高质量金溶胶的生产

早在二十世纪初，人们就已经可用化学法生产出不到10nm的胶体金溶胶颗粒，然而直到1971年Faulk和Taylor发明免疫金染色方法后，胶体金这种无机胶体才用于蛋白标记。从此，借助电子显微镜，用纳米金颗粒对目标分子，特别是蛋白分子的标记技术彻底革新了细胞和组织成分的显影方法。银增强方法又进一步将金标方法的应用范围拓展至光学显微镜下也可使用。金标记物的电子密度高及光密度高的特性也促进了检测技术的发展，如印迹、流式细胞计数、杂交分析。采用免疫金双标记或三标记方法甚至已经可以实现一次检测多种抗原。

最近有篇文章较详细地阐述了胶体金在快速诊断领域的地位。表1从该文中引述比较了快速检测中常用标记物，但还有个很值得讨论的话题在该文中并未提及，即决定胶体金质量的各种过程参数。

制备稳定的金—蛋白轭合物，第一步就是制备出金颗粒大小和形状都正常的胶体金溶胶。胶体金溶胶实质就是由过渡金属金的细小颗粒组成的一种稳定、均一的分散系。常制备的金粒径大约都在5~150nm范围，诊断检测用金轭合物的颗粒直径则大多在20~40nm大小。由于胶体金颗粒很小，表面积就非常大，这就意味着胶体金体系具有很大的表面积和很高的表面能，而任何高表面能胶体体系在生产时如果条件掌握不好，都会变得不稳定。

本文主要讨论胶体金生产中对分散系质量和稳定性有重要影响的一些过程工程问题，重点要谈的是金溶胶生产中一些关键的物理因素而非化学因素，但首先还是谈一下其中的一些化学问题。

基本的化学问题

许多化学方法都可用于制备单分散体系的胶体金，但只有3种方法最为常用，而且所得金颗粒大小可控。这3种方法都是用还原剂将1%氯金酸水溶液还原，制备出球状金粒。通常还原剂的还原力越强，浓度越高，所得分散系中的金颗粒直径则越小（表2）。

表1、 快速检测常用标记物特性比较

表2 不同胶体金制备方法的重要特征

大颗粒胶体金可用柠檬酸三钠还原氯金酸溶液反应制得，根据还原剂柠檬酸三钠的用量不同，所得颗粒粒径一般在15~150nm范围。6~15nm的中等粒径金可用抗坏血酸钠还原氯金酸制得，这种方法制得的金粒平均粒径在12nm左右。目前技术所能制出的最小金粒粒径可达5nm以下，这种粒径的金粒需在二乙醚中采用白磷或黄磷还原法制备。

这里主要谈谈制备20~40nm金颗粒，因为这种大小的金粒最适于快速诊断测试使用。前已述及，这种粒径的胶体金制备要用到氯金酸水溶液和柠檬酸三纳水溶液，要将这两种溶液混在一起反应，其中发生的反应大概可分为均相和非均相两种，下边就讨论胶体金生产中涉及的这两种反应：

均相反应 均相反应中，所有反应物混溶在一起形成均一溶液，反应产物也是水溶性的，因此在反应过程中整个体系始终保持均相。反应速率取决于反应物浓度和反应温度，温度主要影响反应速率常数。通常，反应温度升高10ºC，反应速率增大2倍。

在单级反应器中，要提高反应速度，获得高产率，就要考虑反应温度的影响。对于不可逆反应，即反应物基本可全部转化为产物的反应，反应温度上限就是反应器材质的最高可耐受温度，就是反应器的建造温度，但对于可逆反应，温度效应则比较复杂，因为反应速度和平衡转化率都受温度影响，反应时两者必须兼顾。对于可逆吸热反应，反应速度和平衡转化率随温度升高而增大，大量生产时常采用尽可能高的温度。然而对于吸热可逆反应，温度升高，平衡转化率下降，反应速度却增大。为解决这个矛盾，获得最大的反应速度和最大的转化率，通常反应过程中要变温。传导因子如传热、传质等在均相反应中对反应动力学影响不大。

非均相反应 在非均相反应体系中往往不止一相物质，反应可以在气-液、液-液、气-固、液-固、气-液-固、液-液-固或其它相态间进行，这里所讲的固相物质可以是催化剂，也可是反应物。均相反应那些简单的控制措施对于非均相反应并不适用，除了浓度和温度外，反应物的物理相变可能在非均相反应中对反应影响极大。

氯金酸水溶液和柠檬酸三钠水溶液的反应很有趣，反应初始时是均相反应，但一分钟内反应混合物即变成了非均相，这种从均相到非均相的转变非常迅速，因此胶体的制备过程很难有效监控。因为反应很快就已经结束，因此即使反应中发现产品不均一，操作者也根本没时间采取必要的纠偏措施。

胶体金生产

在加入还原剂之前，金离子100%都在溶液中，还原剂快速加入后，溶液中开始出现金原子，并且金原子浓度很快升高，直到过饱和，随后发生凝集，即长晶核，晶核的中心是11个金原子聚集形成的二十面体。晶核形成非常迅速，一旦形成，溶液中其它金原子就不断结合到晶核上，直到溶液中所有金原子消失。

反应中，溶液中最初形成的晶核数决定了最终长成的金粒数量。如果溶液中氯金酸浓度一定，则还原剂浓度越高，初核数量越大。初核数量越大，最终的金粒则越小，因此，正确选择柠檬酸三钠的浓度就对胶体金生产至关重要。

如果生产条件已优化好，所有的晶核将在瞬间同时形成，这样最终形成的胶体金颗粒将具有同样的粒径（即形成单分散胶体金体系）。实际中要获得单分散胶体金体系非常困难，很多时候胶体金体系不均一的原因就是因为没有把握晶核生长规律，结果制出的胶体金颗粒大小不一，用这样的胶体金多数情况下不能制出稳定的轭合物。

胶体金中心是金原子，周围吸附了一层AuCl-2离子，这些负离子使得胶体金带负电，这样静电斥力就阻止了金颗粒的凝集。所有的胶体金溶液都对电解质敏感，电解质会迫使双离子层距离拉近，从而减弱静电排斥作用，进而导致金粒凝集，发生凝集时会伴随有胶体金颜色的变化，并且出现沉淀。氯化物、溴化物、碘化物几种电解质对胶体金体系稳定性的负影响以氯化物最甚，碘化物最轻。

胶体金在可见区的510~550nm波长范围内呈现单一吸收峰，颗粒越大，最大吸收波长越向长波长方向移动，峰宽则与颗粒大小的分布范围有关。最小的颗粒（2~5nm）呈橘黄色，中等颗粒（10~20nm）呈葡萄红色，较大颗粒（30~64nm）呈青绿色。颗粒越小，形状越接近球状，30~80nm的颗粒成偏心圆状，其偏心率与长轴和短轴比率有关。

研究者已经注意到影响胶体金质量及其稳定性的几种因素，制备过程中器具若全部使用干净的玻璃器皿，溶液一律用0.2µm滤膜过滤后使用，水用玻璃三蒸水，推荐使用超纯水，采取这些措施后制得的胶体金很稳定。这些措施表明即使痕量污物都会对胶体金制备带来不良影响。虽然经常可见推荐使用硅化玻璃器皿的说法，其实使用普通玻璃器皿同样也能制出高质量高稳定性的胶体金。