試験紙に書かれている「コロイド金」とはどのような金ですか？

制作：中国科学普及協会

著者: 陸文生 (中国科学院化学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

抗原検査キットや妊娠検査スティックを使ったことがある人は多いと思いますが、使用中に、その名称の後ろに「金コロイド法」と括弧が付いていることに気づいた人も多いのではないでしょうか。これらの試薬は私たちに驚きや衝撃をもたらしますが、金コロイドがどのような金なのかを理解しようとした人はいますか?

HCG検査キット

（写真提供：著者撮影）

コロイド金とは何ですか?

まず明確にしておきたいのは、コロイド金には実際に金が含まれているが、金はコロイド状になっているということです。

「コロイド」という用語は、1861 年にイギリスの化学者 T. グラハムによって提唱されました。グラハムは、溶液中の溶質分子の拡散速度を研究していたときに、羊皮紙 (半透膜) を使用して特定の溶液と水を隔離すると、無機塩や白砂糖などの物質が羊皮紙を通過して水中に急速に拡散し、溶媒が蒸発すると簡単に結晶化することを発見しました。ゼラチン、タンニン、タンパク質、水酸化アルミニウムなどの別のクラスの物質は、拡散速度が遅く、羊皮紙に浸透することが非常に困難であるか、浸透できないため、蒸発すると粘性のあるゼラチン状物質になります。

この発見に基づいて、彼は物質を 2 つのカテゴリに分類しました。前者は結晶質、後者はコロイドと呼ばれました。

これらはゼリーですが、これもコロイドです。 T. グラハムは、一部の物質が蒸発するとゼリー状の物質に変わることから、コロイドという名前を付けました。

(画像出典: Wikipedia)

しかし、科学の発展により、そのような分類は適切ではないことが分かりました。

例えば、ロシアの科学者ワイマンは、無機塩である塩化ナトリウムをアルコールに分散させると、拡散が遅くなり、半透膜を通過できないという特性があることを発見しました。

したがって、現代の定義によれば、コロイドは実際には高度に分散した分散系を指し、コロイド内の分散粒子は極めて小さく、わずか 1 ～ 1000 ナノメートルです (このデータは「化学用語」から引用したもので、1 ナノメートルは 1 メートルの 10 億分の 1 です)。

さて、コロイドについて話すとき、それはもはや特定の溶液に限定されません。コロイドの分散相は固体、気体、液体であり、コロイド内の分散粒子も固体、液体、気体の形で存在することができます。分散相と分散粒子が結合して、さまざまなコロイドを形成できます。

ミストはコロイドの一種で、分散相は空気であり、分散粒子は空気中に浮遊する小さな液滴です。

(画像出典: Wikipedia)

泡はコロイドの別の形態です。牛乳を例にとると、分散相は液体の牛乳であり、分散粒子は小さな気泡です。

(画像出典: Wikipedia)

コロイド金の作り方は？

金は、その輝く光沢と希少性から、古来より広く愛され、研究されてきました。現代化学は「錬金術」に基づいて始まったとも言えます。したがって、コロイド金を人々が調製した歴史は、実際には「コロイド」という概念の出現よりも古いのです。

1857年、マイケル・ファラデーは、水性塩化金のリン還元によって形成された「粒子」は二硫化炭素を加えることによって安定化され、「美しいルビー色の液体」が生成されることを発見しました。しかし、彼は当時、その製品を「コロイド金」と名付けていませんでした。

現在までに、コロイド状金を得るために使用されている合成方法のほとんどは、溶媒和金塩を前駆体として使用し、表面保護剤の存在下で金塩を還元するという同様の戦略に従っています。保護剤は生成された金粒子の凝集を防ぎ、それによってコロイド金を安定化させることができます。

コロイド金の透過型電子顕微鏡写真

（画像出典：著者提供）

「ルビー流体」の外観は、人々が伝統的に持つ金色の印象とは全く異なります。実際、これがコロイド金の特徴です。コロイド金は単なる金色ではなく、さまざまな明るい色を呈することができます。このため、金コロイドはさまざまな試薬として使用できます。

ミーはマクスウェルの電磁気理論を用いて、コロイドの多色性はコロイド系に含まれる金粒子による光の吸収と散乱から生じると計算した。光がコロイドに当たると、光の一部だけが通過し、残りは吸収、散乱、または反射されます。多くのコロイドは、可視光線のすべての帯域でほぼ同じ波長の光を非常に弱く吸収するため、無色です。コロイドが可視光のある波長に対して強い選択吸収を持つ場合、その波長の透過光の部分は弱くなり、透過光はその波長の補色を呈することになります。

「ルビー」色の金コロイドを例にとると、金コロイドが約 520 ナノメートルの波長の緑色光を強く吸収する場合、金コロイドは緑の補色である赤色に見えます。システムの化学構造が光の吸収に与える影響に加えて、コロイド内の粒子のサイズと形状の変化、および界面構造の特性によっても色の変化が発生する可能性があります。金コロイド粒子が高度に分散しており、粒子が非常に小さい場合、金コロイドは赤く見え、散乱は非常に弱くなります。金コロイド中の分散粒子のサイズが徐々に大きくなるにつれて、散乱が増加し、システムの最大吸収ピーク波長が徐々に長波方向に移動し、金コロイドの色は徐々に赤から青に変化します。

さまざまな色のコロイド金の模式図

（画像出典：著者提供）

金コロイドを作る際、金イオン、還元剤、安定剤の比率を変えることで金粒子のサイズと形状を制御し、さまざまな色の金コロイドを得ることができます。しかし、この精密な制御は近代まで達成されませんでした。なぜなら、初期の研究者たちは、通常の光学顕微鏡ではこれらの金粒子の特定の形態を見ることが困難であることに気付いたからです。電子顕微鏡技術の出現と発展により、ついに金コロイド粒子の形状と大きさを観察できるようになりました。

1950 年代に、Turkevich らは、金コロイド粒子の形態を初めて観察した。彼らはクエン酸ナトリウム還元成長法を用いて、直径16～150ナノメートルの金粒子を調製した。当初、調製されたコロイド金粒子は主に球形でした。研究が進むにつれて、三角形、立方体、八面体、棒状などさまざまな形状の金粒子が合成されました。

さまざまな形状の金粒子の模式図

（画像出典：著者提供）

コロイド金免疫クロマトグラフィーはどのように「機能」するのでしょうか?

金コロイドは鮮やかな色をしているため、優れたトレーサーマーカーとなり、抗原抗体検出の分野で広く使用されています。金コロイド粒子の表面は、タンパク質などの分子で修飾することができます。金コロイドで標識された抗体が抗原と反応すると、これらのマーカーは固相キャリア上で一定の密度に凝集し、赤から紫色に見え、肉眼で確認できます。

1971 年、Faulk らは、金コロイド免疫標識技術の先駆者であり、この技術はその後急速に普及し、発展してきました。 1990 年代には、金コロイド標識と薄層クロマトグラフィーを組み合わせた金コロイド免疫クロマトグラフィー技術が誕生し、急速に新興の迅速診断法となりました。

複雑な分析機器が不要で、検査結果を肉眼で判断できると想像してみてください。一部の検査では病院に行く必要がなく、自宅で完了できます。この迅速な診断方法が人々に受け入れられないのは困ったものです。

コロイド金免疫クロマトグラフィーでは、固相としてストリップファイバークロマトグラフィー材料がよく使用されます。金コロイド標識抗体はキットの結合パッド上にあります。検査対象のサンプルをサンプルウェルに落とすと、サンプルはサンプルパッドから吸収パッドへと流れ始めます。

サンプル中に検出対象となる抗原が存在する場合、結合パッド上の金標識抗体が抗原を認識して結合し、「検出対象となる抗原-金標識抗体」複合体を形成します。クロマトグラフィーの作用により、サンプルは前進し続けます。テストライン（T）に到達すると、テストラインにテストライン抗体が存在し、「テストライン抗体-テスト抗原-金標識抗体」複合体が形成されます。そのため、テストラインに大量の金コロイドが集まり、赤色になります。過剰な金標識抗体は、テストラインから品質管理ライン (C) に流れ続けます。品質管理ラインには、金標識抗体を特異的に標的とする抗体があるため、「品質管理ライン抗体 - 金標識抗体」複合体が形成され、大量に蓄積すると赤色になります。最終的には、T ラインと C ラインの両方が赤くなります (陽性の結果)。

金コロイド免疫クロマトグラフィーキットの構造と原理の概略図

（画像出典：著者提供）

サンプル中に検出すべき抗原がない場合、テストライン (T) に複合体は形成されず、色は発色しません。大量の金標識抗体が品質管理ラインで「品質管理ライン抗体-金標識抗体」複合体を形成し、ライン C のみが赤色（陰性結果）を示します。

品質管理ライン抗体は金標識抗体を認識する能力が強いため、品質管理ラインは必ず赤く表示されます。この線が赤く表示されない場合は、テスト結果は無効になります。

もう一度「なぜ」と尋ねれば、テクノロジーがあなたの周りにあることに気づくでしょう

さて、コロイド金とコロイド金法の話は終わりました。これを読んで、「これは複雑すぎる！こんなに小さなテストストリップの背後に、これほど多くの開発と多くの物語があったなんて信じられない！」と感じますか？

私たちの生活は、実のところ、さまざまな便利で高速なツールやサービスで溢れています。その背後には、科学者や技術者の科学的探究や創造的なアイデアと切り離せないものがあると考えられます。 「なぜ」と問い続けることで、遠くにあるように思える「科学技術」が、実は私たちの身近にあることに気づくでしょう。

参考文献:

[1] EC Dreaden他「黄金時代：バイオ医療のための金ナノ粒子」Chem.社会Rev., 2012, 41, 2740–2779.

[2] T.グラハム、X.液体拡散の分析への応用、ロンドン王立協会哲学論文集、1861年、151、183-224。

[3] J. Turkevichetら、「コロイド状金の合成における核形成および成長過程の研究」、ディスカッション。ファラデー協会、1951 年、11、55-75。

[4] Chen Zongqi、Wang Guangxin、Xu Guiying、「コロイドおよび界面化学」、Higher Education Press、2001年（2003年に再版）、p. 138.

[5] WP Faulk、GM Taylor、免疫化学、1971、8(11)、1081-1083。