锌
鋅(英語:)是化學元素,化學符號是Zn,原子序數是30,相對原子質量是65.39,是過渡金屬;鋅由於形、色類似鉛,故也稱為亞鉛,古稱倭鉛。鋅在常溫下為硬脆物質,且帶有藍銀色光澤。鋅為元素周期表第十二族中的第一個元素。在某些方面,鋅的化學性質與鎂相似:兩者皆呈現單一氧化態 (+2),且Zn2+和Mg2+離子大小相似。鋅為地殼中含量第二十四多的元素,有五個穩定的同位素。最常見的含鋅礦石為閃鋅礦,是鋅硫化物。最大可開採的礦脈位於澳洲、亞洲及美國。鋅礦物利用泡沫浮選法精煉,並經過焙燒和電(解提)煉。
黃銅為依各種比例混合的銅及鋅的合金,早在西元三千年前的愛琴海、伊拉克、阿拉伯聯合酋長國、卡尔梅克共和国、土庫曼斯坦及格魯吉亞,和西元兩千年前的印度西部、烏茲別克斯坦、伊朗、敘利亞、 伊拉克及以色列/巴勒斯坦就已經被人們利用. [1] [2] [3]。儘管人們在古代羅馬跟希臘時就知道鋅金屬,但直到十二世紀時才在印度被大規模生產[4]。藉由拉賈斯坦邦的礦物我們獲得確切的證據,將鋅的生產回溯至西元前六世紀[5]。迄今,最古老的純鋅來自拉賈斯坦邦的扎瓦爾,早在西元九世紀時便利用蒸餾法來生產純鋅了[6]。煉金術士在空氣中燃燒鋅,用來產生氧化鋅,他們稱之為「白雪」。
此元素可能是由煉金術士帕拉塞爾蘇斯經德語:(叉、牙齒之意)所命名。純金屬鋅在1746年被德國化學家馬格拉夫發現。1800年時,路易吉·伽伐尼和亞歷山德羅·伏打揭示了鋅的電化學性質。鋅最主要的應用為抗腐蝕的鐵鍍鋅(熱浸鍍鋅),在現代工業中對於碳锌电池製造上有不可磨滅的地位,最具代表性之用途為「鍍鋅鐵板」,該技術被廣泛用於汽車、電力、電子及建築等各種產業中。其他應用在電池、小型非結構鑄件及合金像是黃銅等。人們在生活中普遍的使用各種鋅化合物,例如碳酸鋅和葡萄糖酸鋅(膳食補充劑)、氯化鋅(除臭劑)、吡硫鎓鋅(去屑洗髮精)、硫化鋅(螢光塗料),及有機實驗室的二甲基鋅或二乙基鋅。
鋅為必需礦物質,包含產前生長及產後發育[7]。發展中國家約有二十億的人受到缺鋅症的影響,及其連帶的疾病[8]。若孩童缺乏鋅,將導致生長遲緩、性晚熟、免疫力下降及下痢[7]。在生物化學中,鋅為酵素中廣泛存在的輔酶,例如人體的乙醇脫氫酶[9]。
食用過量鋅可能造成運動失調、精神萎靡和缺銅症。
性质
物理性质
锌是一种青白色、光亮、具有反磁性的金属,虽然一般用作商品的锌都经过加工,这些特性已不再鲜明[10]。其密度比铁略小,呈六边形晶体结构[11]。
在常温下锌是硬而易碎的,但在100至150°C下会变得有韧性[10]。当温度超过210 °C时,锌又重新变脆,可以用敲打来粉碎它。[12]锌的电导率居中。在所有金属中,它的熔点(420 °C)和沸点(900 °C)相对较低[13]。除了汞和镉以外,它的熔点是所有过渡金属裡最低的[13]。
与非金属反应
锌加热至225℃后氧化激烈,燃烧时呈绿色火焰,与氧气反应生成氧化锌:
- 2 Zn + O2 → 2 ZnO
与卤素反应生成卤化锌:
- Zn + X2 → ZnX2(X=F、Cl、Br、I)
与硫反应生成硫化锌:
- Zn + S → ZnS
化合物
在锌化合物中,锌最常见的化合价是+2。
歷史
過去,鋅每磅(約454克)的價格約一美元,屬於價格較低廉的金屬。故美國政府用以鑄造1美分硬幣(1 cent),但隨著鋅的價格飛漲,反而出現造價超過錢幣面值的的現象。
1美分硬幣含有97.5%的鋅,表面再鍍上銅。然因鋅的價格飆漲,一枚硬幣的造價已達至1.79美分,超過幣值許多,更因亞洲的經濟崛起,銅及鋅等需求大幅增加,價格持續上揚,情況嚴重至有人提議廢除1美分硬幣。[14]
用途
鋅合金
加入其他元素组成的一种合金。根据加入的元素不同而分出不同的种类,可以形成不同种类的低温锌合金。许多合金都包含锌元素,比如黄铜就是锌和铜的合金。其它可与锌组成二元合金的金属包括铝、锑、银、锡、镁、钴、镍、碲、镉、铅、钛和鈉。[15]虽然锌和锆均非铁磁材料,它们的合金ZrZn
2 却能在35 K时表现出铁磁性。
特性
- 熔点低,在385℃熔化;
- 流动性好;
- 在大气中耐腐蚀;
- 蠕变强度低,尺寸容易在自然时效下发生变化
對人體的影響
人體含量和分布
人體含鋅的總量約佔體重的0.003%,相當於成人體內約有2公克鋅。90%的鋅都存在肌肉與骨骼中,其餘10%在血中扮演舉足輕重的角色[16]。
建議攝取量與食物來源
含鋅豐富的食物包括蚵與紅蟳等海鮮、鵝肝與豬肝等內臟、牛腱等肉類、牛乳與起士等乳制品、洋菜、火麻仁、麦芽、南瓜籽、啤酒、栗子、蛋、芝麻、芥末、腰果、豆类等。在豆科植物和全谷类植物来源中发现的锌吸收效率较低,因为其他植物化合物抑制吸收。[17]
年齡性別 | 美國(mg/day)[18] | 台灣(mg/day)[19] |
0-6個月 | 2 | 5 |
7-12個月 | 3 | 5 |
1-3歲 | 3 | 10 |
4-8歲 | 5 | 10 |
9-13歲 | 8 | 10 |
14-18歲 | 男11女9 | 男15女12 |
19-50歲 | 男11女8 | 男15女12 |
51歲以上 | 男11女8 | 男15女12 |
孕婦14-18歲 | 12 | 15 |
孕婦19-50歲 | 11 | 15 |
乳婦14-18歲 | 13 | 15 |
乳婦19-50歲 | 12 | 15 |
生理功能
hZTL1/ZnT5的結構、活性
SLC30A5可分成兩個部分,較低分子量的hZTL1,以及重量較大的ZnT5。(ZnT-like transporter 1)
hZTL1在人體組織中較為含量較多,轉譯出的蛋白質有523個胺基酸,和老鼠的ZnT1有34%是相同的。 以拓樸學來預測其結構,在其序列上的N端到C端有十二個跨膜結構區。在C端的myc轉譯出的蛋白質可標定在極化的Caco-2(結腸上皮細胞)上,會回到原先的皮膜表層。
利用Xenopus laevis的卵母細胞進行表現實驗時,hZTL1會調節Zn的吸收,而hZTL1調控對Zn的吸收在pH 5.5不如pH 7.6.時來得好。
早期的資料顯示DMT1在Zn吸收中扮演重要的角色,可是這些資訊已在將Caco-2上的DMT1消去之後,卻不影響Zn吸收的實驗中得到充分的反例,Zn不會跟Fe競爭DMT1,並且其活性與細胞膜電位無關。
人類小腸細胞中ZTL1的位置證實
在腸細胞Zn運輸蛋白的相似細胞中,可區分為屬於兩大類別,SLC30跟SLC39,其中有兩種蛋白質hZTL1(h;human)和hZIP4在小腸細胞攝取Zn的過程中扮演相當重要的角色。在ZTL1發現前,並沒有人在哺乳類細胞中看到有Zn通道的表現。
ZnT1透過免疫沉澱的方式在大鼠腸細胞邊側的細胞膜上發現,並在人類小腸細胞Caso-2中獲得證實。
ZIP1一開始被認為是用來吸收小腸內Zn的transporter,K562 cell細胞膜定位的實驗推翻了這點,綠色螢光跟FLAG標定的hZIP1位在許多皮質細胞的內質網上,包括了Caco-2,更近一步透過在PC-3前列腺細胞操作hZIP1抗體可以更精確的證明這件事。
其他可能存在的Zinc transporter
關於其他Zn transporter,有一種ZNT1蛋白質在腸道扮演很重要的角色,研究顯示,ZNT1會攜帶從飲食中獲得的Zn離子在腸壁細胞吸收後攜帶進入肝門靜脈,但在SLC30蛋白質中沒有其他蛋白質被發現跟ZNT1一樣有完全相同的功能。
在人體的胰島ß細胞中,ZnT5和一個富含胰島素的分泌細粒結合,Zn對於將胰島素以晶體的方式儲存扮演重要的角色。
ZNT6,ZNT7兩蛋白質雖然在腸道也能發現,但其兩在其他器官都有發現到他們的蹤跡,所以其功能和ZNT1並不相似。
在人體方面,hZIP1、hZIP2、hZIP4都有攜帶Zn離子的功能,但這些蛋白質也被發現在子宮和攝護腺中,所以其功能並不是完全清楚,另外ZIP6,ZIP8兩蛋白質功能不明,還有在老鼠內質網中發現的ZIP7也是一樣。
在胎盤中锌的傳導
锌在胎盤中的傳輸過程大致上和在腸中類似,由SLC30中的ZnT1,2,5來負責,至於ZnT6,7的功能則仍在實驗當中。 在免疫組織化學中,以人類和老鼠為實驗對象,hZTL1/ZnT5被探測到在胎盤上層細胞中扮演著重要角色,負責傳送Zn給胎兒。而ZnT1則有著類似的功能,擁有負責傳輸營養物質給胎兒的功能,但作用機制仍未完全了解。在人體中, hZTP1均在腸和胎盤中表現出來,但是沒有任何證據顯示hZIP2的表現。
此外,ZTP4雖然都有在人類和老鼠的腸中被表現,但是基因卻沒有在人類的胎盤中被表現出來,反而老鼠的卵黃囊中會進行表現。後來才發現原來hZIP4對人體飲食中锌在腸的吸收扮演著重要角色,hZTL1/ZnT5在Zn的傳輸中,對胎兒的影響遠大於對成人的影響。
在小腸和胎盤中鋅通道的調節
小腸中鋅的吸收調節被認為是維持體內鋅衡定很重要的部分,在一份大鼠的研究中已經論證當可吸收的鋅濃度增加,在小腸裡有一個位置會調節ZnT1的上游mRNA,但在同一份研究中也顯示當可吸收的鋅濃度下降ZnT1的mRNA並不會受影響,而另一個鋅的傳送蛋白ZnT2在提供充足地鋅的情況下ZnT2 mRNA會加強表現,如果是缺乏鋅的情況下則會降低ZnT2 mRNA的表現。
老鼠的ZIP4 mRNA在缺乏鋅的時候會增加表現量。在人類腸道細胞Caco-2中,增加培養基裡的鋅濃度會引起鋅的傳送蛋白hZTL1/ZnT5、ZnT1、ZnT4和hZIP1 mRNA表現量的增加,同樣,在蛋白質的表現量上也是有增加的情形;但是在胎盤細胞中就有不同的表現,當增加鋅的濃度後,並沒有任何鋅的傳送蛋白mRNA有改變表現量,更甚至於發現ZnT1和hZTL1/ZnT5蛋白的表現量有減少的現象,但是現在對於Zn如何調節這些蛋白質並沒有完整地知識去描述它的機制。
锌缺乏後果
鋅缺乏會導致免疫力低下、食慾不振、生長減緩、下痢、掉髮、夜盲、前列腺肥大、男性生殖功能減退、動脈硬化、貧血等問題。鋅缺乏導致腹瀉的過程包括:腸細胞絨毛結構破壞、含鋅消化酵素減少、發炎造成腸壁水腫、消化道免疫力變差。缺鋅與腹瀉容易形成惡性循環,腹瀉更減少鋅吸收,增加鋅的流失,造成雙重的缺鋅原因,常發生在老人[20]、嬰幼兒、胰臟功能不全、腸病變或腸手術者的身上。
此外有腎臟病變者很容易有高尿鋅症與低血鋅症。糖尿病、肝病或慢性發炎性疾病,如風濕性關節炎患者,都會因腎病變導致體內鋅慢性缺乏,免疫力會變差,形成了一個惡性循環。
支端皮膚炎
hZIP4(SLC39A4)是一在腸膜上端的二次基因表現產物,它被發現和遺傳的Zn-deficiency disease acrodermatitis enteropathica(缺乏Zn的支端皮膚炎)有關,此病和第八染色體有密切關係,會減低腸道吸收Zn的效率。
經過研究證實,突變的hZIP4蛋白質也會降低腸道吸收Zn的效率,最近有另外的實驗結果指出,在老鼠身上的HEK293蛋白質會增加腸道Zn的吸收效率.
锌過量後果
大量鋅會引發噁心、嘔吐、發燒、血液中高密度脂蛋白減少,進而提高心血管疾病發生機率。
参考文献
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更年期常見男性荷爾蒙減少……醫師建議,可多吃含鋅食物……補腎可多吃些山藥、南瓜等。
延伸閱讀
- 劉廣定:〈中國用鋅史研究:五代已知「倭鉛」說重考 页面存档备份,存于〉。
外部連結
- 元素锌在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹(英文)
- —— {{LinkForElement|Zn| }}(英文)
- 元素锌在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素锌在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – {{LinkForElement|Zn| }}(英文)