斯坦福大学的新研究表明，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)并不像人们长期以来认为的那样是一种化学惰性物质。

正如一项新研究所述，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。这些失去电子的反应可能会降低或改变分子的功能，从而可能带来健康风险。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。

这些发现强调需要进一步研究二氧化硅的反应性，特别是考虑到其在日常产品中的广泛使用。

“二氧化硅颗粒被认为是良性且惰性的，但我们的研究结果表明二氧化硅实际上具有反应性，”斯坦福大学人文与科学学院化学系博士后学者、该研究的主要作者杨杰李说，8月17日发表在《美国国家科学院院刊》上。“我们鼓励进一步研究二氧化硅颗粒暴露是否会消耗体内谷胱甘肽和其他关键化合物。”

“我们的发现对继续使用二氧化硅颗粒敲响了警钟，”资深作者理查德·扎尔(RichardZare)说，他是玛格丽特·布莱克·威尔伯(MargueriteBlakeWilbur)自然科学教授兼H&S化学教授。“虽然现在说二氧化硅对健康构成威胁还为时过早，但至少二氧化硅会带来引入不需要的化学物质的潜在问题，特别是在食品中。”

经常食用和应用

二氧化硅——硅和氧的化合物的别称——是一种无色、无臭、无味的材料。虽然二氧化硅天然存在于绿叶蔬菜等食品中，但制造商经常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剂。目前，美国食品和药物管理局允许食品中二氧化硅颗粒的含量最多为2%(按重量计)。

对于化妆品(包括护肤品)，二氧化硅可用作填充剂或吸收剂，或用作磨砂膏中的研磨剂。在医疗保健领域，二氧化硅颗粒在药物输送和医学成像方面也有重要用途。对于这些应用，二氧化硅颗粒被制造成具有微小的孔或孔，药物和其他物质可以插入其中。

鉴于这种应用范围，Li和Zare试图检验二氧化硅作为化学惰性物质的正统性。李拥有探索日常材料的假定特性的背景。在她的博士论文工作中，李研究了长期以来用于稳定储存药物和其他重要材料的玻璃在某些情况下如何充当催化剂并加速化学反应。

“我们之前已经看到，所谓的惰性材料可能并不是真正的惰性，”扎尔说。“这个故事可能会在二氧化硅颗粒上重演。”

工作中被忽视的化学反应

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，以干粉形式出售。李与扎尔大学前研究生、现西切斯特大学物理化学教授库尔特·科拉辛斯基合作，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(一种关键氨基酸)、上述抗氧化剂谷胱甘肽和青霉胺(一种所谓的重金属拮抗剂，用于治疗威尔逊氏病，这是一种当体内铜积累过多时发生的疾病)。

Li将溶液在室温下黑暗中孵育一天。她使用一种称为质谱仪的仪器，在半小时、2小时、4小时和24小时内获取了溶液的小样本，以测量可能发生的任何化学反应的速率。

随着时间的推移，生物分子通过与二氧化硅一起孵育而被氧化(化学反应中失去电子)，令人惊讶的是溶液中多达95%的分子最终以这种方式发生反应，而没有二氧化硅孵育的对照实验显示出最小的氧化。

从化学角度来看，反应性纯二氧化硅颗粒将含硫醇分子转化为二硫化物分子。从元素组成来看，以前的分子含有硫氢(SH)键合基团，变成了二硫键，符号为SS。

扎尔指出，当用直发器加热拉直卷发时，经常会遇到逆反应。这个过程打破了头发蛋白质中的二硫键，使头发重新塑造成直发丝。“当人们使用直发器拉直头发时，所发生的化学反应会破坏二硫化物并将其转化为硫醇，这是我们研究的逆反应，”扎尔说。

对于观察到的反应，斯坦福大学的研究人员认为，二氧化硅与水接触后会形成所谓的表面结合硅氧基自由基(硅原子与氧原子结合，具有不成对电子的结构)。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释放了键合的氢，然后重新结合形成SS二硫化物。

展望未来，扎尔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。更大生物分子的实验也在进行中。

Zare和Li希望他们的初步发现能够促使其他研究人员和潜在的监管者更彻底地表征二氧化硅的化学性质。

“二氧化硅是一种出现在很多地方的材料，在我们吃的东西中，在我们涂在皮肤上的产品中，以及在医疗环境中，”扎尔说。“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。”

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