近日，中國科學技術大學徐銅文教授、汪耀明特任教授和李震宇教授團隊發表了一項令人振奮的成果：利用雙極膜技術，實現了氘代酸和氘代鹼的高效製備，並將這兩種物質的生產成本大幅降低了80%，有效破解了氘代物規模化生產的效率和成本瓶頸。那麼，氘代酸和氘代鹼究竟是什麼？它們有哪些應用價值？又爲何比黃金還昂貴？這一切，都要從一種叫做“氘”的神祕物質說起。

“氘”是什麼？——氫的“重量級”兄弟

我們都知道氫元素，它是宇宙中最輕、最豐富的元素。但你可能不知道，氫元素有三種同位素，即氕（piē）、氘（dāo）、氚（chuān），分別對應¹H、²H和³H。

氕、氘、氚原子結構示意圖

（圖片來源：作者）

氕：原子核內僅有一個質子，沒有中子。它是三者中最輕的同位素，因此也被稱爲“輕氫”。氕的原子核結構穩定，無放射性，是氫元素的主要存在形式，佔據了自然界氫元素的99.985%。

氘：原子核內有一個質子和一箇中子，所以比氕重一些，因此被稱作“重氫”。氘的原子核結構穩定，無放射性，但是隻佔自然界氫元素的極小一部分（約0.015%）。

氚：原子核內有一個質子和兩個中子，比氘還要重，因此被稱作“超重氫”。氚的的原子核並不穩定，具有放射性，半衰期約爲12.4年。氚在自然界中極其稀少，每一百億億個氫原子中僅有1個氚原子。

其實，兩個中子並不是氫元素的極限，目前已知最重的氫同位素是7H，原子核中足足有六個中子！不過4H~7H均爲人造同位素，且半衰期極短，自然界中根本不存在。

所以，自然界中絕大多數物質中的氫元素都以氕的形式存在，無論是構成生命與生態的有機物（如蛋白質、核酸和糖類），還是廣泛分佈於環境中的無機物（如氫氣、水和銨鹽），其中的氫元素幾乎都是氕，相較而言，氘和氚僅佔極小部分。

“氘代”化合物：給分子穿上“重甲”

在日常生活、化學研究或工業應用中，如果沒有特別說明，提到的“氫”通常指的就是氕。當含氫化合物中的某些氕原子被氘替換後，就成爲了“氘代”化合物。例如由氕組成的水分子質量較輕，被稱作“輕水”；當水分子中的兩個氕原子均被氘替換時，便成爲了“氘代水”，即“重水”；當水分子中僅有一個氕被替換爲氘時，便成爲了“半氘代水”，即“半重水”。類似的，當水分子中的兩個氕原子均被氚替換時，就成爲了“氚代水”，即“超重水”。

幾種水分子的結構示意圖

（圖片來源：作者）

氕氘氚都是氫元素，氕通常只有H一種表示方式，而氘、氚既可以用氫元素的符號H統一表示，也可以分別表示爲D和T。例如在普通化學實驗中，水分子可統一寫作H2O；而在需要明確區分同位素的化學反應或核反應方程中，重水和超重水需分別標註爲D2O和T2O。

在初高中的化學學習中，我們通常認爲，由同一種元素的不同同位素構成的物質，它們的化學性質相同，但物理性質不同。例如重水和超重水的相對分子質量更大，因密度、熔沸點會略高於普通水。

幾種水分子的物理性質對比

（圖片來源：作者）

但如果往深了探究，同位素物質的化學性質也存在細微差異，這一點在氫的同位素中尤爲明顯。例如，由於氘原子核的質量約爲氕的兩倍，因此氘-氧鍵比氕-氧鍵具有更大的鍵能。這種因同位素質量差異導致的化學性質細微不同，被稱爲“同位素效應”。

由於氘-氧鍵能更大，氘-氧鍵形成後會比氕-氧鍵更爲穩定，其斷裂會更加困難和緩慢，因此氘代物的化學性質會更爲穩定。例如，在相同條件下，輕水中的氫離子（H+）更易解離，因此在輕水溶液中，酸的酸性略強於在重水溶液中，酸鹼中和反應的速率也會更快；在電解水的實驗中，輕水的氫氣產生速率也會略高於重水。

氘代物：從核反應堆到手機屏幕的“全能選手”

氘代物和普通氫化物在理化性質上的差異，在一些對反應條件要求極高的化學反應或核反應中尤爲重要。

重水的沸點略高於輕水，且高溫下化學性質更爲穩定，不易分解或與金屬或混凝土等材料發生腐蝕反應，因此常被用作核反應堆的“慢化劑”。由於重水可以將快中子慢化爲速度較慢的熱中子，且中子損耗低，能夠高效維持鏈式反應，因此重水反應堆可以直接使用天然鈾作爲核燃料；而輕水反應氫核雖同樣能慢化中子，但對中子的吸收能力更強，會造成部分中子損耗，爲保障鏈式反應持續，輕水反應堆需使用低富集鈾（3%-5%）以彌補中子損耗。

小型研究型核反應堆CROCUS的堆芯

（圖片來源：Wikipedia）

在有機合成中，科學家們可將某個反應位點的氫原子替換爲更穩定的氘，然後觀察反應速率變化。如果反應速率顯著下降，便說明該位點是決定反應速率的關鍵位點，從而爲解析反應機理、明確中間體轉化路徑提供關鍵依據。

反之，在藥物研發領域，可以將有機物關鍵位點上的氫原子替換爲氘，以減緩藥物在體內的氧化、水解等代謝速率，讓藥效更持久，降低喫藥頻率，還可以定向控制藥物的代謝路徑，降低某些副反應的發生速率，減少有毒代謝物的生成。許多精神類藥物和抗癌藥物都已通過“氘代”的方式，提高療效的同時還能降低副作用。

氘代抗癌藥紫杉醇-D5分子結構示意圖

（圖片來源：作者）

在有機發光二極管（OLED）屏幕的生產過程中，使用重水、氘代酸或氘代鹼作爲原料參與反應，能夠提高發光材料分子的穩定性，抑制分子的降解或氧化，延長屏幕使用壽命。很多手機廠商的OLED屏幕均用到了氘代材料。

具有柔性OLED屏幕的智能手機

（圖片來源：Wikipedia）

需要注意的是，氘代物的穩定性並不總是有益的。例如重水無放射性且無化學毒性，但是氘氧鍵、氘碳鍵的穩定性會影響細胞內依賴氫原子參與的所有生理活動，例如降低遺傳物質的複製效率、減緩酶促代謝反應、阻礙某些蛋白質的正常合成與摺疊，伴隨着體內重水比例的提高（超過20-25%），生物會出現體重下降、神經功能異常等症狀，嚴重時會危及生命。不過不用擔心，日常飲用水中重水的比例僅爲0.015%，會被人體正常代謝，不會對健康產生影響。

另外，由於氘與氕的原子核結構存在差異，因此在覈磁共振（NMR）檢測中會顯示出不同的自旋特性。當重水或其他氘代物進入人體後，會隨着生理代謝過程參與各類生化反應，利用核磁共振等技術可以實時、無創地追蹤到這些被氘“標記”的分子，瞭解它們在化學反應在生物體內的分佈、轉化及積累過程及規律，從而清晰解析特定分子的代謝路徑，這在生物學研究中具有重要意義。

在量子化學和核磁共振氫譜等研究中，往往會用高純度的氘代溶劑（如氘代氯仿CDCl3）替代水溶液，從源頭消除普通氫原子帶來的背景信號干擾，以精準解析分子的微觀結構特徵。

某物質在輕水和重水溶液中的核磁共振氫譜對比

（圖片來源：文獻[1]）

爲何分離氘如此艱難又昂貴？

上述場景都必須對反應體系中的氫同位素組成進行精準控制，由此催生了氘代物的分離、純化、製備等需求。然而，由於氘的天然含量低，且分離提純的難度極大，因此價格昂貴。國際上，純度爲99.9%的重水價格約爲1000美元/千克，部分高純度氘代試劑（如氘代酸）的價格約爲數百至數千元每克，其中氘代十二烷酸-D23的價格達到了15000元每克，遠超黃金。

氘代十二烷酸-D23分子結構示意圖

（圖片來源：文獻[1]）

長期以來，氘代物的生產工藝複雜多樣，往往需要多步反應，涉及到昂貴的催化劑、苛刻的反應條件、複雜的設備和大量的能耗。而且反應結束後，還需要耗費大量的時間和資源來對目標產物進行分離和提純，這些問題使得氘代物的價格居高不下，嚴重製約了氘代物的大規模應用和產業發展。

雙極膜是一種離子交換膜，通常由一張陽離子交換膜、一張陰離子交換膜和中間的催化層複合製成，陽膜只允許陽離子（如H+）通過，陰膜則只允許陰離子（如OH-）通過。在直流電場的作用下，陰、陽膜複合層間的水分子會解離成氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-），陰陽離子分別在電場作用下通過離子交換膜，快速遷移到兩側溶液中，多用於水解離、電化學合成等反應中。中國科學技術大學團隊正是在雙極膜電滲析法的基礎上，成功開發出高效率、低成本製備氘代酸和氘代鹼的新方案。

雙極膜電滲析法裝置示意圖

（圖片來源：文獻[2]）

上圖爲雙極膜電滲析法的裝置示意圖，在直流電場和催化劑的作用下，重水分子在雙極膜中間的催化層中高效解離，產生氘離子（D+）和氘氧根離子（OD−），D+通過陽離子交換膜進入左側酸室，OD−通過陰離子交換膜進入右側鹼室。

中間鹽室爲硫酸鉀（K2SO4）的重水溶液，在離子交換膜的選擇性透過和電場作用下，鉀離子（K+）向陰極移動，與OD−在右側鹼室結合生成氘氧化鉀（KOD），硫酸根離子（SO42−）向陽極移動，與D+在左側酸室結合生成氘代硫酸（D2SO4）。另外，該體系還可用於LiOD/DCl和NaOD/DNO3等氘代酸鹼的製備。

氘代酸鹼生產裝置示意圖

（圖片來源：文獻[2]）

該技術僅以廉價的重水和無機鹽作爲原料，無需額外添加複雜試劑，僅需一步就能在常溫常壓下生成高濃度的氘代酸和氘代鹼。該方法原料價格低、反應能耗低、產物純度可達99.9%以上，整體生產成本僅爲傳統工藝的五分之一左右，經濟效益突出。並且在整個生產過程僅消耗電能，污染物排放趨近於零，環境友好特性突出。目前，該技術已成功完成年產3噸氘代酸鹼的中試放大實驗，有望快速實現工業化量產，填補國內高純度氘代試劑的產能缺口，降低氘代材料的研發與生產成本，讓這把迷人的“氘”精準剖開藥物研發、屏幕生產等高端領域的壁壘，爲我國精細化工與高端製造產業的自主創新注入核心動力。

參考文獻：

[1]Yang J., Zhang S., Sun W., et al. Proton Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Active Hydrogen[J]. University Chemistry, 2019, 34(1): 82-88.

[2]Yan J., Jiang C., Zeng X., et al. Synthesis of deuterated acids and bases using bipolar membranes[J]. Nature, 2025, 643, 961–966.

出品：科普中國

作者：梁坤（中國科學技術大學）

監製：中國科普博覽