纳米生物工程包括哪些

纳米生物工程

靳刚 应佩青

中国科学院力学研究所

（2000年11月-2001年2月）

自中国科学院纳米科技网

纳米生物工程是什么意思？它究竟包括哪些内容？笼统地讲它包括纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等。实际上，医学、生物技术和生物材料都是人们熟悉的名词和内容，当戴上一顶纳米的帽子就似乎有了悬念。这里我们先来回顾一下和我们所熟悉的名词相关的物质和事物，然后再把这些与纳米概念联系起来，看看有了哪些新的变化，通过观察一些相关的科学研究结果和应用实例，来理解纳米生物工程。

一、纳米医学

大多数人都有生病、吃药、打针的经历，医学就是研究疾病，治病救人的科学。那么纳米医学又是什么呢？我们知道人体是由多种器官组成的，如：大脑、心脏，肝，脾，胃，肠，肺，骨骼，肌肉和皮肤；器官又是由各种细胞组成的，细胞是器官的组织单元，细胞的组合作用才显示出器官的功能。那么细胞又是由什么组成的呢？按现在的认识，细胞的主要成份是各种各样的蛋白质、核酸、脂类和其它生物分子，可以统称生物分子，它的种类在数十万种。生物分子是构成人体的基本成分，它们各自具有独特的生物活性的，正是它们不同的生物活性决定了它们在人体内的分工和作用。由于人体是由分子构成的，所有的疾病包括衰老本身也可归因于人体内分子的变化。当人体的分子机器，如合成蛋白质的核糖体，DNA复制所需的酶等，出现故障或工作失常时，就会导致细胞死亡或异常。从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，所从事的诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和改善健康状况等科学技术，广义地讲都属于纳米医学的范畴。换句话讲，人们将从分子水平上认识自己，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统。首先需要认识生命的分子基础，然后从科学认识发展到工程技术，设计制造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置，这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分之一左右，是由一个个分子装配起来的，能够发挥类似于组织和器官的功能，并且更准确和更有效地发挥作用。他们可以在人体的各处畅游，甚至出入细胞，在人体的微观世界里完成特殊使命。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或生物化学成分的变化，适时地释放药物和人体所需的微量物质，及时改善人的健康状况。最终实现纳米医学，使人类拥有持续的健康。未来的纳米医学将是强大的，它又会是令人惊讶得小，因为在其中所发挥作用的药物和医疗装置都是肉眼所无法看到的。但是它的功能会令世人惊叹。

需要说明，不要马上跑到大夫那儿去要纳米处方。上面所谈的纳米医学景观尚处于设计和萌芽阶段，还有很多的未知需要去探索，例如：这些纳米装置该由什么制成？他们是否可以被人体接受？并发挥所预期的作用？科学家们正在全力以赴地把纳米医学的科学想法变成医学现实。终有一天，医药柜越小，效力越大。

一定有人会问：纳米医学是不是科学幻想？它离我们到底有多远？还要等多久才能看到医学实现？事实上，它已经开始步入现实，并获得蓬勃发展。下面让我们看一看这一领域所取得的科学进展。

(1) 智能药物

这是纳米医学中的一个非常活跃的领域，适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的，模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。最近，美国麻省理工学院的研究者做出了微型药房的雏形：一种具有上千个小药库的微型芯片，每一个小药库里可以容纳25纳升的任何药物，例如止痛剂或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer说，目前这个芯片的尺寸还相当于一个小硬币，可以把它做得更小，并计划装上一个"智能化"的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。能否在形成致命的肿瘤之前，早期杀灭癌细胞？美国密西根大学的James R. Baker Jr.博士正在设计一种纳米"智能炸d"，它可以识别出癌细胞的化学特征(chemical "signatures")。这种"智能炸d"很小，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单个的癌细胞。此装置的研制刚刚开始，而初步的人体实验至少要五年以后才能进行。

(2) 人工红血球

人工红细胞的结构和工作示意图

随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再释放，从金刚石腔体进入到血浆中

纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的200倍以上。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。美国的纳米技术专家Robert Freitas初步提出的人造红血球(respirocyte)的设计,已成为纳米技术的标志性结果。这个血球是个一微米大小的金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵浦动力来自血清葡萄糖。它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍，并维持生物炭活性。 它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。它的基本设计和结构功能，以及与生物体的相容性等已有专著详细论述。在此仅对其结构功能做简单介绍。图是此人工红细胞的结构和工作示意图。

它的腔体外壳是与生物体相容的金刚石，腔内储氧，开口处是一个可以从腔内向外传递氧的转子，随其旋转，将氧分子输入血液。

(3)纳米药物输运

纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。按目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。由于药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加，所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。药物的吸收又受其溶解率的限制，因此，缩小药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法。 纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。粉碎过程会使粒子间的相互作用力增加，为了避免纳米颗粒在粉碎过程中聚合，加工中，不溶的药物是被悬浮在含一般认为安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中。深入研究的制粉技术已经能够将药物缩小到400纳米以下。 同时，这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦，不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒，就适合于口服或者注射了。

纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革，已经获得越来越多的认同。利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里，而不会引起任何免疫反应。树形聚合物(dendrimers) 就是提供此类输送的良好候选材料。因为，它是非生物材料，不会诱发病人的免疫反应，没有形成排异反应的危险；所以，可以作为药物的纳米载体，携带药物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。

(4) 捕获病毒的纳米陷阱

密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。

通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的"锁"，只准许持"钥匙"者进入。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体"钥匙"。Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞(glycodendrimers)表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。陷阱细胞能够繁殖，生成不同的后代，个子较大的后代可能携带更多的药物。尽管原因尚不明确，所观察的特点是越大效果越好。研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。

(5)识别血液异常的生物芯片

美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样，纳米技术可以在血流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者，并予以歼灭，从而消除传染性疾病。 Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面， 从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种标准波长的光，以此鉴别癌变。

二、纳米生物技术

纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物，它即可以用于生物医学，也可以服务于其它社会需求。所包含的内容非常丰富，并以极快的速度增加和发展，难以概述。在此仅举一些研究结果为例。

(1) 生物芯片技术

生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类芯片。半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元，所形成的电子集成电路；而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类，都有集成、并行和快速检测的优点，已成为二十一世纪生物医学工程的前沿科技。

近两年，已经通过微制作(MEMS)技术，制成了微米量级的机械手，能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞，进行细胞结构，功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学的Whitesides教授领导的研究人员，发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用，并研制出效果更好的软光刻方法(soft lithography)。以此，制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片，通过调节细胞间距等，研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等。它的功能原理非常简单，仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性，即可达到选择和固定细胞，及细胞面密度控制。

图2：多元蛋白质芯片模型 图中按顺时针方向分别表示：

1）在格式化的改性表面上，固定配基；

2）含配基的芯片与蛋白溶液相互作用，蛋白特异性结合形成蛋白复合物；

3）对芯片进行检测以确定蛋白间的相互作用。

蛋白质芯片的发展已经经历了约十年的时间，现已出现了相对成熟的技术，如瑞典的BIACORE的单元芯片，中科院力学所的多元蛋白质光学芯片和美国的SELDI质谱芯片等。它们的共同特点都是将生物分子作为配基，固定在固体芯片表面或表面微单元上，以单一、或面阵、或序列式。利用生物分子间的特异结合的自然属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物。然后，检测此复合物的存在与否，达到对蛋白质的探测、识别和纯化的目的。以上不同技术的差异仅在探测方法的不同。BIACORE技术利用表面等离子体共振技术检测芯片，进行单一蛋白质检测；多元蛋白质光学芯片是光学成象法，可以同时检测多种混合的蛋白质；SELDI技术则采用质谱法，以时间顺序检测序列蛋白质。

图3：研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。三种荧光标记的探针IgG（蓝）、 I B （绿） 、FKBP12（红）分别以其中的一种（A、B、C）或三种（E）同时出现进行探测。三种探针分别与三种蛋白发生特异性相互作用。D表示无任何探针的状态。

随着人类基因工程的发展，基因芯片(即DNA芯片)得到迅速的发展。DNA 芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术。它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片，在芯片表面能够制备成千上万的基因单元作为配基，对待测基因进行筛选。待测基因通过PCR扩增技术得到数量放大，再进行荧光标记，使其在筛选过程中产生可识别的荧光发射或光谱转移。此荧光信号被荧光显微镜检出，达到基因识别的目的。将已知的DNA（探针）和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到载玻片或硅片上，再与荧光标记的另一方进行杂交。当荧光标记的一方在DNA芯片上发现互补序列时即发生杂交，杂交的结果以荧光和模式识别分析来检测。DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息。目前国内外已有公司生产并销售的DNA芯片有两类，一类是在芯片上原位合成待测的寡核苷酸，再与荧光标记的DNA探针放在一起，当DNA探针杂交到寡核苷酸阵列上后，互补序列通过荧光扫描确定。该寡核苷酸阵列格式可用于检测变异，在基因中定位目标区域，和基因表达的研究，以及确定基因功能。另一类DNA芯片利用微量点样技术在芯片上制作互补DNA（cDNA）阵列，再与荧光标记的DNA探针杂交。cDNA阵列格式用于快速筛选。如位于Santa Clara, CA 的Affymetrix公司生产的GeneChip? 含高密度的DNA探针阵列，可以用于人类基因组中遗传信息的分析。具特殊用途的DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选已知的DNA序列。

DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化。随着DNA芯片及杂交技术的发展，DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。

图4：基因表达的微阵列图 以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品，杂交后，对微阵列的每一位点进行荧光扫描。每一位点的光强度正比于它所结合的荧光cDNA的量。光强越强，样品中该基因的表达水平越高。如微阵列的位点无荧光，说明两种细胞均不表达该基因。如某一位点显示一种荧光，说明该标记的基因只在此细胞样品中表达。同一位点显示两种荧光，说明该基因在两种细胞样品中均表达。

（2）分子马达

分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。分子马达包括线性推进和旋转式两大类。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种，它们以肌动蛋白（actin）为线性轨道，其运动过程与ATP水解相偶联。而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。目前对于驱动蛋白运动机制提出了步行（"hand-over-hand"）模型，驱动蛋白的两个头部交替与微管结合，以步行方式沿微管运动，运动的步幅是8 nm（图5）。目前， ATP水解与肌球蛋白和驱动蛋白的机械运动之间的化学机械偶联的关系还不清楚。近来的研究发现它们有相同的中心核结构，并以相似的构象变化将ATP能量转变为蛋白运动。DNA解旋酶作为线性分子马达，以DNA分子为轨道，与ATP水解释放的能量相偶联，在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链。RNA聚合酶则在DNA转录过程中，沿DNA模板迅速移动，消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应。

图5：肌肉肌球蛋白（左）和驱动

蛋白（右）的运动周期模型

旋转式分子马达工作时，类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式发动机有F1-ATP酶。ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶。如图所示：它由两部分组成，一部分结合在线粒体膜上，称为F0；另一部分在膜外，称为F1。F0-ATP酶的a、b和c亚基构成质子流经膜的通道。当质子流经F0时产生力矩，从而推动了F1-ATP酶的g亚基的旋转。g亚基的顺时针与逆时针旋转分别与ATP的合成和水解相关联。F1-ATP酶直径小于12 nm，能产生大于100 pN 的力，无载荷时转速可达17转/秒。F1-ATP酶与纳米机电系统（nanoNEMS）的组合已成为新型纳米机械装置。

图6：ATP酶的结构示意图

美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机"。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。

图7：美国康纳尔大学研制成的"纳米直升机"示意图

（3） 硅虫晶体管

美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种活的半导体(half bacterium, half microchip)，它能够嗅出生物战所用的毒气。这一发现竟来自科学家为消除计算机芯片生产线上的某些特殊细菌的屡屡失败。为消除这些微生物，研究者试用了从紫外线到强氧化剂，但是，细菌仍可幸存。纽约州立大学的生物学家Robert Baier解释了此现象。在清洗半导体芯片时，超纯水能够溶解一些半导体材料，如氧化锗，而这些半导体材料会围绕细菌结晶，使细菌在晶体的"家"中存活得极好，而不会受到损伤。微生物用半导体材料建立了一个"活"的单元。此现象提出了广阔的想象空间。亚利桑纳大学的物理学家O'Hanlon 和 Baier认为外面包上硬壳的细菌可以用于制造生物晶体管。在普通三极管中，由源极到漏极的电流受门极电压的控制。而这种细菌半导体晶体恰好可以用作生物晶体管的门极。当在呼吸和光合作用等产生电子转移的生物过程中，光照或者器官的水汽能诱导细菌产生电子，犹如打开了这个生物晶体管。这种精巧的灵敏装置能够探测到生物战毒气。

他们在半导体表面用纯水制作细菌晶体单元，下一步是使它发挥晶体管的功能，并获得更多的应用。

图8： 载激光束（蓝色）的纳米传感器探针穿过活细胞，以检测该细胞是否曾置于致癌物质下

（4） 纳米探针

一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。

为了模仿暴露于致癌物质，将细胞浸入含有苯并吡 (BaP)的代谢物的液体中。 苯并吡是城市污染空气中普遍存在的致癌物质。在一般暴露情况下，细胞摄取苯并吡,并代谢掉。苯并吡和细胞DNA的代谢反应形成一种可水解的DNA加合物BPT （ benzo(a)pyrene tetrol)。纳米探针是一支直径50纳米，外面包银的光纤，并传导一束氦-镉激光。它的尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体。325纳米波长的激光将激发抗体和BPT所形成的分子复合物产生荧光。此荧光进入探针光纤后，由光探测器接收。Tuan Vo-Dinh和他的同事认为此高选择和高灵敏的纳米传感器，可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质。

此传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，用于筛选微量药物，以确定哪种药物能够最有效地阻止细胞内，致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步，最终实现评定单个细胞的健康状况。

三、纳米生物材料

生物材料已是大家熟知的内容，例如：用于制衣、皮带的动物皮革是生物材料；用于镶牙和制作隐形眼睛的材料，尽管不是生物制品，但是被用于生物体内，也可以归于生物材料。纳米生物材料也可以分为两类，一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身即可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应。另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

(1) 活的电线

在很多方面，DNA几乎是构筑纳米尺度结构的理想材料。近来，科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法，合成了导电的DNA链。然而，由于DNA完全被金属覆盖，仅起一种支架的作用，不再具备选择性结合其它生物分子这一很有价值的特性。 Saskatchewan大学的研究者逐渐发现了将DNA发展成新一代生物传感器和半导体导线的途径。生物化学教授Jeremy Lee 实验室的研究者发现DNA很容易把锌、镍、钴等离子并入它的双螺旋的中心，并找到了在高pH值等基本条件下，稳定DNA含有金属离子的状态，获得了新的DNA导电体。 并且，此类金属DNA仍然保持选择性结合其它分子的能力。正在开发的应用之一是遗传畸变探测生物传感器。类似于其它的DNA探测，在此传感器上装配上所要探测的特制DNA序列。在此，DNA链是导电的。杂交DNA所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，计算机能够简单地通过测量电导的变化，来识别DNA的异常。

这种生物传感器还能用于鉴别混合物，如：环境毒素、毒品、或蛋白质等，当这类分子结合到金属DNA上，将把金属离子排斥出来，导致电流中断。由于，信号强度的减小正比于污染物的浓度，所以，能够很容易地确定环境毒素的量。金属DNA还可以用于筛选结合于DNA的抗肿瘤药物，用作微细半导体线路的导线等。

（2） 组织工程中的纳米生物材料

材料支架在组织工程中起重要作用，因为贴壁依赖型细胞只有在材料上粘附后，才能生长和分化。模仿天然的细胞外基质--胶原的结构，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验，并将具良好的应用前景。国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分，其纳米级的微结构类似于天然骨基质。多孔的纳米羟基磷灰石/胶原复合物形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境。细胞在该支架上能很好地生长并能分泌骨基质。体外及动物实验表明，此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。

通过以上所述，可以明显地看出纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等内容，并无明显的界线，可以说是相互交叉，相互依赖，共同发展的。这正是纳米生物工程的含义。

随着进入21世纪，纳米技术的发展将使今天的科学幻想成为明天世人普遍接受的实用技术。

砷会对微生物表面形态造成影响，单质砷无毒性，砷化合物均有毒性。三价砷比五价砷毒性大，约为60倍；有机砷与无机砷毒性相似。人口服三氧化二砷中毒剂量为5～50mg，致死量为70～180mg(体重70kg的人，约为0.76～1.95mg/kg，个别敏感者1mg可中毒，20mg可致死，但也有口服10g以上而获救者)。人吸入三氧化二砷致死浓度为0.16mg/m3(吸入4h)，长期少量吸入或口服可产生慢性中毒。在含砷化氢为1mg/L的空气中，呼吸5～10分钟，可发生致命性中毒。

砷的许多化合物都含有致命的毒性，常被加在除草剂、杀鼠药等。为电的导体，被使用在半导体上。化合物通称为砷化物，常运用于涂料、壁纸和陶器的制作。

砷作合金添加剂生产铅制d丸、印刷合金、黄铜（冷凝器用）、蓄电池栅板、耐磨合金、高强结构钢及耐蚀钢等。黄铜中含有重量砷时可防止脱锌。高纯砷是制取化合物半导体砷化镓、砷化铟等的原料，也是半导体材料锗和硅的掺杂元素，这些材料广泛用作二极管、发光二极管、红外线发射器、激光器等。砷的化合物还用于制造农药、防腐剂、染料和医药等。昂贵的白铜合金就是用铜与砷合炼的。

用于制造硬质合金；黄铜中含有微量砷时可以防止脱锌；砷的化合物可用于杀虫及医疗。砷和它的可溶性化合物都有毒。

砷自古以来就常为人类所使用，例如砒霜即是经常使用的毒药。砷也曾被用在于治疗梅毒。

大量的羊、微型猪和鸡的研究结果提出，砷是必需微量元素。

钼是一种金属元素，元素符号：Mo，英文名称：Molybdenum，原子序数42，是VIB族金属。钼的密度为10.2g/cm³，熔点为2610℃，沸点为5560℃。钼是一种银白色的金属，硬而坚韧，熔点高，热传导率也比较高，常温下不与空气发生氧化反应。作为一种过渡元素，极易改变其氧化状态，钼离子的颜色也会随着氧化状态的改变而改变。钼是人体及动植物所必需的微量元素，对人以及动植物的生长、发育、遗传起着重要作用。钼在地壳中的平均含量为0.00011%，全球钼资源储量约为1100万吨，探明储量约为1940万吨。由于钼具有高强度、高熔点、耐腐蚀、耐磨研等优点，被广泛应用于钢铁、石油、化工、电气和电子技术、医药和农业等领域。

钼的应用概况

钼在钢铁工业中的应用居首要地位，占钼总消耗量的80％左右，其次是化工领域，约占10%。此外，钼也被用于电气和电子技术、医药和农业等领域，约占总消耗量的10％左右。

合金领域：钼在钢铁领域的消费量最大，主要用于生产合金钢（约占钼在钢铁消耗总量中的43%）、不锈钢（约23%）、工具钢和高速钢（约8%）、铸铁和轧辊（约6%）。钼大部分是以工业氧化钼压块后直接用于炼钢或铸铁，少部分则先熔炼成钼铁，然后再用于炼钢。钼作为钢的合金元素具有以下优点：提高钢的强度和韧性；提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗腐蚀性；提高钢的耐磨性；改善钢的淬透性、焊接性和耐热性。例如，含钼量为4%-5%的不锈钢往往用于诸如海洋设备、化工设备等侵蚀、腐蚀比较严重的地方。

以钼为基体加入其他元素（如钛、锆、铪、钨及稀土元素等）构成有色合金，这些合金元素不仅对钼合金起到固溶强化和保持低温塑性的作用，而且还能形成稳定的、弥散分布的碳化物相，提高合金的强度和再结晶温度。钼基合金因为具有良好的强度、机械稳定性、高延展性而被用于高发热元件、挤压磨具、玻璃熔化炉电极、喷射涂层、金属加工工具、航天器的零部件等。

化工领域

润滑剂：二氧化钼是一种良好的固体润滑剂，因为它的摩擦系数很低，屈服强度很高，能在真空和各种超低温、高温下正常使用，因而被广泛应用于燃气轮机、齿轮、模具、航空航天、核工业等领域。

催化剂：钼的化合物是用途最广的催化剂之一，被广泛应用到化学、石油、塑料、纺织等行业。例如：二硫化钼具有抗硫性质，可以在一定条件下催化一氧化碳加氢制取醇类物质，是很有前景的C1化学催化剂；钼与钴、镍结合用作石油提炼预处理的催化剂。其他常见的含钼催化剂有：二硫化钼、氧化钼、钼酸盐、仲钼酸铵等。

颜料：铬黄和镉黄为当今世界最常用无机黄颜料，但是铅、铬、镉都有毒，而钼黄不仅无毒，还具有鲜艳的色泽，光、热稳定性也好，因而被用于颜料和墨水、塑料、橡胶产品及陶瓷中。

有机聚合物的阻燃剂和消烟剂：在卤代聚脂中加入3%-4％的三氧化钼，可使临界氧指数提高3％-4％，燃烧时碳的生成量增加4％左右，使烟雾量减少3%。

缓蚀剂：钼酸盐毒性非常低，对添加在缓蚀剂中的有机添加剂的腐蚀性很弱，常用在空调冷却水和加热系统的构造中，防止低碳钢被腐蚀。

电子电气领域

钼具有良好的导电性和耐高温性，热膨胀系数与玻璃相近，被广泛用于制造螺旋灯丝的芯线、引出线及挂钩等部件。此外，钼丝也是理想的电火花线切割机床用电极丝，能切割各种钢材和硬质合金，其放电加工稳定，能有效提高模具精度。

单层的辉钼材料具有良好的半导体特性，有些性能超过现在广泛使用的硅和石墨烯，很有可能成为下一代半导体材料。美国加州纳米技术研究院已经成功使用MoS2制造出了辉钼基柔性微处理芯片，这个微芯片只有同等硅基芯片的20%大小，功耗极低，而辉钼制成的晶体管在待机情况下的功耗为硅晶体管的十万分之一，而且比同等尺寸的石墨烯电路更加廉价，其电路也有很强的柔性，极薄，可以附着在人体皮肤之上。

医学领域

钼是人体必需的微量元素之一，也是多种酶的组成部分，在机体的主要功能是参与硫、铁、铜之间的相互反应。适量的钼能够促进人体发育，增强氧在体内的储留下，抑制肿瘤，维护心肌的能量代谢，保护心肌，而钼的缺乏会导致龋齿、肾结石、克山病、大骨节病、食道癌等疾病，因而钼也被用于医药中，如钼酸铵这种药就主要用于长期依赖静脉高营养的患者。

畜牧领域

钼的生物学作用主要是依靠作为动物体内某些含钼酶类的组成成分，间接影响酶的生物学活性来实现的。除此之外，钼元素在反刍动物营养代谢中发挥着特殊的作用，一方面，钼作为反刍动物瘤胃微生物硝酸盐氧化酶的组成成分，直接参与瘤胃中饲料硝酸盐的转化，另一方面，钼作为硫酸盐氧化酶的辅助因子对瘤胃微生物有刺激作用，这有助于反刍动物对粗纤维类物质的消化，进而促进反刍动物的生长。所以，当牧草和饲料中钼元素含量不足时，就需要按照严格的营养需要和工艺技术要求，将钼元素添加剂加入饲料中，达到满足动物需要的目的，最常见的例子就是在奶牛饲料中添加10mg/d的钼。

农业领域

钼为植物体内必须的“微量元素”之一，缺钼会影响植物正常生长。作为植物生长所必须的微量元素，钼不仅能促进植物对磷的吸收，还能加速植物体内醇类的形成与转化，提高植物叶绿素和维生素丙的含量，提高植物的抗旱、抗寒以及抗病能力。鉴于钼对植物的重要性，很多国家已经开始生产和使用含钼的微量肥料，例如我国湖南长沙县南华乡用钼酸铵拌种，花生增产32.2％，黑龙江国营农场对大豆施用钼肥，大豆增产10％左右。

钼是元素周期表上数值为42的过渡金属元素。它的化学符号是钼。钼呈银白色，坚硬而坚韧。室温下不受空气侵蚀，不与盐酸或氢氟酸发生反应。

在自然界中，钼主要以辉钼矿（MoS2）的形式存在。天然辉钼矿是一种黑色软矿物。虽然辉钼矿在古代就有使用，但辉钼矿与铅、方铅矿、石墨相似，很难区分。单词“molybdos”在希腊语中是铅的意思。在18世纪末之前，这两种金属都以钼矿的名义在欧洲市场上出售。

1779年，舍勒指出铅或石墨和钼是两种完全不同的物质。他发现硝酸对石墨没有影响，但与钼矿反应得到白色粉末；硝酸与碱溶液一起煮沸，结晶后析出盐。他认为白色粉末是一种金属氧化物（实际上是氧化钼），它与木炭混合，在高温下加热，但它与硫共加热，得到原始的钼。

1782年，舍勒的好朋友、瑞典矿主埃尔莫用木炭和钼酸的混合物与亚麻油混合，将金属从钼矿中分离出来，命名为钼，元素符号mo，中国将其翻译为钼。它已被瑞典著名化学家贝齐里厄斯所认识，他发现了铈、硒、硅、钽、钍等元素。

钼金属在空气中燃烧时，会发出金黄色的光；不同氧化状态的钼离子有不同的颜色。直到1893年，即钼的发现100多年后，莫森才在电炉中熔化了碳和三氧化钼的混合物，首次获得了含钼92%-96%的铸造金属。

貌不惊人用途广

虽然钼的发现已有200多年的历史，但钼的大规模开发利用仍处于本世纪，特别是近几十年。

钼及钼合金具有强度高、热膨胀系数低、导热性和导电性好、耐熔融玻璃、熔盐和金属液腐蚀性强、薄涂层耐磨性好等特点，得到了广泛的应用。

合金钢、不锈钢、工具钢和铸铁是钼的主要应用领域，其产量决定了钼的需求量。添加钼可以提高不锈钢的耐蚀性。在铸铁中加入钼可以提高铸铁的强度和耐磨性。含钼18%的镍基高温合金具有熔点高、密度低、热膨胀系数小的特点，用于航空航天等领域制造各种高温构件。钼广泛应用于电子管、晶体管、整流器等电子器件中。纯钼丝广泛应用于高温电炉、电火花加工和电火花线切割。钼被用来制造无线电和X射线设备。钼在其他合金领域和化工领域有着广泛的应用。合金钢中添加钼可以提高合金钢的d性极限、耐蚀性和永磁性能。氧化钼和钼酸盐是化工和石油工业中的优良催化剂。

二硫化钼是航空航天和机械工业的重要润滑剂。此外，二硫化钼由于其独特的抗硫性，在一定条件下可以催化一氧化碳加氢制醇。

钼也逐渐应用于核电、新能源等领域。

钼也是植物必需的微量元素之一。没有它，植物就不能生存。钼可作为农业中的微量元素肥料。

钼存在于人体的各种组织中。成人体内铜总量为9mg，肝、肾中铜含量最高。钼-99是钼的放射性同位素之一，用于医院制备锝-99。锝-99是一种放射性同位素，可用于内脏器官造影。用于此目的的钼-99通常被氧化铝粉末吸收并储存在一个相对较小的容器中。当钼-99衰变时，形成锝-99。

沙场硬汉显身手

钼是在14世纪日本武士刀中发现的。这是钼首次被发现用于军事目的。1891年，法国斯奈德公司率先以钼为合金元素生产含钼装甲板。他们发现钼的密度只有钨的一半。这样，钼在许多钢合金应用中有效地取代了钨。第一次世界大战的爆发导致了对钨的需求急剧增加，钨铁供应极为紧张。因此，钼在许多高硬度和抗冲击钢中取代了钨。钼需求的增长促使人们对钼的研究不断深入。当时，科罗拉多州的克莱麦克斯矿于1918年开发并投入使用。

由于其重要性，钼被各国政府视为战略金属。在20世纪初，其主要用于制造耐高温的火箭炮和火箭炮。先进材料，如钨合金、钼合金，以及军舰、火箭和先进设备的优质部件。

钼合金是由钼和其它元素组成的有色合金。主要合金元素为钛、锆、铪、钨和稀土元素。钼合金具有良好的导热性、导电性和低膨胀系数。高温强度高（1100～1650℃），比钨更容易加工。可作为电子管的栅极和阳极、电光源的支撑材料、压铸和挤压模、航天器零部件等。

第一次世界大战结束后，钼需求急剧下降。为了解决这一问题，有必要开发新的应用领域。很快，新型低钼合金钢在汽车工业中得到了认可。此后，钼作为合金元素在钢铁等领域的研究和开发进入了一个新阶段。

20世纪30年代末，钼被广泛用作工业原料。二战后的重建再次刺激了钼在工业领域应用的发展和研究，为许多含钼工具钢开辟了广阔的市场。目前，合金钢、不锈钢、工具钢和铸铁仍是钼的主要应用领域。

资源丰富待研发

钼主要存在于地壳中的花岗岩中。钼矿相对简单，以硫化矿为主。

由于钼在军事武器中的特殊用途，世界大国将钼列为需要战略储备的矿产资源。战略矿产储备或矿产品战略储备主要是指对国家安全具有战略意义、在我国相对稀缺的矿产资源。目前，世界上已有10个国家建立了战略矿产储备体系。

我国钼资源丰富，总储量860万吨（以钼计），其中工业储量约350万吨，居世界第二位。我国钼资源具有储量大、分布广、矿床大、矿体浅的特点，对全球钼市场具有重要影响。

北美洲也有丰富的钼资源。

与稀土相比，我国对钼的控制更为先进，据悉，资源部正准备将钼列为保护性开采矿产，实行开采总量管理，发布开采总量指标。这将使钼成为继金、钨、锡、锑和稀土之后的第六种特殊矿物。

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