化學(xué)家說磷
——訪中國科學(xué)院院士趙玉芬

本刊記者/宋暉 吳浪

化學(xué)家說磷
——訪中國科學(xué)院院士趙玉芬

本刊記者/宋暉 吳浪

磷是什么？磷與我們的日常生活有什么關(guān)系呢？

說到磷與生活的關(guān)系，很多人自然會(huì)想到磷肥和磷飼料，因?yàn)榱讓?duì)于生命體的重要性使得農(nóng)作物和牲畜的生長都不能少了這一元素。

隨著近50年來磷化學(xué)研究的不斷深入，磷與人類的日常生活、工業(yè)發(fā)展越發(fā)密不可分，已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面。既然磷與人類生活如此密切相關(guān)，為讓更多人更多地學(xué)習(xí)磷化學(xué)知識(shí)，了解磷的作用和功能，更好地認(rèn)識(shí)磷在人類現(xiàn)代生活中的重要地位，本刊記者采訪了我國著名有機(jī)化學(xué)家、中國科學(xué)院院士、廈門大學(xué)教授、本刊編委會(huì)副主任趙玉芬院士。

趙玉芬院士長期從事磷化學(xué)和生命化學(xué)的研究，在生命科學(xué)研究領(lǐng)域取得了重要的研究成果。她在生命起源的研究中，發(fā)現(xiàn)磷酰氨基酸能同時(shí)生成核酸及蛋白，又能生產(chǎn)LB-膜及脂質(zhì)體，因此提出了它是生命進(jìn)化的最小系統(tǒng)的展現(xiàn)觀點(diǎn)；發(fā)明了合成丙谷二肽的新方法，并獲美國及中國專利，同時(shí)獲得原料藥及制劑的新藥證書；發(fā)現(xiàn)了絲組二肽可以切割蛋白及DNA；利用電噴霧質(zhì)譜技術(shù)研究了一系列磷酰化小肽的裂解及重排規(guī)律，進(jìn)行了生物大分子和有機(jī)小分子的弱相互作用研究以及蛋白序列的分析等。迄今為止，已在國際國內(nèi)刊物上發(fā)表400多篇論文，出版專著5部，獲專利成果11項(xiàng)。

磷與生活密切相關(guān)

“當(dāng)前，磷化學(xué)研究呈現(xiàn)欣欣向榮的景象：新型結(jié)構(gòu)類型的磷化合物大量涌現(xiàn)，生命有機(jī)磷化學(xué)研究成為熱點(diǎn)，有機(jī)磷藥物有重大發(fā)現(xiàn)，含磷的多功能材料在許多領(lǐng)域被廣泛使用……我作為一名研究磷化學(xué)的科研工作者，看到這種景象非常高興。同時(shí)，我也希望更多的人能夠了解磷與生活的密切關(guān)系，從而更加充分地利用好磷。”了解到我們采訪的初衷，趙院士非常興奮地說道。

磷在人體中的含量為1％，在遺傳物質(zhì)DNA中磷的含量為9％，可謂生命的重要組成元素。除此之外，磷還有很多其他重要用途。“最近從新聞里面，大家也了解到了上海火災(zāi)的一些情況，火災(zāi)的危害使得我們更要重視磷的一個(gè)重要功能，那就是阻燃作用。”趙院士介紹道，現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)和人們生活中廣泛使用的材料，絕大多數(shù)在空氣中是可燃或易燃的。我們穿的衣服一般都是由化纖、棉制成的，這些材料遇到火極易燃燒，危害人的健康和生命；建筑物由于建筑材料成分各異、施工安全等因素也容易造成火災(zāi)；機(jī)動(dòng)車、火車、飛機(jī)，在事故中很容易爆炸著火，造成更大的損失……鑒于此，目前全球各發(fā)達(dá)國家都對(duì)材料的阻燃處理給予極大的關(guān)注。以前使用較多的是含氯或含溴的鹵系阻燃劑，這類阻燃劑阻燃效果雖好，但其毒性也比較大，發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)生成大量的煙塵，而統(tǒng)計(jì)顯示，火災(zāi)中，80％的死亡是由煙塵和毒氣窒息造成的。因此，歐盟已經(jīng)頒布了溴系阻燃劑的禁用令。而含磷的磷系阻燃劑反而能夠抑制煙塵產(chǎn)生，而且不像含鹵阻燃劑那樣產(chǎn)生有毒氣體，因此含磷阻燃劑成為了火災(zāi)的最大克星。

除了阻燃以外，趙院士還向記者介紹了磷對(duì)于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等方面的重要作用。

農(nóng)作物的生長過程中，會(huì)遇到各種蟲害和病菌的侵入，進(jìn)而影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量和果實(shí)的質(zhì)量，因此，需要各種農(nóng)藥來對(duì)付這些害蟲和病菌。有機(jī)磷農(nóng)藥就扮演了農(nóng)作物守護(hù)神的角色，它是農(nóng)藥中的佼佼者，不但可以作為殺蟲劑、殺菌劑，還可作為除草劑和植物生長調(diào)節(jié)劑，它們?cè)?jīng)壟斷了農(nóng)作物守護(hù)神的大部分崗位；由于磷元素是植物必須的元素之一，在植物生長發(fā)育和新陳代謝中起著極其重要的作用，因此，磷肥成為了農(nóng)業(yè)增收的保證，而且其使農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的效果已經(jīng)在全世界得到證明；生命的起源離不開磷，生命的健康更離不開磷，牲畜的飼料中有了磷，就會(huì)使牲畜更健康、健壯，從而使養(yǎng)殖者損失減少，收益增加。

趙玉芬院士在第17屆國際磷化學(xué)大會(huì)開幕式上

磷酸酯可謂工業(yè)中的“萬金油”。我們都知道，金屬是很容易被腐蝕的，因此而造成的經(jīng)濟(jì)損失讓人觸目驚心，但是如果在它們表面加上一層磷化膜就能防止腐蝕的發(fā)生，就可挽回部分經(jīng)濟(jì)損失。除了做金屬的防護(hù)衣，含磷化合物還可以“淘金”、為塑料“整容”、固化油漆、剝離顏料、清洗金屬等。

玻璃的作用大家都有切身的體會(huì)，也知道它是易碎的。但是磷酸玻璃居然可以制作高機(jī)械強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)器材，它也是醫(yī)學(xué)、光學(xué)、電子方面的有用材料，這就在于它與普通玻璃的不同之處，表現(xiàn)為兩個(gè)極端：一個(gè)極端是可以“溶解”，溶解以后就能殺菌，還能作為藥物載體在人體內(nèi)溶解而無害；另一個(gè)極端就是堅(jiān)固，經(jīng)得起摔打，可以制造雪橇、滑雪杖及其他運(yùn)動(dòng)器材等。

我們經(jīng)常在電視、網(wǎng)絡(luò)等媒體上看到“火星四射”的鐵水從冶煉爐中流出的畫面，是什么材料使得熔爐承受如此高溫而巍然不動(dòng)呢？是磷酸耐火澆注材料。因凝結(jié)方式不同，磷酸鹽膠凝材料中的磷酸鹽水泥用于搶修水泥路面、碼頭等；磷酸耐火澆注料廣泛用于高溫窯、爐的內(nèi)襯；磷酸鹽膠結(jié)劑又能用于粘接電子元器件。此外，磷還廣泛應(yīng)用于染料、顏料中。因其具有熒光性，磷在光電材料方面也得到了大量應(yīng)用。

不知道大家有沒有聽說過“第三營養(yǎng)素”卵磷脂，它是天然物質(zhì)，其醫(yī)療保健作用非常明顯。除了這個(gè)卵磷脂，含磷藥物在抗癌、抗病毒、抗關(guān)節(jié)炎等領(lǐng)域中也扮演著重要的角色。其實(shí)，磷在醫(yī)藥方面尤為值得一提的是它可以替換人體的“零件”，含磷骨水泥可以替代人的牙齒、骨骼甚至眼球，在這些替代零件表面可以生長黏膜、血管等，從而與人體相容。

在生活中，我們會(huì)經(jīng)常看到洗滌劑包裝上的“無磷”標(biāo)志。洗滌劑真的要禁磷嗎？其實(shí)，洗滌劑中不用磷，就得使用大量其他表面活性劑，會(huì)造成更大的污染。有些原本禁磷的發(fā)達(dá)國家，在硬水地區(qū)允許在洗滌劑中添加少量磷化合物，來減少其他表面活性劑的用量。除了這些以外，磷在生活中的很多方面都有廣泛的應(yīng)用。比如很受人歡迎的可樂需要添加磷酸來調(diào)節(jié)酸味，并防止飲料發(fā)生沉淀；北方人愛吃的油條現(xiàn)在都不添加有害健康的明礬了，而是用含有磷酸鹽的復(fù)合蓬松劑，不僅改善品質(zhì)，還增加營養(yǎng)。含磷水處理劑能輕而易舉地化解循環(huán)用水帶來的“水垢”。

“磷與人類生活真是息息相關(guān)，我這里只是簡單介紹了一些磷的用途，相信大家在生活中能夠感受到磷的重要存在。”趙院士非常希望能夠通過一些科普知識(shí)的傳播，使人們對(duì)磷有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，從而更好地生活與工作。

趙玉芬院士(右)接受本刊記者采訪

趙玉芬院士主持第17屆國際磷化學(xué)大會(huì)，這是與外賓在廈大校園交談。

加強(qiáng)磷資源的保護(hù)

我國是資源大國，也是資源消費(fèi)與浪費(fèi)大國。《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃的建議》中提出：加強(qiáng)資源節(jié)約和管理，加強(qiáng)能源和礦產(chǎn)資源地質(zhì)勘查、保護(hù)、合理開發(fā)，形成能源和礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略接續(xù)區(qū)，建立重要礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備體系。對(duì)于磷礦資源的保護(hù)與利用，趙院士非常關(guān)注：“目前，我國可利用的磷礦基礎(chǔ)儲(chǔ)量40億噸，資源量127億噸，富礦僅有10億噸，主要集中在云南、貴州等省，且磷礦外運(yùn)受鐵路運(yùn)輸制約。磷礦亂采濫挖現(xiàn)象嚴(yán)重，磷礦資源科學(xué)合理的規(guī)劃利用水平有待提高。”

據(jù)趙院士介紹，我國80％的磷都是開采冶煉后制成磷肥，一部分用于出口，一部分自用。由于磷本身的化學(xué)特性，磷肥施入土壤后，除了部分被作物吸收外，尚有部分被雨水沖刷而流失，降低了磷肥利用率，而且還會(huì)帶來一系列環(huán)境問題。據(jù)報(bào)道，我國自20世紀(jì)50年代使用磷肥以來，在土壤中礦化、累積的磷已高達(dá)6000萬噸，超過目前全國磷肥10年消費(fèi)總量。因此，從目前磷的供需矛盾以及環(huán)境保護(hù)方面來看，一是要加強(qiáng)科學(xué)施肥的宣傳推廣以及應(yīng)用力度，另一方面也要采取措施將土壤磷轉(zhuǎn)化為可吸收磷。這樣，對(duì)提高土壤資源的利用率，保護(hù)資源和環(huán)境，建立高效、低耗、環(huán)保的生產(chǎn)體系，促進(jìn)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展等目標(biāo)具有深遠(yuǎn)的意義。對(duì)于磷在各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)利用，不僅僅局限于磷肥，而是要發(fā)掘推廣其多種用途。

“如果我們的磷用光了，人類該怎么生活呢？”對(duì)于磷礦的開采與浪費(fèi)，趙院士提出了自己的憂慮，“我們的日常生活天天都依賴著磷，面對(duì)將來可能存在的磷資源匱乏問題，我們應(yīng)該警惕的是，磷資源像石油、稀土、石墨等資源一樣是不可再生的。對(duì)于資源，我們首先要保護(hù)資源、合理開采，然后是節(jié)約資源、科學(xué)利用，尤其在‘禁磷’與‘磷的解禁’方面，應(yīng)當(dāng)重視磷的回收與循環(huán)利用，堅(jiān)持走磷的可持續(xù)發(fā)展的道路。”

創(chuàng)新與人才培養(yǎng)

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，也是科技研發(fā)的重要途徑和不竭動(dòng)力。由于自身多年來一直在高校從事科研與人才培養(yǎng)工作，趙院士對(duì)于創(chuàng)新也有很深的感觸。她認(rèn)為，創(chuàng)新在各個(gè)領(lǐng)域都很重要。學(xué)校是一個(gè)創(chuàng)新比較多的平臺(tái)，學(xué)生在做科學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，會(huì)先有一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)一步一步完成實(shí)驗(yàn)過程。在這個(gè)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)一些異常現(xiàn)象，而這些異常現(xiàn)象有可能就是某一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。“我在國外讀研究生的時(shí)候，一次實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)一種磷的化合物能變成四個(gè)新的化合物，我抓住這個(gè)細(xì)微變化對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究及多次的思考，總結(jié)出一個(gè)很重要的成果。我經(jīng)常通過一些例子告訴學(xué)生們：面對(duì)一些細(xì)微的異常現(xiàn)象時(shí)，一定不要輕易放過，對(duì)于異常現(xiàn)象要有好奇心。”這是趙院士總結(jié)創(chuàng)新要素時(shí)提出的第一個(gè)方面。

她認(rèn)為要做好創(chuàng)新，第二個(gè)方面是貴在堅(jiān)持。“有時(shí)候?qū)W生在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，僅僅是重復(fù)前人已經(jīng)做過的過程，或者在實(shí)驗(yàn)的過程中確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一些異常現(xiàn)象，但是沒有繼續(xù)對(duì)異常進(jìn)行研究，這些都是不可取的。我每次都鼓勵(lì)學(xué)生這樣去做，即使重復(fù)人家做過的實(shí)驗(yàn)，也要很細(xì)心地用自己的創(chuàng)新方法去研究，這時(shí)候就可能會(huì)有發(fā)現(xiàn)的。科研是無止境的，有這樣的精神人人都能創(chuàng)新。”

第三是要有團(tuán)結(jié)的精神。現(xiàn)在的科研都不是一個(gè)人能做成的，要一個(gè)團(tuán)隊(duì)集體的智慧去做，要有大協(xié)作的精神，學(xué)生要善于與老師、同學(xué)合作，進(jìn)而與國內(nèi)外專家合作。現(xiàn)代社會(huì)科研條件非常優(yōu)越，儀器設(shè)備先進(jìn)、信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)、計(jì)算機(jī)方便快捷、儲(chǔ)存技術(shù)高級(jí)，充分利用各種有利條件進(jìn)行合作，創(chuàng)新成就才會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。“我們提倡以某個(gè)課題為中心，一些相關(guān)高校、科研院所或者專家組成聯(lián)盟，團(tuán)結(jié)起來，資源共享，相互溝通，互相鼓勵(lì)，取長補(bǔ)短，這樣更有利于科研成果的盡快成型，同時(shí)也達(dá)到相互進(jìn)步的目的。”

趙玉芬院士在第17屆國際磷化學(xué)大會(huì)上與英國Blackburn教授交流

另外，創(chuàng)新還需要有社會(huì)正義感。科研不能只為掙錢，要有為社會(huì)作貢獻(xiàn)的精神，這樣做事做科研就會(huì)更有動(dòng)力。同時(shí)，趙院士提出：現(xiàn)代教育不能過分強(qiáng)調(diào)精英培養(yǎng)，而應(yīng)鼓勵(lì)、培養(yǎng)更多對(duì)社會(huì)有用的創(chuàng)新人才。

趙玉芬，我國著名有機(jī)化學(xué)家，中國科學(xué)院院士，清華大學(xué)、廈門大學(xué)、鄭州大學(xué)教授，全國政協(xié)委員，全國青年聯(lián)合會(huì)委員。曾任清華大學(xué)生命有機(jī)磷化學(xué)劑化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)生命科學(xué)與工程研究院副院長。主要從事生命有機(jī)化學(xué)、有機(jī)磷化學(xué)、生命起源、藥物化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的研究。現(xiàn)擔(dān)任國際磷化學(xué)學(xué)會(huì)理事、Main Group Chemistry國際學(xué)會(huì)理事、國際生命起源學(xué)會(huì)委員、《國際原子化學(xué)》雜志編委，并任2005年第14屆國際生命起源大會(huì)主席和2007年第17屆國際磷化學(xué)大會(huì)主席。1991年當(dāng)選為中科院院士，成為當(dāng)時(shí)中科院最年輕的女院士。1993年獲首屆“中國青年科學(xué)家獎(jiǎng)”，1995年當(dāng)選為俄羅斯國際科學(xué)院外籍院士，2004年榮獲第二屆新世紀(jì)巾幗發(fā)明家獎(jiǎng)。