数学建模社区-数学中国

标题: 金属的气味，你闻过吗？ [打印本页]

作者: R_Nitro 时间: 2017-8-28 03:42
标题: 金属的气味，你闻过吗？
本帖最后由 R_Nitro 于 2017-8-28 03:46 编辑

金属元素占据了元素周期表的大半，同样它们也在在人们的生活中起着至关重要的作用，我们每个人每天都在与金属直接或间接地接触着。其中，有些敏感的人发现有些金属带有特殊的气味。我们细心地想一下，确实是这个样子——铁锈味、铜臭味，说到这些你应该不会陌生，即使没有亲自闻到过也或多或少听说过。然而你们有没有想过，这味道究竟是如何产生的呢？今天我就来讲述一下金属气味的来源。
首先是铁——地壳含量中第二高，生活中运用最多的金属之一。很多人觉得铁有着一种特征性气味尤其是在生锈的时候我们会更为敏锐地闻到这股金属气味或者更加干脆地称其为“铁味”。我们知道无论是铁还是氧化铁（铁锈的主要成分），它们的熔沸点都很高，不会挥发，那这种气味究竟是由何种物质导致的呢？这个问题自然众说纷纭。而就是这么一个普通的问题直到2006年才算被真正解答。来自德国莱比锡大学的科学家Glindemann，他领导的一个联合研究小组在著名的《德国应用化学》杂志上发表了他们的成果。他们收集了与金属铁接触后的皮肤散发出的气体样品，并使用高精度的气相色谱／质谱联用仪（GC／MS）进行了分析。结果发现，这些气体样品里含有很多碳原子数从C6到C10的醛类和酮类化合物。其中有一种名为Oct-1-en-3-one (简称OEO)的不饱和酮物质（1－辛烯－3－酮）能够发出一种类似于霉味的金属般气味，对味道整体贡献较大。

oeo.jpg (572 Bytes, 下载次数: 256)

OEO结构式

作者: R_Nitro 时间: 2017-8-28 12:45
皮肤接触到铁之后，铁被氧化形成少量亚铁离子，并快速氧化成为三价铁，而皮肤上的过氧化脂类则被还原，得到挥发性的含有羰基的化合物，产生味道。得到的羰基化合物有不少种，对味道贡献比较大的是1-辛烯-3-酮，这个分子具有典型的霉味的金属味道，在浓度仅仅是每立方米50纳克的时候就可以被人发现。而“铁味”产生的机理也很好地诠释了为什么血液、铁锈以及铁制品为什么拥有相似的气味。血液中含有血红素

（这是它为什么呈红色的原因），暴露于空气中亚铁迅速氧化成三价铁离子，再与与皮肤表面的过氧化脂类反应生成OEO。Glindemann也在他的论文中这么写道：‘Ironically, the iron odor on skin contact is a type of human body odor.’（讽刺的是，与人的皮肤接触后的铁散发出的则是人的体味）不过当铁未与人接触时我们还能闻到一股类似大蒜气味的金属味，有人怀疑是磷化氢，但事实上铁中的磷很难达到这种浓度，但是这个味道也的确与有机磷化合物有关如甲基膦和二甲基膦。铁中有时还会有一些其他杂质，让这股味道变得更为复杂。

作者: R_Nitro 时间: 2017-8-28 12:55
图一：随着铁元素的增加表皮生成羰基碳氢化合物的典型化学指纹图谱。针对150μL,浓度为10 mM氯化亚铁水溶液在0.3dm2皮肤气相色谱／质谱联用仪进行色谱分析。小图说明了通过固相微萃取测量挥发物的抽样过程。
1-7=不饱和羰基化合物，BL=基线峰值。
图二：对应不同材料皮肤上亚铁离子浓度与生成的羰基碳氢化合物的关系

F1.gif (5.66 KB, 下载次数: 277)

Figure1

F2.gif (8.39 KB, 下载次数: 243)

Figure2

作者: R_Nitro 时间: 2017-8-28 13:13
图a为皮肤与纯铁粉反应产生的各种产物浓度，图b 则是纯铜粉，图c无任何物质接触

当然金属味绝非铁一家的专利，事实上铜、钼等元素都与其一样，当和人的皮肤接触时即会产生OEO。但区别就在于产物类似但浓度仍有微小差异，即使如此我们的嗅觉还是能敏锐地察觉到。科学家们推测，这种对“铁血味”的感知能力可能在人类的早期进化过程中起到了很大作用。远古人类在采集狩猎活动时，曾借助这种能力来发现受伤的猎物或者部落同伴。虽然很多能力在我们从猿人进化为如今这幅样子的过程中消失了，但识别铁味这份特殊的技能却很幸运地保留至今。

Figure abc.png (84.85 KB, 下载次数: 285)

Figure abc.png

作者: R_Nitro 时间: 2017-8-28 13:16
以上内容部分节选自知乎用户@Mon1st@郑旭然
图片来自wiley online library DOI: 10.1002/anie.200602100

欢迎光临数学建模社区-数学中国 (http://www.madio.net/)