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出品：科普中國(guó)

作者:魯聞生（中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

很多人都使用過(guò)抗原試劑盒或驗(yàn)孕棒，可能也有很多人在使用過(guò)程中都注意到在它們的名稱后面還有一個(gè)括號(hào)，寫(xiě)著“膠體金法”。在這些試劑給我們帶來(lái)驚喜或驚嚇之余，是否有人試圖搞清楚膠體金是一種什么樣的金呢？

HCG檢測(cè)試劑盒

（圖片來(lái)源：作者拍攝）

膠體金是什么？

首先要說(shuō)明的就是，膠體金真的含金，只不過(guò)這些金是以膠體形式存在的。

“膠體”這個(gè)名詞是英國(guó)化學(xué)家T.Graham于1861年提出的。他在研究溶液中溶質(zhì)分子的擴(kuò)散速率時(shí)發(fā)現(xiàn)：如果用羊皮紙（作為半透膜）隔離特定溶液和水時(shí)，一類物質(zhì)如無(wú)機(jī)鹽、白糖等可以快速擴(kuò)散透過(guò)羊皮紙到水中去，當(dāng)溶劑蒸發(fā)時(shí)，它們還容易成晶體析出；另一類物質(zhì)如明膠、丹寧、蛋白質(zhì)、氫氧化鋁等，擴(kuò)散速率緩慢，而且極難甚至不能透過(guò)羊皮紙，蒸發(fā)后會(huì)變成粘稠的膠狀物質(zhì)。

根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，他把物質(zhì)分成兩類：前者叫類晶質(zhì)（crystalloid），后者叫膠體（colloid）。

這是一些果凍，也屬于膠體，當(dāng)初T.Graham就是因?yàn)槟承┪镔|(zhì)蒸發(fā)后會(huì)變成膠狀物質(zhì)，而給出了膠體這個(gè)名稱

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

然而，隨著科學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)這樣的分類并不恰當(dāng)。

例如，俄國(guó)科學(xué)家韋曼發(fā)現(xiàn)：把無(wú)機(jī)鹽氯化鈉分散在酒精中，也具有擴(kuò)散緩慢、透不過(guò)半透膜等性質(zhì)。

所以，到了現(xiàn)代的定義中，膠體實(shí)際上指一種具有高度分散的分散體系，且膠體中的分散粒子極小，僅有1-1000納米（本數(shù)據(jù)來(lái)源于《化學(xué)名詞》，其中1納米為1米的十億分之一）。

現(xiàn)在，當(dāng)我們說(shuō)起膠體時(shí)，它已經(jīng)不局限于某些特定溶液了，膠體的分散相可以是固體、氣體和液體，膠體中的分散粒子也可以以固、液、氣三種形式存在，而分散相和分散粒子則能組合出多種不同的膠體來(lái)。

薄霧就是一種膠體，分散相是空氣，分散粒子是空氣中的懸浮小液滴

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

泡沫是另一種形式的膠體，以牛奶為例，分散相是液態(tài)牛奶，而分散粒子則是細(xì)小的空氣泡

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

如何制作膠體金？

自古以來(lái)，黃金就因其閃耀的光澤和稀有的特征被人們廣泛喜愛(ài)和深入研究。甚至可以說(shuō)，現(xiàn)代化學(xué)就是在“煉金術(shù)”的基礎(chǔ)上起步的。因此，人們對(duì)膠體金的制備歷史，實(shí)際上比“膠體”這個(gè)概念出現(xiàn)的還要早一些。

1857年，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)，通過(guò)添加二硫化碳，可以穩(wěn)定磷還原氯化金水溶液形成的“微粒”，產(chǎn)生“美麗的紅寶石流體”。不過(guò)他當(dāng)時(shí)并沒(méi)有給該產(chǎn)物冠以“膠體金”的名稱。

時(shí)至今日，用于獲得膠體金的大多數(shù)合成方法遵循類似的策略，以溶劑化的金鹽作為前驅(qū)體，在表面保護(hù)劑的存在下對(duì)金鹽進(jìn)行還原。保護(hù)劑可以防止生成的金顆粒聚集，從而達(dá)到穩(wěn)定膠體金的作用。

膠體金的透射電子顯微鏡照片

（圖片來(lái)源：作者提供）

“紅寶石流體”的出現(xiàn)與人們傳統(tǒng)印象中金的顏色截然不同。其實(shí)這就是膠體金的特點(diǎn)——它可以呈現(xiàn)出多種不同的鮮艷顏色，而不是單純的金色。這也是膠體金能用作各種試劑的原因。

米氏（Mie）使用麥克斯韋（Maxwell）電磁理論計(jì)算認(rèn)為，膠體的多色性來(lái)自于膠體體系中含有的金顆粒對(duì)光的吸收和散射。當(dāng)光線照射到膠體時(shí)，只有一部分光線能通過(guò)，其余部分則被吸收、散射或反射。許多膠體是無(wú)色的，因?yàn)樗鼘?duì)可見(jiàn)光的各波段的光吸收均很弱，并且吸收大致相同。如果膠體對(duì)可見(jiàn)光中的某一波長(zhǎng)有較強(qiáng)的選擇性吸收，則透射光中該波長(zhǎng)部分將變?nèi)?，這時(shí)透射光將呈現(xiàn)出該波長(zhǎng)光的補(bǔ)色光。

以“紅寶石”色的膠體金為例，當(dāng)膠體金對(duì)520納米左右波長(zhǎng)的綠色光有較強(qiáng)的吸收時(shí)，膠體金會(huì)呈現(xiàn)紅色，也就是綠色的補(bǔ)色。除了體系的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)光的吸收能產(chǎn)生影響外，膠體中粒子大小、形狀的變化、以及界面結(jié)構(gòu)性質(zhì)也能引起顏色變化。當(dāng)膠體金顆粒分散度很高且顆粒很小時(shí)，膠體金呈現(xiàn)紅色，此時(shí)散射很弱。隨著膠體金中分散的顆粒尺寸逐漸增大，散射就增強(qiáng)，體系的最大吸收峰波長(zhǎng)逐漸向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，膠體金的顏色也將由紅色逐漸變成藍(lán)色。

不同顏色的膠體金示意圖

（圖片來(lái)源：作者提供）

而在制作膠體金時(shí)，人們可以通過(guò)改變金離子、還原劑、以及穩(wěn)定劑的比例來(lái)調(diào)控金顆粒的尺寸、形狀，從而獲得不同顏色的膠體金。不過(guò)這種精確的調(diào)控直到現(xiàn)代才實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樽畛醯难芯空咄ㄟ^(guò)普通光學(xué)顯微鏡很難看清這些金顆粒的具體形貌。隨著電子顯微學(xué)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，人們終于能看清膠體金顆粒的形狀和大小。

上世紀(jì)50年代，Turkevich等首次觀察到了膠體金顆粒的形貌，他們采用檸檬酸鈉還原生長(zhǎng)的方法制備了直徑在16-150納米的金顆粒。最初，人們制備的膠體金顆粒主要以球形為主，隨著研究的深入，三角形、立方體、八面體、棒狀等多種形狀的金顆粒被合成出來(lái)。

不同形狀金顆粒示意圖

（圖片來(lái)源：作者提供）

膠體金免疫層析法是如何“工作”的呢？

膠體金的這些鮮艷的顏色使它成為一種良好的示蹤標(biāo)志物，被廣泛應(yīng)用于抗原—抗體檢測(cè)領(lǐng)域：膠體金顆粒的表面能修飾上蛋白質(zhì)等分子，當(dāng)用膠體金標(biāo)記的抗體與抗原反應(yīng)時(shí)，這些標(biāo)記物在固相載體上聚集達(dá)到一定密度時(shí)可呈現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的紅色至紫色。

1971年，F(xiàn)aulk等開(kāi)創(chuàng)了膠體金免疫標(biāo)記技術(shù)，此后，該技術(shù)被廣泛使用并得以迅速發(fā)展。上世紀(jì)九十年代，結(jié)合膠體金標(biāo)記和薄層層析兩項(xiàng)技術(shù)的膠體金免疫層析技術(shù)誕生，并迅速成為一種新興的快速診斷方法。

試想，不需要借助復(fù)雜的分析儀器，通過(guò)肉眼就可以判斷檢測(cè)結(jié)果，有些測(cè)試甚至根本不需要去醫(yī)院，在家中就能完成，這種快捷的診斷方法很難不被人們接受。

膠體金免疫層析法往往以條狀纖維層析材料為固相，膠體金標(biāo)記的抗體處于試劑盒的結(jié)合墊上，當(dāng)待測(cè)樣本滴入加樣孔之后，樣本開(kāi)始由樣品墊向吸收墊方向流動(dòng)。

如果樣本中有待測(cè)抗原，在結(jié)合墊處的金標(biāo)抗體會(huì)識(shí)別并結(jié)合抗原，形成“待測(cè)抗原?金標(biāo)抗體”復(fù)合物。在層析作用下，樣本繼續(xù)往前移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測(cè)線（T）時(shí)，檢測(cè)線處具有檢測(cè)線抗體，則會(huì)形成“檢測(cè)線抗體—待測(cè)抗原—金標(biāo)抗體”復(fù)合物，所以檢測(cè)線處膠體金大量聚集從而顯現(xiàn)紅色。過(guò)量的金標(biāo)抗體則會(huì)繼續(xù)從檢測(cè)線處流向質(zhì)控線（C）處，質(zhì)控線處具有專門(mén)針對(duì)金標(biāo)抗體的抗體，從而在這里形成“質(zhì)控線抗體?金標(biāo)抗體”復(fù)合物，大量積聚后顯紅色。最終，T線和C線都會(huì)顯示紅色（陽(yáng)性結(jié)果）。

膠體金免疫層析試劑盒的結(jié)構(gòu)和原理示意圖

（圖片來(lái)源：作者提供）

當(dāng)樣本里沒(méi)有待測(cè)抗原時(shí)，在檢測(cè)線（T）處不會(huì)形成復(fù)合物，也就不會(huì)顯色。大量的金標(biāo)抗體會(huì)在質(zhì)控線處形成“質(zhì)控線抗體?金標(biāo)抗體”復(fù)合物，結(jié)果就是只有C線會(huì)顯示紅色（陰性結(jié)果）。

質(zhì)控線抗體識(shí)別金標(biāo)抗體的能力極強(qiáng)，所以質(zhì)控線一定會(huì)顯紅色，如果這條線沒(méi)有顯色，那么這次檢測(cè)結(jié)果是無(wú)效的。

多問(wèn)一個(gè)“為什么”，你會(huì)發(fā)現(xiàn)科技就在身邊

好了，膠體金和膠體金法的故事就講完了，讀到這里，大家有沒(méi)有這樣的感覺(jué)：“這也太復(fù)雜了！真想不到小小的檢測(cè)試紙背后，經(jīng)過(guò)了這么多發(fā)展，有這么多故事！”

我們的生活中其實(shí)充滿了各種方便快捷的工具或服務(wù)，它們的背后，很有可能離不開(kāi)一位位科學(xué)家、工程師的科學(xué)探索和奇思妙想，多問(wèn)一個(gè)“為什么”，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，看似有距離的“科學(xué)技術(shù)”，其實(shí)就在我們身邊。

參考文獻(xiàn)：

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

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[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] 陳宗淇、王光信、徐桂英，膠體與界面化學(xué)，高等教育出版社，2001出版（2003重印），138頁(yè)。

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

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