其在分子識別、納米圖案化、光學(xué)材料、藥物遞送及傳感診斷等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用而備受關(guān)注［27，28］. 由于硒元素、碲元素與硫元素同族，具有相似的價電子結(jié)構(gòu)，因此Se與Te也能與Au形成類似的Au—Se和Au—Te相互作用. 因此，研究Au—S，Au—Se和Au—Te 3種相互作用的強(qiáng)弱順序具有重要的意義，能夠幫助科學(xué)家更好地調(diào)控體系的化學(xué)性質(zhì)與功能. 本課題組使用AFM-SMFS對Au與3種氧族元素之間相互作用的強(qiáng)弱進(jìn)行了研究［圖2（A）］［29］，設(shè)計合成了3種分別含有硫醚、硒醚和碲醚重復(fù)單元的A-B-A型兩親性高分子，其中A鏈段為親水的聚乙二醇結(jié)構(gòu)（PEG），B鏈段為疏水的聚氨酯結(jié)構(gòu)（PU）. 3種高分子可以分別通過Au—S，Au—Se和Au—Te 3種相互作用吸附到Au 基底表面，AFM 探針可以與PEG 部分通過物理吸附相連接［圖2（B）］. 當(dāng)探針遠(yuǎn)離表面的時候，高分子鏈被拉伸，導(dǎo)致高分子中的硫醚、硒醚及碲醚重復(fù)單元與Au基底間的相互作用依次被破壞，從而獲得鋸齒狀力曲線［圖2（C）］. 通過蠕蟲鏈模型對力曲線進(jìn)行分析，高分子的持續(xù)長度為0.35 nm，與PEG的結(jié)構(gòu)相吻合，同時單次斷裂信號間的伸長量ΔL對于含S，Se和Te高分子分別約為3.94，3.98和3.85 nm，與高分子中相鄰兩個氧族元素（S，Se，Te）間的理論距離非常接近［圖2（D）］. 這些證據(jù)表明實驗所得數(shù)據(jù)為單根高分子被拉伸的力曲線. 通過對實驗所得的力曲線進(jìn)行統(tǒng)計分析，再用高斯函數(shù)對圖2（E）進(jìn)行擬合，可以得到Au—S，Au—Se和Au—Te3種相互作用的斷裂力值分別為（420±97），（500±105）和（582±107）pN，它們的強(qiáng)弱順序依次為Au—Te＞Au—Se＞Au—S. 基于密度泛函理論（DFT）的計算結(jié)果也與實驗結(jié)果相吻合. 研究結(jié)果表明，對于常見的Au-S 相互作用體系，可以使用Au—Se和Au—Te相互作用進(jìn)行替換，有望提升體系的穩(wěn)定性.

動態(tài)共價鍵（DCB）是一種在外界刺激下能夠發(fā)生可逆斷裂、生成及重組的一類特殊化學(xué)鍵［30］，S—S鍵就是廣泛存于蛋白質(zhì)中的一類動態(tài)共價鍵［31］. 近期的研究結(jié)果表明許多含硒的化學(xué)鍵均為動態(tài)共價鍵，如Se—S，Se—Se和Se—Te鍵等［32～35］. 其中，S—S鍵的動態(tài)交換反應(yīng)需要在能量較高的紫外光輻照下才能進(jìn)行，Se—S 與Se—Se 鍵的交換反應(yīng)僅需可見光輻照，同時Se—S 交換所需的波長要比Se—Se更短. 通過鮑林方程可知，S—S，Se—S和Se—Se鍵的鍵能依次為240，203和172 kJ/mol［36］，從熱力學(xué)的角度說明三者的強(qiáng)弱順序依次是S—S＞Se—S＞Se—Se. 我們在石英基底上分別修飾了含有單個S—S，Se—S 和Se—Se 鍵的PEG 高分子，并利用AFM-SMFS 測量了其斷裂力值依次為（1450±300），（1320±330）和（1100±300）pN，從動力學(xué)的角度同樣驗證了三者的強(qiáng)弱關(guān)系［37］. 更重要的是，單分子力譜的結(jié)果顯示含硒/硫動態(tài)共價鍵的斷裂力值介于非共價相互作用與經(jīng)典共價鍵之間，從力學(xué)的角度解釋了動態(tài)共價鍵兼具共價鍵穩(wěn)定性與超分子相互作用動態(tài)性的原因，加深了對動態(tài)共價鍵本質(zhì)的理解.

2 二硒鍵的界面動態(tài)交換

二硒鍵是一種可見光響應(yīng)的動態(tài)共價鍵［32］. 在可見光照射下，無需添加任何催化劑，兩分子對稱的二硒化合物（R1SeSeR1和R2SeSeR2）即可發(fā)生交換反應(yīng)生成非對稱的二硒化合物（R1SeSeR2）. 受制于熱力學(xué)平衡，在兩種反應(yīng)物摩爾比為1∶1的條件下，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為50%. 實現(xiàn)對動態(tài)共價鍵各組分的調(diào)控是動態(tài)化學(xué)的重要研究內(nèi)容，在有機(jī)合成和藥物化學(xué)領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實意義. 本課題組采用兩親分子組裝形成膠束的方式實現(xiàn)了對二硒動態(tài)共價平衡的調(diào)控［圖3（A）］［38］，分別合成了一種具有乙二醇結(jié)構(gòu)的親水性二硒化合物（HOEG4Se）2和一種具有芳環(huán)結(jié)構(gòu)的疏水性二硒化合物（BnSe）2. 將（HOEG4Se）2溶解于去離子水中，（BnSe）2溶解于二氯甲烷（DCM）中，利用懸垂液滴測試構(gòu)筑了一個油/水界面模型［圖3（B）］，并持續(xù)監(jiān)控油/水界面張力隨時間的變化. 由圖3（B）可見，對于不加入任何二硒分子的對照組，油/水界面能保持穩(wěn)定；而加入兩種二硒分子的實驗組，隨著光照時間的延長油/水界面能不斷下降，說明兩種分子能夠在界面處發(fā)生動態(tài)交換反應(yīng)，生成兩親性的非對稱二硒分子HOEG4SeSeBn. 該分子類似于表面活性劑，降低了油/水界面張力. 兩親性的分子在水溶液中可以自組裝形成膠束結(jié)構(gòu). 為了提升組裝體的穩(wěn)定性，我們采用與前述模型分子具有相似結(jié)構(gòu)的聚乙二醇二硒醚（mPEGSe）2與聚苯乙烯二硒醚（PSSe）2進(jìn)行實驗. 由圖3（C）可見，兩種含二硒鍵高分子發(fā)生二硒交換反應(yīng)所得的兩親性高分子mPEGSeSePS 能夠在水溶液中自組裝形成球狀膠束，通過動態(tài)光散射（DLS）及透射電子顯微鏡（TEM）可以測得膠束的粒徑與PEG的長度相關(guān)，當(dāng)PEG分子量為5000時，組裝體的尺寸約為80 nm. 通過過濾除去體系中未參與交換反應(yīng)的聚苯乙烯二硒醚，透析除去體系中未參與交換反應(yīng)的聚乙二醇二硒醚，即可分離得到兩親性產(chǎn)物高分子的組裝體溶液. 通過對比光照前后組裝體溶液的DLS數(shù)據(jù)和凝膠滲透色譜（GPC）譜圖［圖3（D）］可知，處于組裝體狀態(tài)下的二硒化合物具有良好的光穩(wěn)定性，不再發(fā)生交換反應(yīng). 因此，通過兩親高分子自組裝的方法穩(wěn)定了非對稱二硒產(chǎn)物，改變了交換體系中各組分的平衡，實現(xiàn)了對二硒動態(tài)共價平衡的調(diào)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]

滲透壓響應(yīng)是自然界中一種常見的物理現(xiàn)象，對生物系統(tǒng)的調(diào)控起到關(guān)鍵作用. 具有滲透壓響應(yīng)的體系可能在藥物控釋體系中具有潛在應(yīng)用價值［39］. 單分子力譜研究［37］表明，二硒鍵可以在外力作用下發(fā)生斷裂. 本課題組設(shè)計了一種含二硒鍵的高分子囊泡［圖4（A）］，通過向囊泡內(nèi)外施加滲透壓力打斷二硒鍵，實現(xiàn)了含二硒鍵囊泡的可控釋放［40］. 為了研究二硒鍵在其中起到的關(guān)鍵作用，我們合成了兩種結(jié)構(gòu)與分子量均高度相似的高分子，其中實驗組的高分子mPEGSeSePS親疏水鏈段間通過二硒鍵連接，而對照組高分子mPEGCOOPS 親疏水鏈段間通過酯鍵連接［圖4（B）］. C—O 鍵的鍵能為358 kJ/mol，遠(yuǎn)高于二硒鍵的鍵能（172 kJ/mol），因此C—O鍵比Se—Se鍵在熱力學(xué)上更加穩(wěn)定. 通過調(diào)節(jié)PEG鏈與PS鏈的比例，兩種高分子均能夠在水中組裝形成中空的囊泡結(jié)構(gòu)，掃描電子顯微鏡（SEM）及TEM均表明其尺寸約為600 nm［圖4（C）和（D）］. 向組裝體溶液中加入NaCl形成飽和溶液后，mPEGSeSePS組裝體會聚集形成沉淀，而mPEGCOOPS組裝體的形貌未發(fā)生顯著改變. 進(jìn)一步使用核磁共振氫譜（1H NMR）、X 射線光電子能譜（XPS）及GPC 對加入NaCl 后組裝體滲透壓響應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行探索［圖4（E）和（F）］. 結(jié)果表明，加入NaCl能夠在囊泡內(nèi)外側(cè)形成滲透壓打斷二硒鍵，從而導(dǎo)致組裝體結(jié)構(gòu)被破壞. 二硒鍵斷裂后，PEG鏈段溶解于水中而PS鏈段聚集形成沉淀. 含二硒囊泡mPEGSeSePS可以包載親水性熒光分子，在溶液滲透壓作用下實現(xiàn)可控釋放.

3 含硒表界面修飾

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

利用物理或者化學(xué)手段對玻璃、金屬及聚合物等普通材料表面進(jìn)行修飾，從而賦予材料本身不具有的特殊功能，這已成為表界面化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點［21］. 將動態(tài)共價鍵引入表界面修飾可以實現(xiàn)表界面性質(zhì)在外界刺激下的可逆變化. 基于可見光響應(yīng)的二硒動態(tài)化學(xué)，本課題組發(fā)展了一種溫和且高效的表面修飾方法，該方法對于石英和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等常見基底均適用［圖5（A）］［41］. 我們首先通過硅烷化試劑在基底表面修飾上氨基，隨后使用兩端含有羧基的5，5′-二硒醚二戊酸（HOOCC4Se）2與氨基發(fā)生酰胺化反應(yīng)，在基底引入二硒鍵. 通過水接觸角（WCA）、飛行時間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）及XPS等方法對二硒鍵修飾后的基底進(jìn)行表征. ToF-SIMS譜圖［圖5（B）］反映了表面Se元素的分布，顏色越黃表示Se元素濃度越高. 可以發(fā)現(xiàn)在200 μm×200 μm的范圍內(nèi)，Se元素在基底上呈現(xiàn)出相對均勻的分布. XPS能譜表明基底上有C，N和Se等元素，其中Se3d能譜在55.9 eV處有一個單峰，通過參考XPS手冊可以判斷其為二硒醚結(jié)構(gòu). 這些結(jié)果均表明二硒鍵被順利修飾在基底表面. 由于二硒鍵在可見光照射下能發(fā)生動態(tài)交換，我們依次使用親水二硒分子（HOEG4Se）2和疏水二硒分子（C12Se）2交替與基底表面發(fā)生交換反應(yīng)，成功實現(xiàn)了對表面浸潤性的可逆調(diào)控［圖5（D）］. 接下來我們用同樣的方法在商用玻璃毛細(xì)管的內(nèi)壁修飾了二硒鍵，在黑暗條件下將這種毛細(xì)管插入溶解有親水二硒分子（HOEG4Se）2的水溶液中. 向體系施加光照時，溶液中的親水二硒分子與毛細(xì)管內(nèi)壁的二硒鍵在光照下發(fā)生交換反應(yīng)，從而提升內(nèi)壁的親水性. 在毛細(xì)作用下，毛細(xì)管內(nèi)液柱的高度隨著光照時間的延長而不斷攀升［圖5（E）］，實現(xiàn)了可見光驅(qū)動的液體輸運過程. 除了液體輸運，基于二硒動態(tài)化學(xué)的表面修飾還可用于表面生物偶聯(lián)，在醫(yī)學(xué)診斷及傳感等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用.

氧化石墨烯（GO）是一類重要的二維碳材料，主要由共價鍵連接的碳骨架構(gòu)成，碳層上含有一系列不同的含氧官能團(tuán)，包括羥基、環(huán)氧基及羧基等［42］. 這些含氧官能團(tuán)使得GO具有良好的水溶性及易修飾的反應(yīng)位點，修飾后的GO在催化、傳感、藥物遞送及抗腫瘤領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景［43］. 但現(xiàn)有的GO化學(xué)修飾方法面臨許多挑戰(zhàn). 非共價修飾所得的GO在復(fù)雜的生理環(huán)境下穩(wěn)定性欠佳，而傳統(tǒng)的共價修飾方法存在反應(yīng)條件較苛刻、反應(yīng)時間較長的不足. 因此，發(fā)展一種簡便而溫和的GO共價修飾手段具有重要的研究意義. 由于GO材料具有氧化性［44］，同時其平面共軛的碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)容易被自由基進(jìn)攻［45］，我們利用二硒鍵易被氧化和在可見光照射下生成硒自由基的特征，采用溫和的一鍋煮方法實現(xiàn)了GO 的修飾［46］，并通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、拉曼光譜、XPS 和ToF-SIMS 等多種手段對修飾后的GO材料進(jìn)行表征，推斷出反應(yīng)的機(jī)理可能涉及自由基加成和氧化還原兩種反應(yīng)類型. 所得的含硒GO材料在體外細(xì)胞實驗中表現(xiàn)出調(diào)控活性氧物種（ROS）濃度的作用.

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

層層組裝（LbL）是一種制備納米薄膜材料的有效方法. LbL可以結(jié)合聚電解質(zhì)、納米顆粒、膠體和生物大分子等多種組裝基元，制備出性能多樣的表界面材料［47～49］. 基于LbL技術(shù)，本課題組制備了一種能夠消除活性氧物種的納米復(fù)合薄膜［圖6（A）］［50］. 我們合成了一種兩端為金剛烷封端的含二硒鍵兩親性嵌段高分子Ad-PEG-PUSeSe-PEG-Ad，它可以在水中自組裝形成膠束結(jié)構(gòu)，這些高分子膠束可以與表面帶有β-環(huán)糊精的納米顆粒通過主客體相互作用層層組裝得到納米復(fù)合膜. 由于二硒鍵可以被ROS 氧化，因此該納米復(fù)合膜能夠有效清除過量的ROS. 以H2O2作為ROS 與納米復(fù)合膜接觸，通過UV-Vis光譜監(jiān)控波長255 nm處納米復(fù)合膜特征峰的變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著H2O2濃度的增加，納米膜的結(jié)構(gòu)被破壞，吸收強(qiáng)度減弱［圖6（B）］. 我們還采用電子順磁共振（EPR）對ROS的消耗進(jìn)行了直接表征.TiO2水溶液在紫外光照射下能產(chǎn)生·OH 和·HO2等ROS. 將不同層數(shù)的納米復(fù)合膜浸潤在TiO2水溶液中，研究它們對活性氧自由基的消耗能力. EPR結(jié)果［圖6（C）］表明，含二硒鍵納米復(fù)合膜能有效降低溶液中的ROS濃度，且能力與納米復(fù)合膜的層數(shù)正相關(guān).

利用含二硒鍵的LbL膜還可以實現(xiàn)化療和光動力治療的結(jié)合［51］. 我們合成了同時含有二硒鍵與哌嗪結(jié)構(gòu)的聚陽離子高分子，它可以和聚陰離子高分子聚苯乙烯磺酸鈉及光敏劑卟啉（Por）通過層層組裝形成含有二硒鍵的LbL 膜. 在溫和的可見光輻照下，卟啉會產(chǎn)生ROS 并氧化二硒鍵，從而破壞LbL膜的結(jié)構(gòu). 如果預(yù)先在LbL膜的制備過程中加入抗腫瘤藥物，則在LbL膜被光照破壞的同時就能夠可控地釋放出藥物，有望實現(xiàn)化療和光動力治療的結(jié)合.

4 總結(jié)與展望

以二硒鍵為代表的一系列含硒化學(xué)鍵因其獨特的氧化還原及可見光等多重響應(yīng)性，受到了研究者們越來越多的關(guān)注. 以基于原子力顯微鏡的單分子力譜為代表，我們發(fā)現(xiàn)表界面化學(xué)的研究方法能夠幫助科研工作者更加深入地理解含硒化學(xué)鍵的本質(zhì). 同時，通過將含硒化學(xué)鍵這些獨特的響應(yīng)性結(jié)構(gòu)引入表界面化學(xué)的體系中，可以為解決表界面化學(xué)中現(xiàn)存的一些挑戰(zhàn)提供新的方法和思路. 本文展示了含硒表界面化學(xué)在可控釋放體系、材料表界面修飾及抗腫瘤治療等諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用. 值得一提的是，含硒表界面化學(xué)還處于起步階段，該領(lǐng)域有大量的可能等待去探索. 例如，利用含硒動態(tài)鍵的可見光響應(yīng)及氧化還原響應(yīng)特征，有望實現(xiàn)多種二維材料的含硒修飾并體現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，在電子和催化等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破. 隨著對含硒化學(xué)鍵研究的逐步深入，這一類獨特的化學(xué)將會為表界面領(lǐng)域的研究及發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn).