毒物科普：铊为什么有毒
前言：本文化学部分多年前曾经试图在实验室开放日投稿过化学科普小视频的文案，可能是因为太硬了，最后没采用。知乎上关于铊的回答大都是集中在后半部分，偏毒理和生理学，铊是个金属元素，其实可以讲很多对人生没什么用的奇怪化学知识，下面是铊的化学向科普。
铊字
先讲一些轻松的，封面图是康熙字典的截图，那时“铊”还不读tā，读tuó，【唐韻】食遮切……【說文】短矛也。
化学引入中国时，早期翻译家用了生僻字译音元素，至于把朱元璋和化学元素联系起来完全是在搏人眼球，这些翻译家并没有想那么多，铊就是一个例子。
铊1861年才被发现，所以中国化学先驱徐寿（1818-1884）的第一批65个元素中没有铊的详细记载。//0721更新，这里我去确认了一下资料，最早的译名是1870年《化学初阶》的“金+他”，1872年徐寿《化学鉴原》定为“鈶”。
1901-1920年的书中主要是“鈶（古代读sì，这时应该读tái）”（1901年《最新中心教科书化学》）“⿰金⿱日羽”（按照“塌”造的字，1917年《中华中学化学教科书》），1921-1932年主要是用“鈶”。1932年在郑贞文整理修改的《化学命名原则》中改成了“铊”并沿用至今[1]。导致了铊变成了“多音字”，不得不说，早期的翻译者音韵学水平明显更高，后来1932年的这批可能因为废除科举而且留洋的也多了，音韵声律上比较马虎。看下图，书里注音符号写得像韩语谚文，写“国际音标”却没有标声调，给人一种不靠谱不专业的感觉。
当然最不专业的是——现在含“它”的字一般不读ta。不过那时高本汉的汉语论文发表不久，汉字“小学”也不普及，这群主要喝洋墨水的化学家没什么汉字读音知识也正常，不知道"它"读ta1其实是个特例并不意外（所以现在很多人以为铊读tuo2也正常）。
可以参考下面的字表，目前常见汉字中含“它”的除了“它”“铊”以外如下：
蛇shé/yí、坨tuó、驼tuó、跎tuó、沱tuó、舵duò、鸵tuó、佗tuó、砣tuó、拕tuō、咜tuō、迱yí、紽tuó、詑tuó、陀tuó、柁tuó\duò、鮀tuó、酡tuó。
能发现大部分读tuó，反正不读tā。原因是发生了语音变化，类似的语音变化像“罗”中古音读la，日语也读羅らra，韩语因为头音规则读na。它读tā其实是古音的保留，是个例外，所以另外两个译名都比“铊”好。
元素
铊是81号元素，位于元素周期表的第六周期IIIA族（硼族），化学符号来源于其光谱谱线的嫩绿色,原意是“嫩枝”。可能有人对81号没有概念，这是标准的重金属的编号，汞只不过是80号元素。
铊真的没什么用。铊-201可以用于心肌灌注显，铊还用在合金、玻璃和红外感应半导体中，铊在有机反应中可以催化一些奇特的氧化反应，形成一些配合物[2]，但以上作用多有替代方案，所以有的书直接说“没有铊，我们似乎可以活得很好，甚至更好”[3]。但All Elements matter，铊的应用其实是被它毒性限制了，在上世纪80到90年代，铊催化的文章曾经很多，当然这也为国内几期投毒案的发生埋下了伏笔，下面就来看看铊为什么有毒。
毒理
重金属的毒性一般分为两部分，一部分是由于重金属电子多，容易极化，在“软硬酸碱理论”中属于“软酸”，因此大多是“亲硫元素”，可以通过和硫的作用使蛋白质变性，其中代表就是“汞”，汞有多亲硫呢？红色硫化汞（朱砂）Ksp=4×10⁻⁵³。
另一部分由于和其他金属离子半径和电荷相近，而被酶等结构错误识别，导致很多蛋白的生理活性改变。这个作用的代表是引发“痛痛病”的镉，痛痛病的一个原因就是镉离子的半径和电荷类似钙离子，引发钙流失而引起的。
铊的毒性反应机理是多方面的，但是很多细节仍然不为人知。目前已经了解到的铊致毒机理包括[4][5]：
一价铊离子与钾离子化学性质相似，在生物体内会与钾离子发生竞争，影响有钾离子参与的生理活动如神经冲动的传导等。铊离子与蛋白质中的巯基结合，致使其失去生理活性，目前已知铊会与线粒体中相关蛋白结合，导致氧化磷酸化失偶联，干扰机体的能量代谢；铊还会与角蛋白中的巯基结合，影响角蛋白的合成，导致脱发和mess纹的产生。铊与核黄素结合，干扰生物氧化的过程，引起外周神经炎。铊会干扰DNA的合成并抑制有丝分裂。铊可以穿过胎盘对胎儿造成损害，还能够穿过血脑屏障。也就是说，铊的主要毒性来自一价铊离子和钾离子的相似，这让人想到夏树静子的一本书《与手枪不幸的相遇》，这本书的题目来自永山则夫案，一把枪改变了一个人的一生，那铊的故事则可以说成是“和钾离子不幸的相似”，不幸的巧合改变了铊的命运。
那么是第六周期IIIA族元素，钾是第四周期IA族元素他们是如何相似的呢？
首先是镧系收缩，我们知道同一周期中原子半径和离子半径随着原子序数的增加而逐渐减小。原子半径收缩的较为缓慢，但上面的表上能看出，从La～Lu经历14个“多出来的”元素后，Hf离子的半径甚至比同族的Zr离子的还小。这使得铊的半径和铟的半径差距不大，所以接近差了两个周期的钾。（矿物学中铊离子的半径和Rb⁺也接近，所以在提取岩浆含钾矿物质时，容易结晶出Rb⁺和Tl⁺，但铊主要还是亲硫，更多的是被发现在硫化物矿中。）
但相对于钾离子的半径，一价铟离子的半径似乎更加接近，但铟离子最常见的价态是+3价，铊作为一个IIIA族的元素，正三价铊具有强氧化性不稳定，最常见的是正一价，这乍一看很奇怪，背后是又涉及另一个效应——6s惰性电子对效应，这个效应的解释很多，其中根本原因是相对论效应。简单来说，核电荷数增加导致电子运动速度增加，增加到一定程度时由于相对论效应使电子质量增加，电子运动半径减小，最终使得轨道收缩。本来s轨道由于形状的原因，靠近原子核，受相对论效应影响的6s电子对尤其明显。这个效应可以解释很多现象，它直接导致6s电子不愿意离去，失去6s电子需要消耗更多能量，比如汞的电子排布是[Xe]4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s²，最外层就是6s电子，使得汞金属键弱，常温下是液态，甚至为了6s在一起可以形成甘汞Cl-Hg-Hg-Cl这样的化合物。此外三价铊，四价铅和五价铋具有强烈的氧化性，五价的铋酸钠酸性下可以将二价锰离子氧化成高锰酸根离子。因此，三价铊在人体内不稳定，人摄入铊时主要是稳定的一价离子。
另一方面，单质铊也很容易被氧化成铅的那种蓝灰色，而且氧化层会越来越厚最终形成空壳，这和铊的氧化还原性有关。
以上数据[2]能看出铊正常条件下以一价化合物的形式存在，但碱性下还有还原性。
那铊在电荷和半径上都和钾离子接近，它安安静静的代替钾离子不好吗？不好。上面说了，重金属由于电子多，极化能力好，更容易和硫元素结合，同时铊可以催化一系列氧化反应（见上图，碱性时铊具有氧化性，不要忘记铊是一个可变价金属，和钾在元素电势上差距很大），造成很大的破坏，另外，溶解性上TlCl是不溶的（有的书说可以用对角线规则解释，但银其实是IB族的，最多解释甘汞不溶），以上差异从而引发了一系列的问题。
铊毒性高于铅汞的一个原因是人体会主动吸收铊（同样是重金属的铋就因为不会被细胞错误识别而没太大毒性，甚至可以做胃药），虽然铊中毒会引起腹泻等肠胃症状，但大部分铊还是被吸收了。因为铊离子与钾离子的相似，细胞膜无法区分这两个阳离子，主动让铊离子进入了细胞。这个“主动吸收”和细胞膜上的Na⁺一K⁺一ATP酶有关，铊离子和这个霉的亲和力是钾离子的10倍以上，这个酶又叫钠钾泵，它能逆浓度梯度地把Na⁺从运到细胞外，把K+运入细胞内，维持细胞内外的渗透压，铊离子和钠钾泵的亲核性导致铊离子进入了细胞还不容易出去，当铊离子在细胞内聚积时，通过竞争抑制钾离子的理化作用，引发一系列的破坏。（这一点类似百草枯，肺泡粘膜细胞会主动识别吸收百草枯离子，而这种离子由于结构特性会引发氧化反应破坏细胞。）
所以只要生理活动中用到钾的地方，铊就可以破坏。
铊中毒首先和高钾状态相似，可影响肌纤维的兴奋性、神经纤维的电势、神经一肌肉之间的兴奋性传导及肾脏电解质的转运，尤其是会严重破坏细胞中细长的轴突部分——这导致急性铊中毒的神经系统症状（包括下肢麻木酸疼，两腿无力，由脚底开始，逐渐扩展到两腿，以后涉及到躯干），同时也会引发腹泻等肠胃症状。
但和麻木相比，铊引起的周围神经病变更明显，铊中毒最常见的首发症状是四肢远端周围神经病变，如麻木和疼痛，有的记录中形容成刺痛、蚁走和灼烧感。这被认为和铊对硫胺素（维生素B1）的影响有关，维生素B1缺乏会出现典型的心血管系统与神经系统症状末梢神经炎。
铊中毒后期，铊和蛋白上的硫相结合，通过血脑脊液屏障，在脑内蓄积会导致神经变性、脱髓鞘和脂质氧化终末产物的堆积，产生明显的神经毒性作用，引发更严重的神经系统症状。而且铊离子能抑制细胞有丝分裂，造成细胞代谢紊乱，这对脑和周围神经系统糖代谢影响是最大的，以上作用结合，导致铊中毒症状中神经系统损伤非常突出。这是铊中毒导致脑损伤、失明的原因。
铊离子还可以取代钾依赖性酶系中的钾离子，这些酶系包括磷酸酶、丙酮酸激酶、维生素B12依赖性脱氢酶等。
如葡萄糖酵解过程中， 磷酸烯醇式丙酮酸将高能磷酸基转移给二磷酸腺苷(ADP)形成三磷酸腺苷(ATP)和丙酮酸，是由丙酮酸激酶催化的。而丙酮酸激酶的作用需要钾离子的参与。从而连接无氧酵解到三羧酸循环，在这个过程中铊取代钾离子，干扰了葡萄糖酵解过程，从而干扰了葡萄糖供能。因此，铊中毒的幸存者大多糖代谢紊乱，有糖尿病。
干扰ATP的形成，对需要高能量的细胞——神经细胞、心脏细胞和毛囊细胞的影响极大，尤其是毛囊细胞，铊在毛囊细胞中替换钾的速度极快，造成的破坏也大。同时铊也会与半胱氨酸巯基结合，干扰角蛋白二硫键形成，影响角质蛋白的合成，造成头发和指甲结构的损坏，导致毛发脱落。这两点联合是引发铊中毒性脱发的原因（没有发根的脱落，起初为斑秃，以后逐渐发展为全秃）。
铊对维生素B12依赖性脱氢酶的抑制导致铊中毒还会引起类似维生素B12缺乏症的症状，包括神经障碍、脊髓变性、脱髓鞘和严重神经症状，甚至痴呆、昏迷等（这和麻醉剂氧化亚氮导致的维生素B12失活，脊髓变性症状类似）。
铊还能和核黄素（维生素B2）相互作用，核黄素不论是作为黄素单核苷酸还是黄素腺嘌呤二核苷酸，都在和碳水化合物代谢有关的许多氧化-还原反应中起必需的辅酶作用。铊在体内与核黄素紧密结合，干扰代谢。因此，铊中毒的神经症状与核黄素缺乏症相似——这些症状主要包括阴囊炎、舌炎、唇炎和口角炎。（能看出铊和B族维生素的关系很差，B1、B2和B12都会被铊影响。）
铊能拮抗钙离子，从而影响心脏功能。铊还可干扰铁的吸收和转移，导致缺铁性贫血。铊还有生殖毒性。但这和上面的症状相比，已经不太重要了。
症状
铊中毒的案子太有名了，几乎可以不用介绍。铊中毒的症状也随着1961年阿加莎《百马酒店》的出版以及清华案发生深入人心。以下的症状在上面的毒理研究中或多或少有解释。
一个典型的记录如下[6]：
第一天:没有任何症状或者类似着凉或流感的轻度症状。
第二天：肠胃炎、脚部针刺感，并可能出现腹泻
第三天：周身带状疼痛、关节痛、脚部对触摸非常敏感、几乎无法入睡。
随着日子一天天过去，中枢神经系统所受到的损害越来越大，以上的这些症状也日益严重。接着而来的是控制说话、吞咽以及舌头和嘴唇活动的肌肉瘫痪。眼部开始发炎，并可能导致失明。脸部和嘴部的肌肉瘫痪导致像面具一样的面容，而且病人已无法说话。皮肤呈灰色并有鳞片状脱落，手上可能会起皮疹。病人会大量出汗，并且可能导致手掌和脚掌发出难闻的气味。铊可以导致过分排尿，但是通过尿液排出的铊却很少。受害者的心脏、肝脏和肾脏逐渐衰竭，并可能死于诸如肺瘫痪、肺炎或心力衰竭等疾病。由于铊刺激动脉肌肉，因而会导致血压升高。伴随着以上身体中毒症状的是精神失常的症状，包括严重抑郁、轻生、幻觉和癫痫。相关事件
1947年Ngaio Marsh《最后的帷幕》出版，最早的描写铊毒杀的小说，作者因为模范阿加莎名声不大，但是她其实才是最早将铊公之于众的人。1961年阿加莎《白马酒店》出版，褒贬不一，被认为是将恶魔放出了笼子，引发模仿翻案。其实1861年铊被发现后，曾经作为鼠药、玻璃添加剂和治疗肺结核、皮癣的药物，因此毒性已经被发掘得很清楚了，很多罪恶早已借着信息差悄无声息的出现了。对《白马酒店》的讨论可以参考一本关于阿加莎的专著《阿加莎的毒药》。格雷厄姆·杨（Graham Young）案，著名投毒狂，15岁开始使用锑剂毒杀亲人，出狱后进入玻璃厂，接触到铊后使用铊投毒，是《白马酒店》后第一起被发现的铊投毒案[6]。2005年日本有一起少女模仿犯案。1995年5月、1997年5月，清华、北大先后发生了两起学生铊盐中毒案件。2007年徐州中国矿业大学三人铊中毒案2008年湖北武汉8人铊中毒案。2011年旅美华裔女化学师铊杀丈夫案。2014年日本大内万里亚案，17岁（2012年）起将硫酸铊投入同学饮料，致使同学失明。2018 年一名来自中国的化学专业留学生 Yang 几个月来使用铊和其它化学物质给自己的黑人室友下毒。很神奇的是铊在头发中残留的很少，而且无色无味，面对这样可怕的毒药，不得不说《白马酒店》真的救了很多人。现在铊中毒症状已经广为人知，相关事件也在减少，《法医毒理学》告诉我们认为现代的科学仪器发现不了重金属是不明智的。
解毒
最早的解毒思路是使用重金属通用的硫醇络合剂。但后来随着毒理的研究的深入，开发了普鲁士蓝治疗法，普鲁士蓝是一种无毒色素。铊可以被普鲁士蓝吸附后形成不溶性物质随粪便排出。从而中断肠肝循环，对治疗经口急慢性铊中毒有一定疗效。现代一般结合透析和补充钾离子的疗。
普鲁士蓝作为一种经典的染料自身可以聊出一篇小论文。现在认为普鲁士蓝（Prussian Blue）是亚铁氰化铁（ferric ferrocyanide）。
过去对普鲁士蓝【Fe³⁺与[Fe(CN)₆]⁴⁻反应的产物】和滕氏蓝【Fe²⁺与[Fe(CN)₆]³⁻反应的产物】是不是一种东西一直有争议，它的化学式也一度写成KFe[Fe(CN)₆]，后来才发现其实不含钾离子，只是制备时容易残留钾离子，普鲁士蓝和滕氏蓝本质上都是Fe₄[Fe(CN)₆]₃，但是用钾盐制备的普鲁士蓝更适合做铊的解毒剂。
普鲁士蓝历史悠久，氰化物cyanide一词就是由cyan（青色，蓝紫色）衍生而来，汉字也继承了这一点，是用“青”，这正是因为普鲁士蓝是最早发现的氰化物之一。
