人體中含量占體重萬分之一以下 (＜0.01％)的元素。或稱痕量元素。人體中有元素90餘種，已發現的微量元素有50餘種。含量小於體重十億分之一的元素又稱為超微量元素。本文將兩者泛稱為微量元素。微量元素含量雖微，但與生長、發育、營養、健康、疾病、衰老等生理過程關係密切，是重要的營養素。少數微量元素的生物學作用不同或對人體有害。微量元素與生物關係的研究最早始於植物。植物生理學傢最早證明黴菌的生長絕對需要鋅，鐵鹽和鋅鹽可使玉米葉正常生長。1925～1956年，人們們發現鋅、鈷、鎂、鉬等是傢畜傢禽正常發育不可缺少的營養素，缺乏時出現生長停滯、產仔困難，甚至死亡。1957～1980年相繼發現，除碘、鐵、鋅、銅、鈷外，硒、鉻、釩、氟、矽、鎳等也是人體必需的。對缺鋅、缺硒的研究很多。微量元素與心血管疾病、腫瘤的關系也引起廣泛關註。
微量元素的種類 人體必需的元素可分四類：①軀體結構元素，如氫、碳、氧、氮、硫、磷；②宏量元素，如鈉、鉀、鈣、鎂、氯；③微量元素，如鐵、鋅、銅；④超微量元素，如氟、碘、硒、矽、砷、錳、鉛、硼、錫、溴、鉬、鉻、釩、鎳、鈷等。
微量元素又分為必需微量元素和非必需微量元素。人體必需的微量和超微量元素是維持生命所必需要的，缺乏時會導致死亡或嚴重功能不良，有15種:鐵、碘、銅、錳、鋅、鈷、鉬、硒、鉻、錫、釩、氟、矽、鎳、砷（其中砷稍有爭議）。非必需微量元素如汞、鎘、鉛、鍶、銣等。這類微量元素有些對人體有害（如汞、鈹、鉈、銻、碲等），有些作用不明（如鋁、鍶、銀、鈦、鋯等），而鋰、溴、鉛、鎘有希望列入必需微量元素。微量元素對人體有益還是有害，很難一言而概之，因為任何一種元素的生物學作用均與其在體內的濃度（或劑量）及價態有關。
微量元素的生物學作用 微量元素在體內的含量雖微，但生物學作用巨大。主要生理功能是：①輸送宏量元素。如含鐵血紅蛋白是球狀大分子，每個分子含有4個鐵(Fe2+)。Fe2+與卟啉環絡合成血紅素。血紅素與珠蛋白結合成為血紅蛋白單體，4個單體再組成一個血紅蛋白大分子。血紅素中的Fe2+是載氧功能的活性中心。②生物催化作用。微量金屬元素是生物體內多種酶的活性中心，常以金屬酶或金屬活化酶的形式參與生物體內各種復雜的生物化學反應。已知體內千餘種酶大都含有1個或多個微量金屬原子，如銅、鋅、錳均是過氧化物歧化酶的組分，硒是谷脫甘肽過氧化物酶的組分等。③參與激素和維生素的作用。碘是甲狀腺激素的組分。鉻是糖耐量因子的必需成分，作為胰島素的輔助因子起作用。鈷則是維生素B12的活性中心，缺鈷，則生物體內不能合成維生素B12。④影響核酸代謝。核酸是細胞內遺傳信息的載體，通常含有相當多的微量元素鈷、銅、鋅、鎳、釩等。這些微量元素的失調可影響核酸的正常代謝，從而對生物體的出生、生長發育及衰老過程產生深遠的影響。各種必需微量元素的生理功能、缺乏癥及失調情況見表1。
表1 必需微量元素的功能、缺乏癥和失調情況
金屬元素的毒性作用機理大致有：①置換金屬元素，如攝入的過量鎘可置換鋅酶中的鋅，使鋅酶失去作用。②金屬離子與酶的功能基（SH、NH2、COOH、OH等）牢固結合而封閉酶的功能部位，使酶變形而失去作用。③金屬與核酸結合，從而封閉瞭遺傳信息傳遞，破壞其正常功能，導致基因突變。④金屬與細胞膜的磷酸結合，改變瞭膜的通透性。破壞細胞或細胞器的正常代謝。
微量元素的生物學作用（有益還是有害）與元素本身的理化性狀有關，如三價鉻(Cr3+)是必需元素，而六價鉻(Cr6+)則為有毒或致癌元素，又與該元素在其作用部位的濃度（通常以劑量表示）密切相關，必需微量元素攝入量低於一定劑量時，則出現缺乏癥；攝入量提高到適宜范圍時，則該元素在機體內的生理功能可達最佳狀態；攝入量超過一定范圍，則可導致中毒或死亡。這就是必需微量元素的生物學劑量──反應規律。人們有時處於邊緣性缺乏狀態，這可能是某些疾病的風險因素（如腫瘤病人常處於邊緣性缺硒狀態）。非必需微量元素在低劑量時，機體對之能耐受，隨著劑量的升高，則可出現中毒或死亡。
微量元素的來源 人體內的微量元素來自外環境，有兩個來源：①地殼的巖石層。巖石經過幾億萬年的風化、淋溶及生物作用變為土壤，其中的化學元素通過土壤、水、空氣、植物及動物進入人體。因此生物體的化學組成與其生存的地質環境有十分密切的關系。如高氟環境常發生過量氟攝入引起的地方性氟斑牙及氟骨癥，缺碘環境常發現缺碘引起的地方性甲狀腺腫及克汀病。②工業污染。礦石(特別是金屬礦石)的開采、冶煉及利用過程使原來深埋於地層下的有毒金屬或非金屬通過污染的空氣、土壤、飲水及食品進入人體。金屬元素在外環境很少降解，並能通過食物鏈在生物體內蓄積、富集並轉化為毒性更大的有機金屬化合物。如甲基汞污染始於無機汞污染，而引起水俁病。成人每日膳食中微量元素的需要量見表2。
表2 成人每日膳食中微量元素需求量（毫克/日）
微量元素在機體內的代謝 環境中的微量元素可通過消化道、呼吸道及完整的皮膚進入人體，多數通過食物及水進入人體。全胃腸道（主要在小腸中段）均可吸收微量元素。影響元素吸收的因素很多，如元素本身的理化性狀、胃腸道內食物組分及pH環境、機體的生理或病理狀態等。中國人的膳食中鐵和鋅並不缺乏，但由於主要食物谷類、菜類中的植酸及纖維素等均能阻礙其吸收利用，故中國兒童及孕婦中缺鋅綜合征或缺鐵性貧血常見。改進膳食結構，適當增加肉類，可提高鐵的生物利用率。
微量元素吸收進入血液，通常與特異的載體轉運到身體的特定部位，如運鐵蛋白可運載鐵，血漿銅藍蛋白運載銅等。微量元素在體內的分佈不均勻，如碘主要蓄積在甲狀腺內，氟主要蓄積在骨、牙等硬組織。通常多數微量元素蓄積於肝、腎等實質性臟器內；一部分通過糞、尿、汗、呼出氣排出體外。從尿排出的元素有碘、氟、硒、鈷、汞等；從糞便排出體外的元素有鐵、鋁、錳、銅等。元素攝入量不足時，機體可增加腸道吸收，減少排泄；反之，攝入量過多時，機體可減少腸道吸收，促進排泄，來維持體內該元素濃度的相對穩定。各元素在體內有“貯存庫”，借以調節其血濃度，如氟的貯存庫為骨骼，氟攝入量過多時，血氟可轉移到骨骼中貯存；一旦攝入停止或不足，則骨氟又可轉移到血液中，以維持適宜的血氟水平。但這種內穩態調節的作用隻限於必需元素，調節能力有一定限度。當環境劇烈的變化超過機體內穩態調節能力時，則平衡失調，可出現代謝異常或疾病。
微量元素的相互作用 2價鐵可阻礙鋅的吸收，高鋅可減弱鎘的毒性；反之，鎘的增加能引起鋅的缺乏。硒與汞也有抗拮作用，硒化合物可以削弱烷基汞的毒作用。硒又與維生素 E有聯合作用。鈣離子可與過量氟形成不溶性化合物，從而減少腸道氟的吸收。
金屬硫蛋白在微量元素體內代謝調控及重金屬中毒機理方面具有重要作用。當重金屬進入機體後，在肝、腎、腸、脾及皮膚等組織內可合成金屬硫蛋白。其生物學作用可能是：①貯存。細胞內鋅、銅濃度過高時，可誘發金屬硫蛋白的合成（其中含有大量銅、鋅），從而防止過量鋅、銅對細胞膜、酶等敏感部位的毒性作用。②運輸。可為某些酶提供鋅和銅。③解毒。動物試驗發現鎘一次大量投入可引起中毒癥狀，而少量多次投給（總量超過上述中毒量的7倍），仍不引起中毒癥狀。原因可能是鎘與硫蛋白結合成金屬鎘蛋白，將鎘以無害的形式封存於細胞內，從而降低瞭鎘的毒性。
生物監測 可利用人體生物材料（血、發、尿、臟器等）中微量元素的接觸水平來評價外環境該元素的總暴露水平（空氣、飲水、食品及生活日用品中等元素含量的總和），或評價該元素對機體的健康效應。因為人體組織及臟器內微量元素的含量很低（百萬分之幾或十億分之幾），而且變異因素很多，如果樣本缺乏代表性或稍有損失或污染，都可能在測試結果中出現巨大誤差而導致錯誤的結論。為此，要求從監測對象及樣本的選擇、采樣、運輸、保存、分析方法及儀器選擇、數據處理及解釋等全過程采取一系列科學技術措施來保證測試結果的準確可信及可比性，這就是質量保證。為保證實驗室樣本分析的準確性及精確性而采取的措施即為質量控制。目前國際上采用標準參考物 (SRM)的方法來控制分析質量。SRM中的元素含量均為已知準確而穩定的鑒定值或參數值。中國目前已研制成功並可提供應用的生物標準參考物有桃葉、茶、鎘米、豬肝粉、小麥粉、血、發、尿及黨參等(見鉛中毒、汞中毒、鎘中毒、砷中毒)。
參考書目
蘇引：對微量元素營養的再認識，《哈爾濱醫科大學學報》，6:(1～6)，1987。