从胶体金到新冠病毒抗原检测

提到“金”，你首先想到的会是什么呢？想必是元宝、金币、皇冠、项链等等这些黄澄澄、金灿灿的贵重物品吧。可见，金是贵金属也是货币金属。另外，金的元素符号是Au，怎么记呢？“哎呦，我的金戒指丢了！”这下记住了吧。 那么金又是什么颜色的呢？黄金，黄金，黄和金相连，金无疑是黄色的了。其实，金并不总是黄色，它可能是红色、也可能是紫色、还可能是蓝色、甚至是黑色。这些不同的颜色与金存在的尺寸和状态密切相关——块体的金是黄色的，纳米尺寸的金颗粒粉末是黑色的，而纳米尺寸的金颗粒在悬浮液中则表现为上述其它一些颜色。与金的颜色相关的一个著名例子是制造于公元4~5世纪罗马帝国的Lycurgus杯。这个杯子外观看上去是绿色的（下图左），但是当用光照射内部时，它的颜色就变成了红色（下图右）。20世纪90年代的科学分析表明，这种双色现象是由于玻璃杯中含有金纳米颗粒。
（图片来自网络）

那么金为什么会有这么多颜色呢？这就不得不提到一个名词，“量子尺寸效应”。说的是，当物质颗粒的尺寸小到一定程度时，它的电子能级将不再连续，光学、电学、磁学等性质会发生明显不同于块体物质的特殊改变。并且这些性质还会伴随颗粒尺寸的变化而变化。因此，当黄色的金块，不断减小它的尺寸时，颜色就会变得不同寻常起来。 再来说说什么是胶体吧。日常生活中的牛奶和豆浆就是胶体，它们看起来是溶液，其实不然，是一种“假”溶液，也就是蛋白质的小液滴分散在水中，被水分子所包裹，而并没有完全溶解。纳米尺寸的金颗粒分散在水中就构成了金的胶体溶液，也称作金溶胶或者胶体金。胶体金最早见于文献报道是在1857年，由英国的印刷作坊学徒出身的传奇物理学家和化学家法拉第制备得到。现在常用的胶体金制备方法是从20世纪50年代发展起来的，通常是由柠檬酸盐与氯金酸溶液反应得到，尺寸约为20纳米（1纳米大约是一根头发直径的6万分之一）。 胶体金可以以液体状态稳定存在，通常为红色，并且在碱性条件下表面带负电，可以通过静电相互作用结合带正电的物质（通常是蛋白质等生物大分子）。显然，胶体金有着醒目的颜色，并且可以牢牢抓住其他物质，这两个特点就决定了它可以在生物化学检测领域大显身手。
1971年，来自澳大利亚和英国的两位科学家首次将胶体金引入了免疫化学研究，1990年美国科学家首次提出了基于胶体金的免疫检验方法（免疫层析法），这种方法不需要特殊的仪器设备和复杂的检验程序，可以实现快****速便捷的检测。现在日常生活中可以接触到的乙肝病毒表面抗原检测、早孕检测等就是用的这种方法。 最近新冠病毒引发的疫情仍在肆虐，除了核酸检测之外，抗原检测也得到了广泛推广应用。抗原检测常用的方法就是胶体金免疫层析法，可以自己在家中检测，方便、快速，而且大家普遍的感受是痛苦较小，鼻拭子和鼻咽拭子的感受可是大不相同哦！ 那么胶体金法新冠病毒抗原检测又是怎么回事呢？
胶体金法新冠病毒抗原检测卡实际上主要是由一条吸水纸（成分为硝酸纤维素）构成，好比是一条马路。这条路上有四个公交站点，第一站是一个包含玻璃纤维的样品孔（标记为S，即Sample），第二站是胶体金纳米颗粒与新冠病毒抗体的结合物，它们通过静电相互作用紧紧相连，并可以结合新冠病毒抗原，第三站是含有新冠病毒抗体的条带（标记为T，即Test），这种抗体会与胶体金/新冠病毒抗体/抗原三元复合物形成四元夹心复合物，第四站是含有免疫球蛋白的条带（标记为C，即Control），它可以与胶体金/新冠病毒抗体结合物产生相互作用形成复合物。检测卡是全固态的，但是第二、三和四站的有效物质可以在液体中溶解。 下面让我们来看看新冠病毒抗原检测的奇妙之旅吧。 首先将样本液体滴加在样品孔中，液体会由于毛细管作用在这条吸水纸上扩散、移动，相当于公交车发车了。公交车发车时，可能有乘客，也可能没有。如果有乘客就是新冠病毒抗原（新冠病毒的一部分，可以引起免疫反应，刺激机体产生新冠病毒抗体，并可以与抗体结合）。 样本液体经过第二站时会把含有胶体金的新冠病毒抗体结合物溶解，成为粉红色的溶液，继续扩散，这时相当于公交车在这一站上来了一些乘客，并且都穿着红衣服，其中一位红衣乘客与始发站的乘客（新冠病毒抗原）是老朋友，于是坐在一起一路攀谈起来。
公交车继续开行到了第三站（T），站台上出现了始发站乘客（新冠病毒抗原）的另一位朋友（新冠病毒抗体），他在等待自己的老朋友相聚，于是始发站乘客带着第二站的红衣乘客一起下了车，他们三人聚在一起嘘寒问暖，站台上马上一片红彤彤，表明了始发站乘客（新冠抗原）的到来。
这时车上只剩了第二站上车的其他红衣乘客（胶体金/新冠病毒抗体结合物），他们继续前进，到了第四站（C），这里有他的朋友（免疫球蛋白）在等待他，于是他也下了车，站台上一片红彤彤。他的顺利到站，表明了这趟公交车运营正常，畅通无阻。
如果没有新冠病毒抗原，也就是没有始发站乘客，会怎样呢？那么这趟公交车空车出发，到了第二站上来了两位红衣乘客，第三站（T）不是他们的目的地，没有等待他们的朋友，于是不动声色，继续行驶，直至第四站（C）到站下车，与朋友相见，站台上一片红彤彤，这也表明了公交车的运营正常。 可见红衣乘客（含有胶体金的结合物）是这次检测之旅的重要标记，同时他们能否抵达第四站（C）也是验证此次检测是否顺利的重要指标。参考文献：

[1] Faulk W.P., Taylor G.M. An immunocolloid method for the electron microscope. Immunochemistry, 1971, 8, 1081-1083.

[2] Osikowicz G., Beggs M., Brookhart P., Caplan D., Ching S., Eck P., Gordon J., Richerson R., Sampedro S., Stimpson D. One-step chromatographic immunoassay for qualitative determination of choriogonadotropin in urine. Clin. Chem., 1990, 36, 1586.

[3] 周继文，戎广亚，杨守纯，张建宗，程云，任继明. 胶体金免疫层析法检测乙型肝炎病毒表面抗原. 中华医学检验杂志，1998，21（1）：30-32.

[4] Daniel Marie-Christine, Astruc Didier. Gold Nanoparticles: Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Related Properties, and Applications toward Biology, Catalysis, and Nanotechnology. Chem. Rev., 2004, 104, 293-346.

本文转自微信公众号“化无止境”，并发表与《科学画报》。