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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
很多人都使用過抗原試劑盒或驗(yàn)孕棒,可能也有很多人在使用過程中都注意到在它們的名稱后面還有一個(gè)括號(hào),寫著“膠體金法”。在這些試劑給我們帶來驚喜或驚嚇之余,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
(圖片來源:作者拍攝)
膠體金是什么?
首先要說明的就是,膠體金真的含金,只不過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)如無機(jī)鹽、白糖等可以快速擴(kuò)散透過羊皮紙到水中去,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):把無機(jī)鹽氯化鈉分散在酒精中,也具有擴(kuò)散緩慢、透不過半透膜等性質(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。
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
(圖片來源:Wikipedia)
如何制作膠體金?
自古以來,黃金就因其閃耀的光澤和稀有的特征被人們廣泛喜愛和深入研究。甚至可以說,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),通過添加二硫化碳,可以穩(wěn)定磷還原氯化金水溶液形成的“微?!保a(chǎn)生“美麗的紅寶石流體”。不過他當(dāng)時(shí)并沒有給該產(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,其余部分則被吸收、散射或反射。許多膠體是無色的,因?yàn)樗鼘?duì)可見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
(圖片來源:作者提供)
而在制作膠體金時(shí),人們可以通過改變金離子、還原劑、以及穩(wěn)定劑的比例來調(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^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。
不同形狀金顆粒示意圖
(圖片來源: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)肉眼可見的紅色至紫色。
1971年,F(xiàn)aulk等開創(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
(圖片來源:作者提供)
當(dāng)樣本里沒有待測(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,如果這條線沒有顯色,那么這次檢測(cè)結(jié)果是無效的。
多問一個(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,大家有沒有這樣的感覺:“這也太復(fù)雜了!真想不到小小的檢測(cè)試紙背后,經(jīng)過了這么多發(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,很有可能離不開一位位科學(xué)家、工程師的科學(xué)探索和奇思妙想,多問一個(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):
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