检测试纸上的“胶体金”,到底是一种什么样的金?
来源:科普中国
发布时间:2023-03-15
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出品:科普中国

作者:鲁闻生(中国科学院化学研究所)

监制:中国科普博览

很多人都使用过抗原试剂盒或验孕棒,可能也有很多人在使用过程中都注意到在它们的名称后面还有一个括号,写着“胶体金法”。在这些试剂给我们带来惊喜或惊吓之余,是否有人试图搞清楚胶体金是一种什么样的金呢?

HCG检测试剂盒

(图片来源:作者拍摄)

胶体金是什么?

首先要说明的就是,胶体金真的含金,只不过这些金是以胶体形式存在的。

“胶体”这个名词是英国化学家T.Graham于1861年提出的。他在研究溶液中溶质分子的扩散速率时发现:如果用羊皮纸(作为半透膜)隔离特定溶液和水时,一类物质如无机盐、白糖等可以快速扩散透过羊皮纸到水中去,当溶剂蒸发时,它们还容易成晶体析出;另一类物质如明胶、丹宁、蛋白质、氢氧化铝等,扩散速率缓慢,而且极难甚至不能透过羊皮纸,蒸发后会变成粘稠的胶状物质。

根据这一发现,他把物质分成两类:前者叫类晶质(crystalloid),后者叫胶体(colloid)。

这是一些果冻,也属于胶体,当初T.Graham就是因为某些物质蒸发后会变成胶状物质,而给出了胶体这个名称

(图片来源:Wikipedia)

然而,随着科学的发展,人们发现这样的分类并不恰当。

例如,俄国科学家韦曼发现:把无机盐氯化钠分散在酒精中,也具有扩散缓慢、透不过半透膜等性质。

所以,到了现代的定义中,胶体实际上指一种具有高度分散的分散体系,且胶体中的分散粒子极小,仅有1-1000纳米(本数据来源于《化学名词》,其中1纳米为1米的十亿分之一)。

现在,当我们说起胶体时,它已经不局限于某些特定溶液了,胶体的分散相可以是固体、气体和液体,胶体中的分散粒子也可以以固、液、气三种形式存在,而分散相和分散粒子则能组合出多种不同的胶体来。

薄雾就是一种胶体,分散相是空气,分散粒子是空气中的悬浮小液滴

(图片来源:Wikipedia)

泡沫是另一种形式的胶体,以牛奶为例,分散相是液态牛奶,而分散粒子则是细小的空气泡

(图片来源:Wikipedia)

如何制作胶体金?

自古以来,黄金就因其闪耀的光泽和稀有的特征被人们广泛喜爱和深入研究。甚至可以说,现代化学就是在“炼金术”的基础上起步的。因此,人们对胶体金的制备历史,实际上比“胶体”这个概念出现的还要早一些。

1857年,迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发现,通过添加二硫化碳,可以稳定磷还原氯化金水溶液形成的“微粒”,产生“美丽的红宝石流体”。不过他当时并没有给该产物冠以“胶体金”的名称。

时至今日,用于获得胶体金的大多数合成方法遵循类似的策略,以溶剂化的金盐作为前驱体,在表面保护剂的存在下对金盐进行还原。保护剂可以防止生成的金颗粒聚集,从而达到稳定胶体金的作用。

胶体金的透射电子显微镜照片

(图片来源:作者提供)

“红宝石流体”的出现与人们传统印象中金的颜色截然不同。其实这就是胶体金的特点——它可以呈现出多种不同的鲜艳颜色,而不是单纯的金色。这也是胶体金能用作各种试剂的原因。

米氏(Mie)使用麦克斯韦(Maxwell)电磁理论计算认为,胶体的多色性来自于胶体体系中含有的金颗粒对光的吸收和散射。当光线照射到胶体时,只有一部分光线能通过,其余部分则被吸收、散射或反射。许多胶体是无色的,因为它对可见光的各波段的光吸收均很弱,并且吸收大致相同。如果胶体对可见光中的某一波长有较强的选择性吸收,则透射光中该波长部分将变弱,这时透射光将呈现出该波长光的补色光。

以“红宝石”色的胶体金为例,当胶体金对520纳米左右波长的绿色光有较强的吸收时,胶体金会呈现红色,也就是绿色的补色。除了体系的化学结构对光的吸收能产生影响外,胶体中粒子大小、形状的变化、以及界面结构性质也能引起颜色变化。当胶体金颗粒分散度很高且颗粒很小时,胶体金呈现红色,此时散射很弱。随着胶体金中分散的颗粒尺寸逐渐增大,散射就增强,体系的最大吸收峰波长逐渐向长波方向移动,胶体金的颜色也将由红色逐渐变成蓝色。

不同颜色的胶体金示意图

(图片来源:作者提供)

而在制作胶体金时,人们可以通过改变金离子、还原剂、以及稳定剂的比例来调控金颗粒的尺寸、形状,从而获得不同颜色的胶体金。不过这种精确的调控直到现代才实现,因为最初的研究者通过普通光学显微镜很难看清这些金颗粒的具体形貌。随着电子显微学技术的产生与发展,人们终于能看清胶体金颗粒的形状和大小。

上世纪50年代,Turkevich等首次观察到了胶体金颗粒的形貌,他们采用柠檬酸钠还原生长的方法制备了直径在16-150纳米的金颗粒。最初,人们制备的胶体金颗粒主要以球形为主,随着研究的深入,三角形、立方体、八面体、棒状等多种形状的金颗粒被合成出来。

不同形状金颗粒示意图

(图片来源:作者提供)

胶体金免疫层析法是如何“工作”的呢?

胶体金的这些鲜艳的颜色使它成为一种良好的示踪标志物,被广泛应用于抗原—抗体检测领域:胶体金颗粒的表面能修饰上蛋白质等分子,当用胶体金标记的抗体与抗原反应时,这些标记物在固相载体上聚集达到一定密度时可呈现肉眼可见的红色至紫色。

1971年,Faulk等开创了胶体金免疫标记技术,此后,该技术被广泛使用并得以迅速发展。上世纪九十年代,结合胶体金标记和薄层层析两项技术的胶体金免疫层析技术诞生,并迅速成为一种新兴的快速诊断方法。

试想,不需要借助复杂的分析仪器,通过肉眼就可以判断检测结果,有些测试甚至根本不需要去医院,在家中就能完成,这种快捷的诊断方法很难不被人们接受。

胶体金免疫层析法往往以条状纤维层析材料为固相,胶体金标记的抗体处于试剂盒的结合垫上,当待测样本滴入加样孔之后,样本开始由样品垫向吸收垫方向流动。

如果样本中有待测抗原,在结合垫处的金标抗体会识别并结合抗原,形成“待测抗原‑金标抗体”复合物。在层析作用下,样本继续往前移动,当到达检测线(T)时,检测线处具有检测线抗体,则会形成“检测线抗体—待测抗原—金标抗体”复合物,所以检测线处胶体金大量聚集从而显现红色。过量的金标抗体则会继续从检测线处流向质控线(C)处,质控线处具有专门针对金标抗体的抗体,从而在这里形成“质控线抗体‑金标抗体”复合物,大量积聚后显红色。最终,T线和C线都会显示红色(阳性结果)。

胶体金免疫层析试剂盒的结构和原理示意图

(图片来源:作者提供)

当样本里没有待测抗原时,在检测线(T)处不会形成复合物,也就不会显色。大量的金标抗体会在质控线处形成“质控线抗体‑金标抗体”复合物,结果就是只有C线会显示红色(阴性结果)。

质控线抗体识别金标抗体的能力极强,所以质控线一定会显红色,如果这条线没有显色,那么这次检测结果是无效的。

多问一个“为什么”,你会发现科技就在身边

好了,胶体金和胶体金法的故事就讲完了,读到这里,大家有没有这样的感觉:“这也太复杂了!真想不到小小的检测试纸背后,经过了这么多发展,有这么多故事!”

我们的生活中其实充满了各种方便快捷的工具或服务,它们的背后,很有可能离不开一位位科学家、工程师的科学探索和奇思妙想,多问一个“为什么”,你会发现,看似有距离的“科学技术”,其实就在我们身边。

参考文献:

[1] E. C. Dreaden et al., The golden age: gold nanoparticles for biomedicine, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2740–2779.

[2] T. Graham, X. Liquid Diffusion Applied to Analysis, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1861, 151, 183-224.

[3] J. Turkevichet al.,A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold, Discuss. Faraday Soc., 1951, 11, 55-75.

[4] 陈宗淇、王光信、徐桂英,胶体与界面化学,高等教育出版社,2001出版(2003重印),138页。

[5] W. P. Faulk, G. M. Taylor, Immunochemistry, 1971,8(11), 1081-1083.



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