胶体金的原理 胶体金的制备

胶体金的原理 胶体金的制备 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，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MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714274519275_0，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。 1 不同胶体金制备方法的重要特征 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 2 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 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 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 3 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。 试剂添加顺序 即把柠檬酸盐溶液加入氯金酸溶液还是把氯金酸加入柠檬酸溶液，这种添加次序对胶体质量有何影响也有人进行了研究，但最终怎样的添加次序制出的胶体金质量稳定，研究者并没有给出确切结论。 研究者也没有说明搅拌在溶液形成的作用，没有提及磁力搅拌器和搅拌子(实验室制备胶体金时最常用的一种器具)对胶体金质量和稳定性的影响。但必须记住，大规模生产胶 4 体金时，不仅仅是化学反应过程，甚至包括一些看起来似乎没有什么意义的物理参数对胶体金质量及其稳定性的影响都很大，有时即使一些微小的条件变化也可能对产品质量带来很大影响，以致这种产品终端用户无法去用。 批式/连续式生产 通常，生产可采用批式或连续式，具体用哪种方式取决于多方面因素影响，其中生产规模是决定生产方式的一个重要因素。 小量生产提倡用批式操作，所用反应器称为批式反应器。批式生产时，在合适的温度下加入反应物，反应开始进行。反应结束，移除反应器中的物料，产物通过一定方式分离，剩余的反应物有时还可再利用，但剩余物如果废弃，则必须遵守相关环保安全条例。在批式反应器内，因反应物和产物的浓度是随时间连续变化的，这样就可通过仔细观察反应物浓度的减小或产物浓度的增大，根据浓度和时间的函数关系对反应进行跟踪。 连续式生产用于大量生产，生产时反应物持续加入反应器，产物不断形成并且连续移出，液流的流动可采用以下三种模式的任一种。第一种是混合流模式，其特征为反应器内物料完全混匀，移出物浓度与反应器内物料浓度相等。第二种是平推流式，其特征为反应混合液被推过反应器时，反应物和产物的浓度不断变化，在纵向没有搅拌，但横向辐射状搅拌 5 很充分;还可用介于混和流式和平推流式之间的第三种模式，在这种模式中，液流在反应器中未完全搅拌混匀，仅部分混合。声学试验方法可用于测定未知容器中的具体流模式，现在已有描述容器中流特征的模型。如果不能对反应器中的流模式特征正确理解，几乎不可能正确预见反应器中的反应。 胶体金生产量通常都在1~100L，对这样的生产量，批式生产更适合些，生产商生产出胶体金后通常就卖给客户用于蛋白标记，其生产量往往取决于订单大小和反应器的可用情况。正常情况下对100L的生产量，用于搅拌的能消耗会很大。另外，反应器还需配备足够的管喷装置，以便将反应物、洗液等试剂泵入到反应器中。 每批生产后，反应器必须用碳酸钠溶液和洗剂液、蒸馏水彻底清洗，然后还要用挥发性有机溶剂清洗，如丙酮，之后最好再用超纯水清洗。 许多诊断试剂公司生产的胶体金是内部使用，对于这样的小规模制备，反应器的搅拌能耗不大，每批生产完毕将反应装置拆下，后也很容易对反应器彻底清洗。复杂的管喷装置多用于大量批式生产或连续生产，小批量生产并不用，所以小批量生产的设备清洗要简单一些。 用于胶体金制备的批式反应器最重要的部分是反应容器、 6 搅拌系统、恒温浴槽，恒温浴槽可使反应体系一直在均一、适宜的温度下进行。批式反应装置安装很容易，唯一要注意的是反应器的各部分一定要细心清洗，所有玻璃器皿每次用前最好高压热处理。 影响最终胶体金质量的因素 多种物理因素都会影响由氯金酸和柠檬酸三钠水溶液反应，从而影响到最终的胶体金的质量，需要注意的关键因素包括: Ÿ 反应物浓度 Ÿ 混合方式 Ÿ 加入顺序 Ÿ 反应温度 Ÿ 液柱压力 Ÿ 反应器材质 反应物浓度 均相反应的速率都取决于反应物浓度和反应温度，浓度低，则产率低。因此，要实现高产率，就要提高反应物浓度。但是反应物浓度过高也会带来其它问题，尤其竞是争性反应，反应物浓度过高问题更多。反应物浓度过高，往往可能出现目标产物产率不够而副产物大量产生的现象。氯金酸和柠檬酸三钠法制备胶体，反应是单一反应，不存在竞争反应，但反应物浓度不够会使得金颗粒大小不对或形状不规则。 7 生产40nm金粒最常用的方法是Frens法，其操作如下:将50ml 0.01%(重量/体积)氯金酸加热至沸，然后加入0.5ml 1%的柠檬酸三钠溶液，反应液开始是由灰白色变为深紫色，继续沸腾，在1~3min后出现红色调，所得颗粒粒径为41nm.胶体一旦形成，无论是再延长反应时间或是再添加柠檬酸三钠溶液，金的粒径都不再变化。反应体积按比例增大后，最终的金粒径相应增大约20%，而且此时即使氯金酸或柠檬酸三钠量有20%差异，也不会对金粒径造成实质性影响。因为在这一浓度范围内，最初的晶核形成速率几乎是相同的。 反应物搅拌 这可能是最关键的物理参数，要使晶核形成较好，反应物必须充分混匀，充分搅拌使得反应器各处浓度和温度一致。如果浓度各处有差异，则各处的反应速率也随之不同。 所有化学反应都伴随有放热和吸热反应，从而引起升温或降温，反应器内的温度不同会导致传质或传热差异。 对于一个慢速反应，反应物如何搅拌不是引起产物形状畸变的理由，但对于制金过程，反应在几秒内就已经发生，反应器中的反应物必须在反应发生前就达到浓度均一。因此，快速搅拌此时就显得格外必要，一定要有特别的搅拌装置来对反应器中的液体物料进行搅拌。 小规模生产时，可用搅拌子搅拌。反应器置于磁力搅拌器 8 上，为了快速混匀，搅拌子要高速转动。(见图1)仔细观察可发现有涡旋现象产生，这样其实是是一种错误的搅拌方式，因为此时液体在很狭窄的区域转动，而不是在整个反应器内回流。反应器直径越大，涡旋有害效应越明显。在小容量反应器中，譬如500ml，即使有涡旋现象，生产的胶体金质量也不会太差。但在其它情况下，譬如当生产规模达到4L，涡旋的影响就很大了，所得金质量会很差，颗粒变大，并且偏心率很大。 图1 磁力搅拌过程形成涡旋 即使是小规模生产，也不推荐用磁力搅拌器制金，原因很简单:这种搅拌方式有批间差异，很难获得可重复的操作条件。最好采用机械搅拌器，将机械搅拌器固定在马达上，借助马达将搅拌动力传给反应器中的液体物料使其混合。反应器要装备紊流片以免搅拌时形成涡流，紊流片实际就是固定在容器壁上的一些片条体，它可以促进反应器内形成紊流，抑制涡旋。反应器中要实现均匀一致地混合，取决于几个重要因素:反应器直径，搅拌子直径，紊流片厚度，旋转及搅拌速度。 另外，液体物料的性质也很重要，液体粘度越大，搅拌功率就要相应变大，这样物料才能被充分混匀。液体粘度受温度影响非常大，如果可以升高温度，则液体粘度和搅拌能耗都会降低。对于特定温度下的特定液体，如果反应器 9 直径、搅拌子直径、紊流器尺寸、搅拌速度都固定，则反应器内混合物性质也将相应的稳定。不稳定的设备更易产生不稳定的产品。因此，反应器要合理 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 以保证操作条件一致。 可用一个简单实验(通常称作示踪研究)来探明特定容器的搅拌特性。进行示踪研究时，常常是将已知量的染料注入反应器内已知量的水中，等染料在水中分散均一时，其浓度很容易就可算出。通过建立染料浓度与时间的关系方程，然后将各种搅拌速度和各种搅拌子组合进行试验，选择染料达到均一分散所需时间最短的组合条件为最佳条件用于生产。 胶体金溶胶制备时，首先必须尽可能使反应物浓度均一，反应物浓度一旦均一，搅拌速度必须降低，否则金颗粒会彼此碰撞而形成大颗粒。因此，推荐在反应起始快速搅拌混匀反应物，随后慢速搅拌，不要形成湍流。 反应物添加顺序 反应物的添加组合方式是决定金溶胶质量的另一个重要因素，是不是柠檬酸三钠溶液加到氯金酸溶液中更好，或者反过来更好,似乎这两种添加方式没有明显差异，但实际中差异还是很大的。 有个假想实验可能有助于揭示这个差异。假如一个均相反应按以下方式进行:A+B=C，A+C=D.现在假如烧杯中只有A物质，我们将B一点一点地加入到A中，A就与B反应生成C，而C此时处于大大过量的A中，于是在烧杯中与A 10 反应生成主产物D;反过来，假如将A一点一点地加入到大大过量的B中，物质C将逐渐增加，随着A的一点一点地加入，C的浓度达到最大，在某个浓度时，B和C将竞争性地与A反应，这个阶段的竞争反应特点使得我们可以作出两种选择:如果目标产物是D，就应选择前一种接触模式，即将B加入到烧杯;但是如果目标产物是C，就应选择第二种接触模式，即将A加入到烧杯，C浓度达到最大时，将C从产物混合物中分离出来。这个假想实验是预测化学反应的一种方式，由此可获得目标产物最有效地生产方式。 尽管金制备过程中不象假设实验中的有多个反应，但反应物的添加顺序仍然很重要。如果少量柠檬酸三钠加入到大量氯金酸中，需要很长时间柠檬酸三纳才能分散均一，其间反应器中将出现浓度明显高低不等的小区域，这种情况将使得反应速率不一，进而导致晶核形成速度不一，因此，胶体金的质量就差。相反，如果氯金酸快速加入到柠檬酸三钠溶液中，形成浓度不均小区域的机率就很小。 反应温度 所有的经典教科书都讲将柠檬酸三纳加入到沸腾的氯金酸溶液中，然后保持沸腾15min.而这个反应通常5min内已经完成，随后金颗粒大小不会再变化。那么如何沸腾，沸腾是否完全有必要呢, 在小实验室，反应容器放在带有加热板的磁力搅拌器上，通过加热板对液体物料加热，但这种加热方式已经被发现对 11 胶体金有不良影响，因为这种方式下反应器底部会产生细小气泡，这些气泡立即脱离加热面，加热面上随即出现短暂的干点，处于这些干点处的金颗粒将失水，从而丧失保持其稳定性所需的一些特性。 生产高质量的金，并不需要将反应器的液体物料加热至沸腾，只要液相温度控制在95ºC左右，反应即可平稳进行。温控是非常重要的，要使反应器恒温就需要正确选择加热系统。为了保持温度均一，避免出现干点，应该用热的液体环绕反应器，这种加热用液体可选用高分子油。对于小量生产，可以用油浴恒温器，反应器置于恒温器内，油温可用温度控制器控制。 反应器的液柱压力 液柱压力仅在大规模生产时是一个需要考虑的重要因素。假如用批式反应器生产100L金，此时反应器内的液体物料很深。顶端物料的金是在大气压下制取的，而底部物料压力却是大气压与上边液柱压力之和，因此底部压力比大气压高，从而造成底部液体物料的沸点比顶部液体物料沸点高。 温度高于沸点时，金分散体系将被破坏。快速搅拌混合条件下，反应器内的液体物料温度各处相同，但晶核形成之后，各处常会出现较大温差，这时就有必要辅之以慢速搅拌。另外，反应器内壁也有可能形成干点，胶体金与干点接触后会失水。反应结束后如果有颗粒漂浮在液体物料表面，就表明所得胶体金的质量可能不好。因此大批量制备胶体金时，事 12 前一定要充分考虑液柱压力问题。 反应器材质 除过以上因素外，也要充分考虑反应容器和搅拌装置的材质对胶体金质量和稳定性的影响。小量生产时，常用特富龙搅拌子搅拌，使用特富龙材质主要是为了保证系统清洁。但搅拌子和反应容器接触点处有时会因 转动和升降产生剪切力，这种剪切力有可能造成搅拌子出现瑕疵，金属暴露，胶体金与瑕疵处暴露的金属接触后就会在此聚集。必须时刻牢记，任何污染都会破坏金溶液体系。因此，推荐使用玻璃器皿，如果反应容器是钢质，则应该有玻璃衬里，而且衬里要经常检查，确保其完好无瑕。搅拌器的材质也应注意类似的问题，搅拌器通常也应是特富龙材质，因为特富龙不会与化学试剂发生有害反应。 结 论 胶体金生产涉及一些简单的化学知识和一些复杂的过程工程学知识。对于化学及生物技术研究者而言，要生产出质量可靠的的胶体金，就需要理解这些工程学问题。了解了各个过程参数对胶体金的影响，对解决生产中遇到的问题带来会有很大帮助。事实上，上面讨论的一些问题对于作者本人也很有挑战性，我只希望看了这里的学习 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 后，小生产商们生产的胶体金质量能有所提高。 13 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