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出品：科普中國
作者:魯聞生（中國科學院化學研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
很多人都使用過抗原試劑盒或驗孕棒，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括號，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”這個名詞是英國化學家T.Graham于1861年提出的。他在研究溶液中溶質分子的擴散速率時發(fā)現：如果用羊皮紙（作為半透膜）隔離特定溶液和水時，一類物質如無機鹽、白糖等可以快速擴散透過羊皮紙到水中去，當溶劑蒸發(fā)時，它們還容易成晶體析出；另一類物質如明膠、丹寧、蛋白質、氫氧化鋁等，擴散速率緩慢，而且極難甚至不能透過羊皮紙，蒸發(fā)后會變成粘稠的膠狀物質。
根據這一發(fā)現，他把物質分成兩類：前者叫類晶質（crystalloid），后者叫膠體（colloid）。
這是一些果凍，也屬于膠體，當初T.Graham就是因為某些物質蒸發(fā)后會變成膠狀物質，而給出了膠體這個名稱
（圖片來源：Wikipedia）
然而，隨著科學的發(fā)展，人們發(fā)現這樣的分類并不恰當。
例如，俄國科學家韋曼發(fā)現：把無機鹽氯化鈉分散在酒精中，也具有擴散緩慢、透不過半透膜等性質。
所以，到了現代的定義中，膠體實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（本數據來源于《化學名詞》，其中1納米為1米的十億分之一）。
現在，當我們說起膠體時，它已經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，現代化學就是在“煉金術”的基礎上起步的。因此，人們對膠體金的制備歷史，實際上比“膠體”這個概念出現的還要早一些。
1857年，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發(fā)現，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生“美麗的紅寶石流體”。不過他當時并沒有給該產物冠以“膠體金”的名稱。
時至今日，用于獲得膠體金的大多數合成方法遵循類似的策略，以溶劑化的金鹽作為前驅體，在表面保護劑的存在下對金鹽進行還原。保護劑可以防止生成的金顆粒聚集，從而達到穩(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”的出現與人們傳統印象中金的顏色截然不同。其實這就是膠體金的特點——它可以呈現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）電磁理論計算認為，膠體的多色性來自于膠體體系中含有的金顆粒對光的吸收和散射。當光線照射到膠體時，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，因為它對可見光的各波段的光吸收均很弱，并且吸收大致相同。如果膠體對可見光中的某一波長有較強的選擇性吸收，則透射光中該波長部分將變弱，這時透射光將呈現出該波長光的補色光。
以“紅寶石”色的膠體金為例，當膠體金對520納米左右波長的綠色光有較強的吸收時，膠體金會呈現紅色，也就是綠色的補色。除了體系的化學結構對光的吸收能產生影響外，膠體中粒子大小、形狀的變化、以及界面結構性質也能引起顏色變化。當膠體金顆粒分散度很高且顆粒很小時，膠體金呈現紅色，此時散射很弱。隨著膠體金中分散的顆粒尺寸逐漸增大，散射就增強，體系的最大吸收峰波長逐漸向長波方向移動，膠體金的顏色也將由紅色逐漸變成藍色。
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，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。不過這種精確的調控直到現代才實現，因為最初的研究者通過普通光學顯微鏡很難看清這些金顆粒的具體形貌。隨著電子顯微學技術的產生與發(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志物，被廣泛應用于抗原—抗體檢測領域：膠體金顆粒的表面能修飾上蛋白質等分子，當用膠體金標記的抗體與抗原反應時，這些標記物在固相載體上聚集達到一定密度時可呈現肉眼可見的紅色至紫色。
1971年，Faulk等開創(chuàng)了膠體金免疫標記技術，此后，該技術被廣泛使用并得以迅速發(fā)展。上世紀九十年代，結合膠體金標記和薄層層析兩項技術的膠體金免疫層析技術誕生，并迅速成為一種新興的快速診斷方法。
試想，不需要借助復雜的分析儀器，通過肉眼就可以判斷檢測結果，有些測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，膠體金標記的抗體處于試劑盒的結合墊上，當待測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。
如果樣本中有待測抗原，在結合墊處的金標抗體會識別并結合抗原，形成“待測抗原?金標抗體”復合物。在層析作用下，樣本繼續(xù)往前移動，當到達檢測線（T）時，檢測線處具有檢測線抗體，則會形成“檢測線抗體—待測抗原—金標抗體”復合物，所以檢測線處膠體金大量聚集從而顯現紅色。過量的金標抗體則會繼續(xù)從檢測線處流向質控線（C）處，質控線處具有專門針對金標抗體的抗體，從而在這里形成“質控線抗體?金標抗體”復合物，大量積聚后顯紅色。最終，T線和C線都會顯示紅色（陽性結果）。
膠體金免疫層析試劑盒的結構和原理示意圖
（圖片來源：作者提供）
當樣本里沒有待測抗原時，在檢測線（T）處不會形成復合物，也就不會顯色。大量的金標抗體會在質控線處形成“質控線抗體?金標抗體”復合物，結果就是只有C線會顯示紅色（陰性結果）。
質控線抗體識別金標抗體的能力極強，所以質控線一定會顯紅色，如果這條線沒有顯色，那么這次檢測結果是無效的。
多問一個“為什么”，你會發(fā)現科技就在身邊
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：“這也太復雜了！真想不到小小的檢測試紙背后，經過了這么多發(fā)展，有這么多故事！”
我們的生活中其實充滿了各種方便快捷的工具或服務，它們的背后，很有可能離不開一位位科學家、工程師的科學探索和奇思妙想，多問一個“為什么”，你會發(fā)現，看似有距離的“科學技術”，其實就在我們身邊。
參考文獻：
[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] 陳宗淇、王光信、徐桂英，膠體與界面化學，高等教育出版社，2001出版（2003重?。?38頁。
[5] W. P. Faulk, G. M. Taylor, Immunochemistry, 1971，8(11), 1081-1083.
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