撰文 | 李    研

責(zé)編 | 葉水送

大約6000年前，智利北部的沙漠河谷地區(qū)曾活躍著一群“辛科羅”人。他們過著漁獵生活，有著復(fù)雜的葬禮習(xí)俗，還會將死者做成木乃伊以寄托哀思，這可比著名的埃及木乃伊的還要早上幾千年。

當(dāng)?shù)貥O為干燥的氣候使得木乃伊的皮膚、毛發(fā)和衣著被良好的保存，所以人們能夠以此探究幾千年前“辛科羅”人的生活。通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)檢測，研究者發(fā)現(xiàn)“辛科羅”人生前曾患有皮膚癌等多種疾病，而且還有近百具“辛科羅”木乃伊死時還是孩童甚至胎兒。這一度讓科學(xué)家非常困惑：為什么有這么多“辛科羅”人發(fā)生流產(chǎn)或者還未成年就早早夭折。

直到2005年，關(guān)于“辛科羅”木乃伊的研究才獲得突破。智利科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)氐暮庸戎猩榈臐舛葒?yán)重超標(biāo)，是世界衛(wèi)生組織安全飲用水標(biāo)準(zhǔn)的100倍，而木乃伊毛發(fā)的分析結(jié)果也顯示，這些“辛科羅”人生前曾長期暴露在高砷的環(huán)境下，所患疾病也很可能是砷中毒的結(jié)果。

一個“辛科羅”孩童木乃伊，圖源youtube.com

上面提到的砷，是元素周期表中的第33號元素，位于第4周期、第5主族，化學(xué)符號為As。

砷元素在自然界中分布很廣，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種含砷的礦物。除了以砷的硫化物為主要成分的砷礦石，很多鉛、鋅、金、銅的礦石中也含有砷元素 ，因此砷和它的化合物很早就被人們所知。

一些自然界中存在的含砷礦石（攝于哈佛自然歷史博物館）

早在公元4世紀(jì)前半葉，中國煉丹家葛洪的名著《抱樸子?仙藥篇》中就記載了從雄黃（主要成分為As₄S₄）、硝石（強(qiáng)氧化劑）和松脂（含碳，還原劑）煉制三氧化二砷和砷的混合物。

西方化學(xué)史學(xué)家們普遍認(rèn)為，單質(zhì)砷最早是由13世紀(jì)德國煉金家阿爾伯特·馬格努斯（Albert Magnus） 在共同加熱雌黃（主要成分As₂S₃）與肥皂的過程中制得的。然而，通過這種方法能獲得砷純屬巧合。因為肥皂的主要成分硬脂酸鈉不可能將砷的硫化物轉(zhuǎn)化為單質(zhì)砷，只是當(dāng)時的肥皂用豬油或牛油與氫氧化鈉共同熬煮制成的，未充分皂化的豬油或牛油在受熱后會炭化，而碳又可以還原由雌黃加熱后形成的三氧化二砷，就得到了砷單質(zhì)。

雌黃氧化為三氧化二砷，以及三氧化二砷還原為砷單質(zhì)所對應(yīng)的化學(xué)方程式

直到18世紀(jì)，著名化學(xué)家拉瓦錫在總結(jié)前人學(xué)術(shù)成果時，正式將砷確認(rèn)為是一種元素。

與較早被人類利用的金銀銅鐵鉛等元素不同，砷元素在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮的作用不多，卻長期與毒藥關(guān)系密切，名聲不佳。需要首先強(qiáng)調(diào)的是，自然界中砷與生命并非互不相容。實際上，砷的毒性與它存在的形式以及價態(tài)密切相關(guān)。砷的單質(zhì)就是無毒的，蝦蟹等海產(chǎn)品中也含有數(shù)量可觀的砷元素， 但人們不必?fù)?dān)心吃蝦會導(dǎo)致砷中毒，因為其中的砷多以有機(jī)化合物（比如砷糖）的形式存在，毒性很低，甚至有學(xué)者認(rèn)為微量的砷可能是一種有益的營養(yǎng)元素。

不同形態(tài)的砷化合物對大鼠的半致死量（LD50）。MMA：單甲基砷酸；DMA：雙甲基砷酸

然而，相比于有機(jī)砷，砷的無機(jī)化合物毒性就要高很多，三價砷又比五價砷的毒性更強(qiáng)。砷元素劇毒的惡名很大程度上就源于它的一種三價無機(jī)化合物——三氧化二砷（As₂O₃）。

三氧化二砷俗稱砒霜，其口服半數(shù)致死量只有14.6mg/kg，一粒黃豆大小的砒霜就足以使人斃命。我們不知道究竟誰是將其作為謀殺工具的始作俑者，但砒霜無疑是古代使用頻率最高的一種毒藥。

砒霜的形態(tài)以及化學(xué)分子結(jié)構(gòu)，圖源：wikipedia.org

自然界中有毒之物很多，為什么砒霜如此引人矚目？多數(shù)毒物或具有鮮艷的顏色或帶有刺激的味道，這是長期的自然進(jìn)化賦予人類的保護(hù)性警覺，而砒霜偏偏善于偽裝，無色無味，所以很容易被誤服。同時，砒霜中毒后又缺乏典型的癥狀，在衛(wèi)生條件惡劣的古代很容易與霍亂等胃腸感染混淆，因此非常適合隱蔽下毒。

砒霜之所以成為被頻繁使用的毒物，與其容易獲取和制備也有關(guān)系。被譽(yù)為中國古代科技百科全書的《天工開物》，就詳細(xì)記述了古代人們燒制砒霜過程。

古時燒制砒霜的原料被稱為砒石，主要成分為砷的氧化物和硫化物。書中形容這種礦石像土但比土硬，像石但比石碎。因為當(dāng)時在江西廣信（今上饒）、河南信陽都有出產(chǎn)，因此又被稱為“信石”。

當(dāng)時人們在地下挖一個土窯，將原料砒石放入其中，下面引火燒柴，窯的上部裝個彎曲的煙囪，再把一個鐵鍋倒過來蓋在煙囪口上。煉制過程中，三氧化二砷會在煙囪口冷卻，逐漸沉積在倒放的鐵鍋上，就像結(jié)了一層霜一樣，砒霜也因此而得名。

《天工開物》一書中繪制的砒霜燒制過程 。圖源fotoe.net

書中也特別指出了燒制砒霜對人和環(huán)境帶來的危害。比如，燒砒時操作的人必須站在上風(fēng)十余丈以外的地方，處在下風(fēng)口的草木都會枯死?？上Ъ幢闳绱?，由于古人沒有防毒面具，也很容易患上 “職業(yè)病”。按書中的記述，如果兩年不改行，胡須和頭發(fā)都會落光。

以現(xiàn)代科學(xué)的眼光審視，燒制砒霜時砷的硫化物會在高溫下與氧氣發(fā)生反應(yīng)。排出的煙氣中既可能有升華沒來得及冷凝的砒霜，又有二氧化硫（SO₂），所以導(dǎo)致草木枯萎和人的中毒也就不奇怪了。

用上述方法制得的砒霜，受當(dāng)時技術(shù)所限常會混有硫化物，而硫可以與銀進(jìn)行反應(yīng)，使得銀針變黑，所以為了提防砒霜中毒，古代中國曾流傳銀針探毒的方法。然而，銀并不能和三氧化二砷進(jìn)行反應(yīng)，銀針試毒最多可以僥幸發(fā)現(xiàn)含有硫雜質(zhì)的砒霜。考慮到很多食物中也常含有硫化物，所以這種銀針探毒的方法不但不可靠，還容易造成冤假錯案。

歷史上很長一段時間，由于缺少檢測砷的可靠方法，人們對砷中毒都無計可施，投毒者更是可以逍遙法外。因此，砒霜時常出現(xiàn)在殘酷詭譎的權(quán)力斗爭和各種民間兇案中，以至于有了 “奪取繼承權(quán)粉末”的別名。

然而1836年后，砷“完美毒藥”的地位開始急轉(zhuǎn)而下。這主要得益于英國化學(xué)家詹姆斯·馬什（James Marsh）的卓越貢獻(xiàn)。

詹姆斯·馬什（1794-1846），圖源：wikipedia.org

馬什曾在法拉第（沒錯，就是那位發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的法拉第）主管的皇家兵工廠工作。法拉第很忙，很多具體的化學(xué)檢測工作就交由年輕的馬什負(fù)責(zé)。

當(dāng)時，很多砷檢測的工作要作為法院判定謀殺的證據(jù)，然而化學(xué)家能夠利用的檢測砷的方法卻非常有限。比如，如果由于吃了含砷的毒藥病亡，加熱死者胃內(nèi)的殘留物，會聞到一種類似大蒜的氣味（砷化氫的氣味）。然而，這種檢測方法一方面具有很大局限性，大蒜味必需當(dāng)場做實驗才能用嗅覺感受到，不能定量也不能事后留下可展示的憑證，容易被信奉眼見為實的陪審團(tuán)人員懷疑。另一方面，這種檢測方法也明顯缺少特異性，如果兇手辯稱死者生前就恰好吃過大蒜呢？

為了獲得更加令人信服的法庭證據(jù)，馬什致力于對砷的檢測方法進(jìn)行改進(jìn)，并在19世紀(jì)30年代成功設(shè)計出一個巧妙的實驗裝置。在這個裝置中，樣品中如果有砷化物，就會在還原劑（如鋅）和酸的作用下被還原為砷化氫（AsH₃）, 從溶液中溢出。之后，砷化氫氣體在無氧條件下傳輸?shù)骄凭珶簦⒃谀抢锶紵纸?，生成的砷單質(zhì)就會沉積玻璃器皿表面，留下具有金屬光澤的黑色“砷鏡”。這一反應(yīng)的特征十分明顯，可以讓陪審團(tuán)和法官實實在在的看到砷的存在，而且靈敏度也很高，能達(dá)到毫克級，所以一度成為鑒定砷中毒的必備利器。自此之后，砒霜的投毒案件開始大幅減少。

As₂O₃ + 6 Zn + 6 H₂SO₄ → 2 AsH₃ + 6 ZnSO₄ + 3 H₂O

2AsH₃(g) —> 2As(s) + 3H₂(g)

馬什砷檢測實驗中的裝置，以及檢測反應(yīng)所對應(yīng)的化學(xué)方程式，圖源wikipedia.org

時過境遷，如今的毒物檢測早已脫離了當(dāng)年燒杯、試管和酒精燈的時代，檢測技術(shù)的精確度已提升到千分之一毫克的水準(zhǔn)。同時，現(xiàn)今毒物檢測的范圍也大大擴(kuò)展，從胃內(nèi)容物到血液、尿液、頭發(fā)等各種人體組織。這使得我們可以跨越時代，有證可循地探究像“辛科羅”木乃伊死因那樣的歷史謎團(tuán)。

光緒皇帝可能是因砒霜中毒早逝

1908年11月14日，年僅38歲的光緒皇帝去世，關(guān)于他的死因眾說紛紜。一直有人推測他死于謀殺，但又沒有直接證據(jù)。直至2008年，光緒逝世一百年后，這段歷史才真相大白。通過中子活化、X射線熒光分析、原子熒光光度等現(xiàn)代技術(shù)手段，人們分析了頭發(fā)、遺骨、衣服以及墓內(nèi)外環(huán)境樣品。結(jié)果顯示，光緒的頭發(fā)截段和衣物上都含有劇毒的砒霜，而體內(nèi)毒物含量更是常人的兩千倍。所以基本可以確定，這位不幸的晚清皇帝就是死于砒霜中毒。

雖然由于毒物檢測技術(shù)的進(jìn)步，目前與砷有關(guān)的投毒事件已大幅減少，但受砷污染的水源以及被砷污染水灌溉的糧食作物，至今仍是全球公共健康的重要威脅。

無機(jī)砷化合物的劇毒從何而來？

砷與元素周期表中的磷屬于同一主族，五價砷酸根（Arsenate）的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)也與生物體內(nèi)普遍存在的磷酸根（Phosphate）很類似。因此，砷酸根在一些生化反應(yīng)中能夠以假亂真，干擾原本需要磷酸根參與的能量代謝。

砷酸根（Arsenate）與磷酸根（Phosphate）的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

三價砷的毒性更強(qiáng)，它與巰基（-SH）之間有巨大的親和力，而人體內(nèi)許多必不可少的酶就含有巰基。當(dāng)這些酶中的巰基與砷牢固結(jié)合后，活性就會被抑制。比如，砒霜能夠摧毀線粒體中的丙酮酸脫氫酶，這種酶在有氧呼吸和無氧呼吸中都發(fā)揮著重要作用，一旦喪失活性將使細(xì)胞走上快速凋亡的過程。

砷中毒之后有沒有解藥呢？

我們可以從早年一篇經(jīng)典的中學(xué)課文——《為了六十一個階級弟兄》中尋找答案。

這篇通訊報道生動記述了1960年山西省平陸縣61位民工集體食物中毒，生命垂危，并因中央領(lǐng)導(dǎo)的果斷指揮調(diào)度，最終轉(zhuǎn)危為安的真實事件。

鮮為人知的是，這起中毒事件背后元兇，就是壞人在工人食物中放入了“信石”（含有砒霜成份），而報道中提到的輾轉(zhuǎn)千里空投到事發(fā)地點的“二巰基丙醇”，就是治療砷中毒的一種特效藥。

二巰基丙醇的分子結(jié)構(gòu)式中也有兩個巰基，類似螃蟹的大夾子，可以緊緊地夾住人體內(nèi)的砷元素，阻止其為非作歹。結(jié)合之后的產(chǎn)物又很容易通過尿液排出體外，從而使那些有重要生理活性的含巰基酶免受砷的侵?jǐn)_。

三價砷與丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase ）的結(jié)合，以及二巰基丙醇（2,3-Dimercaptopropanol）的解毒原理

砷與人類的關(guān)系難道真的就只有謀害與毒殺？這種性情兇猛的元素是否也有善良的一面呢？

實際上，盡管砒霜之毒路人皆知，出于“以毒攻毒”的樸素理念，砷的藥用歷史與砷作為毒物的歷史幾乎一樣長。

在中國醫(yī)藥典籍中，小劑量砒霜作為藥用的記載可以追溯到公元973年宋朝人編輯的《開寶本草》。在古代西方，砒霜和其他含砷化合物曾被廣泛用在治療各種微生物感染的疾病。

但在科學(xué)不昌明的時代，由于人們對砒霜針對的病癥和所需的劑量并沒有充分把握，即便醫(yī)生出于良好的心愿，那些接受含砷藥物治療的患者也經(jīng)常成為砷中毒的受害者。

如果說在古代，醫(yī)生使用砒霜“以毒攻毒”碰運(yùn)氣治病并不為怪。然而，直至去年新冠流行期間，仍有庸醫(yī)在沒有科學(xué)證據(jù)支持的情況下，推薦“喝砒霜防新冠”，這就頗有點年代穿越的感覺了。

新冠流行期間，有印度醫(yī)生建議人們每天空腹飲用一杯“砷蛋白 30（Arsenic Album 30）”藥液，而這里的“砷蛋白”就是高度稀釋后砒霜。圖源：YouTube 視頻截圖

科學(xué)的發(fā)展最終讓砷的藥用走上正軌。

砒霜可以促使細(xì)胞快速凋亡，而正是由于這種特性，砒霜成為清除體內(nèi)的惡性增殖細(xì)胞的有利武器。除了對一些實體癌瘤有抑制效果，近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)砒霜對多種惡性血液病，尤其是早幼粒細(xì)胞白血病更表現(xiàn)出令人矚目的獨(dú)特療效。在該領(lǐng)域，我國醫(yī)學(xué)家張亭棟教授在民間驗方的基礎(chǔ)上，經(jīng)過了長時間探索，是發(fā)現(xiàn)砒霜可以治療急性早幼粒細(xì)胞白血病的主要貢獻(xiàn)者。

當(dāng)然，上面所說的 "砒霜治療白血病" 并非直接服用砒霜，而是以砒霜為原料、經(jīng)特殊加工制成的靜脈制劑。由于砷的劇毒特性，它的用法、用量都十分微妙，也只有在現(xiàn)代科學(xué)指導(dǎo)下正確用藥，世人皆知的毒藥方能化為治病的良方。

治療急性早幼粒細(xì)胞白血病的特效藥（商品名Trisenox）

很多含砷化合物有劇毒，讓人避之不及，同時砷元素在地殼中的總含量也并不低，但2018年美國化學(xué)會卻將其列為百年之內(nèi)具有嚴(yán)重短缺風(fēng)險的元素。

這或許會讓很多人頗感意外，而究其原因，當(dāng)今社會砷元素的用途早已不再局限于“毒”和“藥”，而是已經(jīng)滲透到與我們生活息息相關(guān)的很多高科技領(lǐng)域。

雜質(zhì)總量小于10ppm的高純砷是一種新型高端半導(dǎo)體材料。通過高純砷還可以制備砷化鎵、砷化碲、砷化銦等其他重要半導(dǎo)體材料，而這些砷的化合物廣泛應(yīng)用于微電子、光電子等領(lǐng)域，在航空航天、GPS導(dǎo)航和一些尖端軍事技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

其中，砷化鎵（GaAs）被譽(yù)為繼硅之后的第二代半導(dǎo)體材料，它的半導(dǎo)體電子遷移率比傳統(tǒng)的硅快，且具有抗干擾、低噪聲、耐高壓、耐高溫與高頻使用等特性，因此特別適用于無線通信中的高頻傳輸領(lǐng)域，是現(xiàn)代移動電話、衛(wèi)星通訊和雷達(dá)系統(tǒng)中的一種核心材料。

可用作半導(dǎo)體材料的砷化鎵片，以及砷化鎵的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)。圖源：https://en.wikipedia.org/wiki/Gallium_arsenide

遺憾的是，目前僅有少數(shù)發(fā)達(dá)國家能夠量產(chǎn)高純砷以及可用于半導(dǎo)體設(shè)備的砷化鎵材料，所以這些國家可以利用砷化鎵這張牌進(jìn)行技術(shù)封鎖。

就在2021初，在美國的指使下，韓國半導(dǎo)體公司停止向俄羅斯出售高性能的砷化鎵半導(dǎo)體設(shè)備，理由是俄羅斯軍工企業(yè)正在利用這些半導(dǎo)體，設(shè)計和制造N036有源相控陣?yán)走_(dá)，這種雷達(dá)將裝備在蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)上。韓國中斷砷化鎵半導(dǎo)體設(shè)備的供應(yīng)后，俄羅斯的N036雷達(dá)將無法繼續(xù)生產(chǎn)，蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)也面臨停工的風(fēng)險。

制備高純砷的一種重要方法，就是通過三氧化二砷加鹽酸形成三氯化砷（AsCl₃），再經(jīng)過精餾和還原，最終獲得高純砷。于是，古人避之不及的砒霜（三氧化二砷），竟搖身一變成為一種具有重要商業(yè)價值的化合物和支撐現(xiàn)代半導(dǎo)體行業(yè)的要素。

時過境遷，砷元素的主要應(yīng)用領(lǐng)域如今已經(jīng)有了脫胎換骨的改變。以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體材料推動了互聯(lián)網(wǎng)和通訊技術(shù)的高速發(fā)展，甚至還成為了尖端科技中急需解決的“卡脖子”問題。或許由于它作為毒藥使用的歷史太久，第一印象太過深刻，以至于至今談起它仍會令人心生恐懼，但現(xiàn)在是時候讓我們重新認(rèn)識這一古老元素，在砷元素漫長的“黑歷史”中尋找可觀的“正能量”。

參考文獻(xiàn)： 

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