利用單分散納米硒粒子增強健康和技術
硒是一種必需的微量元素，對人類和牲畜的營養都非常重要。它是至少 25 種含有硒半胱氨酸的人體硒蛋白和酵素的必要膳食成分。由於硒對健康有許多好處，因此是動物飼料和營養產品的常見添加劑。此外，由於硒是半導體，具有光電活性，因此有更先進的應用，例如 Xerography 和太陽能電池組裝。
硒很少以元素狀態出現，通常是以有機（硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸）或無機（硒酸鹽、硒化物、亞硒酸鹽）的形式出現。
由於與大體材料相比，納米顆粒通常會顯示出獨特的電氣、光學、磁學和化學特性，因此均勻、單分散、納米大小的硒顆粒的開發獲得了商業上的關注。硒納米微粒 (SeNPs) 的應用尤其令人感興趣，因為它們已被證明可增強硒的生物和光電特性。此外，SeNPs 具有生物相容性且無毒，與其對應物亞硒酸鹽（SeO32-）和硒酸鹽（SeO42-）相比，具有較低的細胞毒性。
圖 1.單分散硒膠體：六種直徑從 20 到 240 nm 的顆粒的攝影圖片。顆粒從左至右依次為直徑最小的在左，直徑最大的在右（分別為 20±6、71±9、102±10、146±23、183±33 及 240±32 nm）。
圖 2.單分散硒奈米顆粒的 TEM 顯微照片，突顯出顆粒大小與形狀均勻，且顆粒間變化極小。[Lin et al Materials Chemistry and Physics 92 (2005) 591-594]。
Utilizing Selenium Nanoparticle for COVID-19 Detection
奈米粒子(NPs)已被廣泛應用於許多醫學領域，包括生物感應、藥物傳遞、影像及抗菌治療等。由於 NPs 具有高比表面積和超小尺寸，因此已被應用於逆轉錄聚合酶鏈式反應 (RT-PCR) 方法，以及其他病毒檢測方法，包括酵素連結免疫吸附分析 (ELISA) 和逆轉錄環介導等溫擴增 (RT-LAMP)。嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒 2 (Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2) 是一種包膜病毒，具有類似顆粒的特徵，直徑為 60-140 nm (圖 3)。它可被視為一種功能性核殼奈米粒子 (NP)，可與鄰近的多種材料互動，在保持其生物活性的同時，保持附著時間可變。據觀察，由於形態相似，合成 NPs 可以近似病毒並與其蛋白質產生強烈互動。
圖 3.SARS-CoV-2 結構的卡通圖像。
Wang等人的一項研究討論了開發一種基於SeNP的護理點檢測，用於聯合檢測人血清和血液中的抗SARS-CoV-2 IgM和IgG。該檢測涉及一種以硒納米粒子修飾的 SARS-CoV-2 核蛋白為基礎的橫向流免疫分析試劑盒，可檢測人血清中的抗 SARS-CoV-2 IgM 和抗 SARS-CoV-2 IgG，並在 10 分鐘內產生肉眼可察覺的結果（）。i>請參閱 圖 4檢測套件的說明）。
因此，SeNPs 可用作側向色譜法實驗中的標記探針。此類 NPs 具有表面等離子體效應和小尺寸效應，可用於標記蛋白質或核酸。由於 SeNPs 呈橘色，因此可見的橘色線可代表正面結果。SeNPs 的優勢在於其靈敏度較高，且比其他探針類型更具成本效益。
圖 4.SARS-CoV-2抗體免疫分析試紙的組件和詮釋。 (a)圖中描述了試紙的不同組件；(b)視覺評估指引通過識別對照線和測試線（分別為C和T）以及IgM和IgG抗體的存在與否，幫助用戶詮釋試紙結果。[Wang 等人，實驗室晶片，2020，20，4255] 。
在動物飼料和人類食品補充品中增強營養效益的納米尺寸顆粒
納米尺寸顆粒可提供營養效益，例如增強吸收、生物利用率、抗菌活性以及納米材料的排泄。在單胃動物、反芻動物和水生動物飼料中添加 SeNPs 後，動物營養產品的補充效果非常理想（SeNPS 在動物飼料中的應用，請參閱 圖 5）。納米顆粒輸送礦物質可有效提高飼料轉換率、促進肌肉細胞的生長和發育、改善腸道微生物環境、治療常見的寄生蟲疾病（如球虫病）以及降低家禽死亡率。傳統上，硒是以無機（亞硒酸鹽）或有機（硒代蛋氨酸）的形式添加到動物飼料中。然而，在動物飼料中使用奈米硒粒子形式的硒可能是一種有吸引力的替代方案，因為它在納入硒蛋白之前不需要進行新陳代謝，因此比無機硒更具生物利用率。目前，人體 SeNP 補充試驗和商業產品尚屬空白。然而，這是一個極具前景的研究領域。
圖 5.納米硒粒子在動物飼料中的應用。
納米硒顆粒作為醫療裝置的抗菌塗層
由於納米顆粒具有高表面體積比，而且與傳統的微米大小顆粒相比尺寸更小，因此已被廣泛研究用於各種醫療應用。它們的高表面面積提供了更多與生物實體互動和與其他生物活性分子（如抗癌和抗菌藥物）功能化的位點。奈米結構的硒除了能改變表面形態以最終抑制細菌附著外，還能增加可與細菌互動並殺死細菌的表面面積。此外，SeNPs 對小鼠的急性毒性比亞硒酸鈉低七倍，顯示出較少的促氧化作用。
生物膜是醫療裝置上常見的持續感染原因，因為它們很容易形成且難以治療。SeNPs 可以塗佈在醫療器材（例如用於導管、矯形假肢、隱形眼鏡、人工心臟瓣膜等）的表面，以防止生物膜的形成。Wang 等人的研究表明，與未塗佈 SeNPs 的聚碳酸酯表面相比，塗佈 SeNPs 的聚碳酸酯醫療裝置在 24 小時和 72 小時後可強力抑制表面 S. aureus 細菌的生長，抑制率分別為 91% 和 73%。重要的是，這是在不使用抗生素（而是人體的天然元素）的情況下實現的。圖 6 說明了隨著聚碳酸酯表面硒濃度的增加，金黃色葡萄球菌密度的降低。
圖 6.硒塗層聚碳酸酯薄膜的抗菌特性研究結果。圖中展示了在不同數量的硒上培養不同時期的 S. aureus細菌密度。數據顯示，硒塗層聚碳酸酯表面能有效抑制細菌生長，在食品包裝和醫療設備上有潛在的應用。[Wang 等人，實驗室晶片，2020，20，4255] 。
硒奈米粒子治療癌症的機制與應用
有人認為補硒是一種強效的抗癌療法。大規模、雙盲、隨機的人體干預試驗顯示，每天補充 200 µg 的硒可使全因死亡率顯著降低，並使癌症總死亡率以及肺癌、結腸直腸癌和前列腺癌的發病率顯著降低。儘管特別使用 SeNPs 進行的人體干預試驗很少，但體外研究已經觀察到，以葉酸功能化的 SeNPs 可以誘導癌症細胞株 (乳癌細胞株 (MCF-7))的細胞凋亡。此外，研究顯示 SeNPs 在培養過程中可造成前列腺癌細胞縮小及細胞毒性損害。由於 SeNPs 尺寸小、表面面積大，補充 SeNPs 可增加硒的生物利用率和抗癌效果。
硒的化學保護作用的作用機制尚未完全明瞭。不過，有幾種假設可以解釋硒的抗腫瘤活性。這些假設可能包括對氧化損傷的保護（透過其作為抗氧化酵素谷胱甘肽過氧化酶成分的功能）、致癌物新陳代謝的改變、對內分泌和免疫系統的影響、細胞毒性硒代謝產物的產生、蛋白質合成的抑制、特定酵素的抑制；以及刺激細胞凋亡。圖 7探討了硒可能的化學預防作用。
圖 7.硒在癌症預防和治療中的作用。面板(A)表示導致癌症風險增加的各種因素，以及硒對這些因素的保護作用。面板(B)說明在有納米硒粒子存在的情況下，促進癌細胞死亡的癌細胞凋亡示意模型。[Maiyo et al Nanomedicine 2017 Vol 12 No 9] 。
硒在太陽能電池中的應用潛力
硒具有幾個主要特性，使其成為理想的太陽能電池元件，例如對光的高靈敏度、易加工性和穩定性。這種元素顯示出高吸收係數和遷移率，使其成為高帶隙薄膜太陽能電池的吸光劑。此外，單一元素吸收劑的簡單性（可大幅簡化沉積製程）和內在環境穩定性，使硒可應用於極為便宜且可擴充的太陽能電池。與矽和其他新興的光電材料相比，硒基太陽能電池具有優越的特性。它們的加工溫度（低於 200 °C）遠低於矽或碲化镉的加工溫度。硒太陽能電池對環境條件（如濕度和氧氣）也顯示出固有的穩定性。此外，硒是一種 p 型半導體，研究顯示硒具有雙極傳輸特性，可同時發揮極大的傳輸作用和光吸收作用。Pejjai et al.的一項研究成功地將單硒化錫 (SnSe) NPs 結合到薄膜太陽能電池中，其效率達到 0.43%。 圖 8 表示 SnSe NP 太陽能電池的示意圖和特徵。
圖 8.SnSe NPs 太陽能電池：(a)異質結太陽能電池示意圖，(b)，電流密度 vs. 電壓 (J-V) 特性，(c)和 SnSe 吸收層的 SEM 圖像，詳細說明 SnSe NPs 吸收層的形態和厚度。[Pejjai et al. J Mater Sci: Mater Electron 27, 5491-5508 (2016)。
用於藥物傳輸和增強皮膚穿透力的硒奈米微粒
奈米技術的廣泛使用正不斷升級，用於皮膚、頭髮、指甲、唇部護理的藥妝品和奈米藥妝品，以及皺紋、光老化、色素沉著、頭皮屑和頭髮護理損傷等病症。由於 SeNPs 等新型納米載體的表面面積大，因此具有增強皮膚滲透、控制和持續釋藥、更高穩定性、溶解性和增強生物利用度，以及特定部位靶向和高夾持效率等優點（納米藥妝品的優點見 圖 9 ）。
細胞蛋白在抗氧化防禦和維持還原的細胞環境中扮演關鍵角色。紫外線輻射可包括活性氧 (ROS)，而活性氧是氧化性皮膚損傷的關鍵媒介。重複暴露於 UV-A 和 UV-B 會增加曬傷的風險。此外，氧化壓力 (主要由 UV-A 放射線所造成) 會導致提早老化、曬黑和皮膚癌。硒已經以奈米顆粒的形式加入到防曬產品中，因為與更常用的同類產品相比，硒的毒性更低。硒的抗氧化活性可增強清除自由基的氧化還原酵素的活性，為治療曬傷併發症提供了一種有效的替代方法。局部應用 SeNPs 的抗氧化效果可消除 ROS 並顯示酸性 pH 值（在 4.2-5.6 的範圍內），從而減少氧化壓力，這有助於預防致病細菌定植、調節酵素活性和維持富含水分的環境。
圖 9.奈米微粒在化妝品護膚應用上的正面影響。
硒納米技術在農業中的應用：納米微粒肥料對作物生產和土壤健康的益處
世界各地土壤中的硒含量差異很大，可能在 0.005 到 1200 µg g-1 之間，但通常在 0.1 到 10 µg g-1 之間。一個人的膳食硒攝取量以及血漿硒含量高度依賴於他們所吃食物中的土壤硒含量。土壤中硒濃度的正常化可透過使用含硒肥料來實現。奈米級硒作為肥料的添加劑引起了人們的極大興趣。與有機和無機硒化合物相比，SeNPs 不會溶解於水和水溶液中，也不會從土壤中快速滲出。Se 可經由奈米粒子表面逐漸氧化並釋放氧化物到土壤溶液中，從土壤中供給植物。
研究指出，使用 SeNPs 施肥的土壤會使水果、稻米和茶葉的產量增加，水果中的硒含量也會增加。此外，在肥料中加入 SeNPs 可改善藍莓的生長週期，而藍莓的品質較高，儲存期也較長（請參閱 圖 10 不同 SeNP 施肥濃度對蘿蔔植株的影響）。SeNPs 已被證實可增強植物的病害抑制和抗真菌能力。此外，奈米肥料中的奈米材料表面面積大且尺寸小，可增強作物施肥時對硒的交互作用和有效吸收。這種吸收功效的提高可帶來顯著的經濟和環境效益。
圖 10.蘿蔔幼苗生長對 SeNPs 施肥的反應。蘿蔔幼苗生長在(a)未施肥的土壤中，以及生長在施肥有(b) 1、(c) 5、(d) 10 和(e) 25 μg g-1 SeNPs 的土壤中。如圖(c)和(d)所示，在 SeNPs 濃度為 5 和 10 μg 時，植物生長率最高。
硒與糖尿病的關係：證據與意義
雖然硒對糖尿病影響的證據有點缺乏，但研究觀察到糖尿病患者的硒狀態比對照組的低。血漿硒含量低的男性糖尿病患病率往往更高。此外，一項研究指出，與對照組相比，患有妊娠糖尿病的孕婦的血清血漿水平較低，並且發現血清硒水平與 CRP、總膽固醇和低密度膽固醇水平之間存在顯著的負相關。硒的抗氧化能力可能具有中和氧化應激的作用，而氧化應激在糖尿病的發病機理中扮演重要角色。此外，有人推測硒可能會影響葡萄糖代謝。研究顯示，補充硒可降低糖尿病患者的發炎蛋白質表達，例如白細胞介素和腫瘤壞死因子。然而，硒的毒性範圍非常狹窄，必須小心謹慎才能確保有益的治療效果。其他研究顯示，血漿中硒含量高的人糖尿病發病率較高。目前，有關血漿硒水平和糖尿病風險的可用數據可以用 U 型圖表來表示（圖 11）。這意味著低硒攝入量和高硒攝入量都會影響糖尿病和其他臨床死亡的風險。因此，儘管觀察證據顯示低硒狀態可能會增加罹患糖尿病的風險，但仍需進一步研究安全的補充硒攝取量，以達到有益的治療效果。
圖 11.U 型圖說明健康併發症的風險與硒狀態的關係。
硒作為抗氧化劑在炎症性疾病中的作用：對糖尿病、乳糜瀉和 HIV 的影響
硒是一種主要的抗氧化元素，透過催化氧化還原反應的酵素發揮作用。這些硒蛋白在細胞的抗氧化防禦系統中扮演關鍵的角色。有強烈的證據顯示，硒可能會影響許多發炎性疾病（糖尿病、乳糜瀉、愛滋病）的病程和結果。目前的資料顯示，病毒、細菌或壓力誘發的炎症可能會受到硒供應的不同程度影響。嚴重的發炎反應症候群也會出現低硒水平，其特點是活化的巨噬細胞產生的活性氧（ROS）增加、導致氧化損傷和組織傷害。核因子卡巴-B（NF-KB）訊號通路與增強的發炎反應有關，其活化與白細胞介素-6 和 TNF-α 的產生有顯著的相關性。根據假設，硒可透過調節基因表達來抑制 NF-KB 的活化。在慢性發炎時補充硒，可透過增加硒蛋白的生物合成來恢復耗竭的肝臟和血清硒含量。圖 12說明了硒酵素與發炎反應之間的關係。雖然目前研究 SeNP 補充劑的抗發炎效果的人體實驗尚未發表，但這是未來很有希望的研究領域，因為奈米尺寸的微粒可能會比較大的微粒有更高的生物利用率，進而增強治療效果。
圖 12.代表補硒對發炎的機制。補硒可抑制 NF-KB 與啟動子基因的結合，減少細胞因子的釋放，抑制 CRP 的合成。血漿中硒的含量會影響硒酵素的活性，硒酵素可抑制蛋白激酶的活化及 IκBα 的磷酸化。
Se Nanoparticles as Antibacterial Agents：特性與作用機制
SeNPs的高表面體積比、靶標特異性、高生物相容性和高反應性特性可能使其成為成功的抗菌劑。奈米粒子可能會與核糖體、DNA 和 RNA 等細胞元件互動，並造成此過程中的改變。據推測，納米顆粒會通過內吞作用滲透細胞膜，然後進入胞體，破壞細菌細胞的基因組件。
SeNPs 已被證實可作為有效的抗菌劑對抗革蘭氏陽性細菌。Glantreo Ltd. 的一項試驗指出，將 SeNP 水溶液塗佈在聚乙烯蓋玻片上時，可在 2 小時的培養期間內將 MRSA 細菌的菌落形成單位/毫升數降低 98% 以上。由於 MRSA 對抗生素具有抗藥性，因此利用 SeNPs 作為生物醫學應用的抗菌劑可能是非常令人鼓舞的。
Huang 及其同事顯示 SeNPs 的抗菌活性高度依賴於尺寸。約 80 nm 的 SeNPs 對 MRSA 的生長有最大的抑制和殺滅作用。結論是 SeNPs 顯示出尺寸依賴性、多模式的作用機制，包括耗盡內部 ATP（圖 13）、誘導 ROS 生成和破壞膜電位。
圖 13.不同大小 SeNPs 的 S. aureus 的 ATP 水平。Stevanovic 等人 (Front. Bioeng. Biotechnol. 8:624621.)
SeNPs的抗菌效果有許多工業和醫療應用。Khiralla et al.指出，生物源 SeNPs（MIC90 25 µg/mL）對 6 種食源性病原菌具有抗菌效果：B.Cereus、E. faecalis、S aureus、E. coli 0157:H7、S.Typhimurium, 和 S.圖 14）。
圖 14.SeNPs（0、5、10、15、20、25、30、35 和 40 µg/mL）對 3 種革蘭氏陰性食源性致病菌的抗菌效果。測試菌株的生長以 595 奈米的光密度 (OD595) 來測量。40 µg/mL SeO2/mL 作為額外對照進行測試。帶有不同小字母的列表示每組內的顯著效果 (p < 0.05)。星號列 (*) 表示在相同 SeNPs 濃度下，不同菌株之間有顯著差異 (p < 0.05)。(Khiralla et al. LWT-Food Science and Technology 63 [1001-7])
瞭解面膜對 COVID-19 的功效：使用納米硒粒子的新型測試方法
目前的 COVID-19 大流行是由新型冠狀病毒 SARS-CoV-2 引起的，而 SARS-CoV-2 主要經由呼吸道傳播 (vide infra)。最近的研究表明，佩戴口罩可以減少 COVID-19 在人群中的傳播，從而減緩流行曲線的增長。
SARS-CoV-2 的尺寸範圍為 60 到 140 nm，比細菌、灰塵和花粉的尺寸還小。因此，與孔徑小得多的材料製成的口罩相比，棉質和合成纖維等孔徑較大的材料製成的口罩將無法有效過濾這些病毒或帶有病毒的微小液滴。
當顆粒與濾纖互動時，一般認為它們會被纖維「收集」，並透過范德瓦爾斯力保留下來。對於小顆粒而言，布朗運動會增加顆粒與過濾纖維互動的機率。對於較大尺寸的顆粒，當顆粒在一個顆粒半徑範圍內時，就可能被纖維截取。
決定掩膜功效是一個複雜的課題，目前仍是一個活躍的領域。
有人提出，將含有與 SARS-CoV-2 尺寸範圍相似的納米顆粒的氣溶膠溶液通過遮罩材料，並觀察保留的溶液水平，就可以推斷遮罩材料在減少帶有病毒的液滴擴散方面的功效。
硒納米顆粒可以合成為 SARS-CoV-2 特徵尺寸範圍（60 - 140 nm）內的納米顆粒。由於這些球形、單分散的納米粒子在水溶液中會形成特有的橙紅色（圖 15）。
圖 15.硒納米粒子水分散體的照片，顏色從橙色到紅色不等。
有人認為，將有色納米顆粒的霧化噴霧溶液引向口罩材料，觀察口罩捕獲的溶液水平以及隨後未捕獲顆粒（通過口罩材料的有色噴霧）的水平，可以確定所研究材料在抑制 SARS-CoV-2 傳播方面的有效性。16 illustrates a design for evaluating the viral efficacy of mask materials.
圖 16 說明評估口罩材料病毒效力的設計。
圖 16.使用六階段式安徒生取樣器評估口罩材料對抗細菌和病毒功效的設計圖紙。
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