氫是唯一由幾種同位素共同組成的物質(zhì)元素。自然界中存在的氫同位素有氕(protium)、氘(deuterium)和氚(tritium)三種。以人工方法合成的同位素還有“H、5H、6H和H等。氕是自然界中含量最多的氫同位素，豐度達(dá)99.98%，氣原子核只有一個(gè)質(zhì)子，不含中子，是構(gòu)造最簡(jiǎn)單的原子(見(jiàn)圖1-1)。

圖1-1 氫原子的波爾模型

氘是含量第二的氫同位素，在海水中氛的濃度大約是155ppm①，氘氫鍵能產(chǎn)生更強(qiáng)的蒸發(fā)分離效應(yīng)，在高原極地冰中氘的含量是140ppm左右。雖然氘的含量比較少，但由于氫同位素效應(yīng)是所有元素中最顯著的，氘的生物學(xué)效應(yīng)也受到學(xué)者關(guān)注。有概念認(rèn)為冰川水和低氘水是功能水，低氘水支持者認(rèn)為，氫鍵影響生命體所有反應(yīng)和結(jié)構(gòu)構(gòu)成，是水、蛋白質(zhì)和核酸等重要生物分子結(jié)構(gòu)形成的最基本化學(xué)形式。由于同位素效應(yīng)，氘形成的氫鍵鍵能比氕高，生物體系內(nèi)氘比例改變必然對(duì)生物過(guò)程產(chǎn)生影響。1974年，T.R.格里菲思(T.R.Griffiths)根據(jù)氛的同位素效應(yīng)，還有氘水對(duì)許多生物的毒性作用等現(xiàn)象，提出氘加速衰老、影響DNA反應(yīng)酶活性的假說(shuō)。此后一些學(xué)者開(kāi)始對(duì)低氘水生物效應(yīng)進(jìn)行研究。其中比較著名的是匈牙利生物學(xué)家G.索姆利艾(Gabor Somylai)博士，他發(fā)現(xiàn)低氘水能顯著抑制腫瘤細(xì)胞的分裂繁殖。索姆利艾博士用低氘水對(duì)癌癥、糖尿病等疾病進(jìn)行臨床研究，發(fā)現(xiàn)低氘水具有一定抗癌和抗糖尿病效果。目前低氘水生物醫(yī)學(xué)研究總體規(guī)模非常小，尚沒(méi)有得到主流醫(yī)學(xué)的認(rèn)可。
 

作為最簡(jiǎn)單的原子，氫在原子物理領(lǐng)域有特別的理論研究?jī)r(jià)值。眾多科學(xué)家對(duì)氫原子的光譜、能級(jí)、成鍵等方面不斷深入研究，對(duì)量子力學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的人類革命性發(fā)現(xiàn)起到了十分關(guān)鍵的作用。
 

根據(jù)核外電子的不同，氫原子有氫陰離子、氫陽(yáng)離子和氫原子三種存在方式。在氫離子化合物中，氫原子得到一個(gè)電子成為氫陰離子(以H表示，也稱為氫負(fù)離子)，它與金屬等共同構(gòu)成氫化物(如氫化鈣、氫化鎂等)。氫陰離子由兩個(gè)電子及一個(gè)質(zhì)子組成，是已知的除電子鹽外體積最小的陰離子。氫陰離子不能在水溶液中穩(wěn)定存在，是已知最強(qiáng)的堿之一。氫陰離子也是非常強(qiáng)的還原劑，有人利用氫陰離子具有強(qiáng)還原性的特點(diǎn)制備功能食品，筆者認(rèn)為這種氫陰離子在體內(nèi)可與氫陽(yáng)離子反應(yīng)產(chǎn)生氫氣發(fā)揮作用，可以歸類為氫氣醫(yī)學(xué)健康產(chǎn)品。
 

氫原子失去一個(gè)電子成為氫陽(yáng)離子(以H+表示，簡(jiǎn)稱氫離子)。由于氫陰離子不常用，氫陽(yáng)離子一般直接稱為氫離子。在水溶液和水中，氫離子并不獨(dú)立存在，而是與水結(jié)合存在的。氫離子在酸堿化學(xué)中尤為重要，酸堿反應(yīng)中常存在氫離子的交換。pH值亦稱為酸堿值，指的是氫離子或質(zhì)子的濃度指數(shù)，是溶液中氫離子活度的一種標(biāo)度，也是通常意義上溶液酸堿程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于許多生命活動(dòng)對(duì)酸堿度有非常嚴(yán)格的適應(yīng)范圍，例如人的血液pH值必須維持在7.35~7.45。近年來(lái)生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，氫離子本身就是一種可以啟動(dòng)細(xì)胞膜通道的重要信號(hào)介質(zhì)。
 

共價(jià)氫化物是非金屬、類金屬及一些電正性不大的金屬元素與氫形成的化合物。有些元素還可形成雙核及多核的氫化物，如H3N和H2O2等，其中以碳形成的氫化物最多。所有有機(jī)物都是碳的共價(jià)氫化物，有機(jī)物是構(gòu)成生物體結(jié)構(gòu)的最主要成分。
 

氫原子與電負(fù)性大的原子X(jué)(如氟、氧和氮等)以共價(jià)鍵結(jié)合，若與其他電負(fù)性大的原子Y接近，在X與Y之間以氫為媒介，生成X一H.…Y形式的鍵稱為氫鍵。氫鍵是一種特殊的分子內(nèi)和分子間作用力，是實(shí)現(xiàn)水的物理化學(xué)性質(zhì)和許多生物大分子功能的重要基礎(chǔ)。
 

氫鍵是一種比分子間作用力強(qiáng)，比共價(jià)鍵和離子鍵弱的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性介于共價(jià)鍵和離子鍵之間。在生物體中，大量氫鍵共同起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。例如蛋白質(zhì)a螺旋是N-H…O型氫鍵，DNA雙螺旋是N-H…O和N-H·N型氫鍵。水和其他溶媒的異質(zhì)性是由于在水分子間生成O-HO型氫鍵(見(jiàn)圖1-2)。由于鍵能較低，氫鍵的形成和破壞都比較容易，所以氫鍵對(duì)生物分子間的識(shí)別與生物化學(xué)反應(yīng)都有著非常重要的意義。
 

圖1-2 水分子之間的氫鍵（白色為水分子中的氫原子，灰色為氧原子）

①ppm表示百萬(wàn)分之一，1ppm=1×10-6，行業(yè)慣用。