Um welche Art von Gold handelt es sich bei dem „kolloidalen Gold“ auf dem Testpapier?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Lu Wensheng (Institut für Chemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Viele Menschen haben Antigen-Testkits oder Schwangerschaftsteststäbchen verwendet und vielen ist bei der Verwendung möglicherweise aufgefallen, dass hinter ihren Namen eine Klammer mit der Aufschrift „Kolloidales Gold-Verfahren“ steht. Obwohl diese Reagenzien für Überraschungen und Schocks sorgen, hat schon mal jemand versucht herauszufinden, um welche Art von Gold es sich handelt – kolloidales Gold?

HCG-Testkit

(Bildnachweis: Foto vom Autor aufgenommen)

Was ist kolloidales Gold?

Zunächst muss klargestellt werden, dass kolloidales Gold tatsächlich Gold enthält, das Gold jedoch in kolloidaler Form vorliegt.

Der Begriff „Kolloid“ wurde 1861 vom britischen Chemiker T. Graham vorgeschlagen. Als er die Diffusionsgeschwindigkeit von gelösten Molekülen in einer Lösung untersuchte, stellte er fest, dass eine Klasse von Substanzen wie anorganische Salze und weißer Zucker schnell durch das Pergament in das Wasser diffundieren und beim Verdunsten des Lösungsmittels leicht kristallisieren können, wenn Pergament (als halbdurchlässige Membran) verwendet wird, um eine bestimmte Lösung von Wasser zu isolieren. Eine andere Klasse von Substanzen wie Gelatine, Tannin, Protein, Aluminiumhydroxid usw. haben eine langsame Diffusionsrate und können Pergament nur äußerst schwer oder gar nicht durchdringen und werden nach der Verdunstung zu einer viskosen, gelatineartigen Substanz.

Auf der Grundlage dieser Entdeckung teilte er Materie in zwei Kategorien ein: Erstere hießen Kristalloide, letztere Kolloide.

Dabei handelt es sich um Gelees, die ebenfalls Kolloide sind. T. Graham gab den Namen Kolloid, weil sich einige Substanzen nach der Verdunstung in geleeartige Substanzen verwandeln.

(Bildquelle: Wikipedia)

Mit der Weiterentwicklung der Wissenschaft stellte man jedoch fest, dass eine solche Klassifizierung nicht angemessen war.

Der russische Wissenschaftler Weiman entdeckte beispielsweise, dass das anorganische Salz Natriumchlorid, wenn es in Alkohol dispergiert wird, ebenfalls langsam diffundiert und nicht durch semipermeable Membranen dringen kann.

Daher bezieht sich Kolloid gemäß der modernen Definition tatsächlich auf ein hochdisperses Dispersionssystem, und die dispergierten Partikel im Kolloid sind extrem klein, nur 1–1000 Nanometer (diese Daten stammen aus der „Chemischen Terminologie“, wo 1 Nanometer ein Milliardstel von 1 Meter ist).

Wenn wir heute über Kolloide sprechen, sind wir nicht mehr auf bestimmte Lösungen beschränkt. Die dispergierte Phase des Kolloids kann fest, gasförmig oder flüssig sein, und die dispergierten Partikel im Kolloid können ebenfalls in fester, flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen. Die dispergierte Phase und die dispergierten Partikel können sich zu einer Vielzahl unterschiedlicher Kolloide verbinden.

Nebel ist eine Art Kolloid, die dispergierte Phase ist Luft und die dispergierten Partikel sind kleine, in der Luft schwebende Tröpfchen.

(Bildquelle: Wikipedia)

Schaum ist eine andere Form von Kolloid. Nehmen wir Milch als Beispiel: Die dispergierte Phase ist flüssige Milch und die dispergierten Partikel sind winzige Luftbläschen.

(Bildquelle: Wikipedia)

Wie stellt man kolloidales Gold her?

Seit der Antike wird Gold wegen seines strahlenden Glanzes und seiner Seltenheit geschätzt und erforscht. Man kann sogar sagen, dass die moderne Chemie auf der Grundlage der „Alchemie“ begann. Daher reicht die Geschichte der menschlichen Herstellung von kolloidalem Gold tatsächlich weiter zurück als bis zur Entstehung des Begriffs „Kolloid“.

Im Jahr 1857 entdeckte Michael Faraday, dass die durch Phosphorreduktion von wässrigem Goldchlorid gebildeten „Körner“ durch Zugabe von Schwefelkohlenstoff stabilisiert werden konnten, wodurch eine „ wunderschöne rubinrote Flüssigkeit “ entstand. Allerdings nannte er das Produkt damals nicht „kolloidales Gold“.

Bislang folgen die meisten synthetischen Methoden zur Gewinnung von kolloidalem Gold einer ähnlichen Strategie: Sie verwenden ein solvatisiertes Goldsalz als Vorläufer und reduzieren das Goldsalz in Gegenwart eines Oberflächenschutzmittels. Das Schutzmittel kann die Aggregation der entstehenden Goldpartikel verhindern und so das kolloidale Gold stabilisieren.

Transmissionselektronenmikroskop-Foto von kolloidalem Gold

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Das Aussehen der „Rubinflüssigkeit“ unterscheidet sich völlig von der traditionellen Vorstellung, die die Menschen von der Farbe Gold haben. Tatsächlich ist dies die Eigenschaft von kolloidalem Gold – es kann eine Vielzahl unterschiedlicher leuchtender Farben aufweisen und nicht nur Gold. Aus diesem Grund kann kolloidales Gold als vielfältiges Reagenz verwendet werden.

Mie berechnete mithilfe der elektromagnetischen Theorie von Maxwell, dass die Polychromatizität von Kolloiden auf die Absorption und Streuung von Licht durch die im kolloidalen System enthaltenen Goldpartikel zurückzuführen ist. Wenn Licht auf ein Kolloid trifft, gelangt nur ein Teil des Lichts hindurch, während der Rest absorbiert, gestreut oder reflektiert wird. Viele Kolloide sind farblos, weil sie Licht in allen Bändern des sichtbaren Lichts sehr schwach und bei ungefähr der gleichen Wellenlänge absorbieren. Wenn das Kolloid eine starke selektive Absorption einer bestimmten Wellenlänge im sichtbaren Licht aufweist, wird der Anteil des durchgelassenen Lichts bei dieser Wellenlänge schwächer und das durchgelassene Licht weist dann die Komplementärfarbe dieser Wellenlänge auf.

Nehmen wir beispielsweise „rubinfarbenes“ kolloidales Gold: Wenn kolloidales Gold eine starke Absorption von grünem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 520 Nanometern aufweist, erscheint kolloidales Gold rot, was die Komplementärfarbe von Grün ist. Neben dem Einfluss der chemischen Struktur des Systems auf die Lichtabsorption können auch Änderungen der Partikelgröße und -form im Kolloid sowie der Eigenschaften der Grenzflächenstruktur Farbänderungen hervorrufen. Wenn die kolloidalen Goldpartikel stark dispergiert sind und die Partikel sehr klein sind, erscheint das kolloidale Gold rot und die Streuung ist sehr schwach. Wenn die Größe der dispergierten Partikel im kolloidalen Gold allmählich zunimmt, nimmt die Streuung zu, die maximale Absorptionswellenlänge des Systems verschiebt sich allmählich in Richtung der langwelligen Richtung und die Farbe des kolloidalen Goldes ändert sich allmählich von Rot nach Blau.

Schematische Darstellung von kolloidalem Gold in verschiedenen Farben

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Bei der Herstellung von kolloidalem Gold können Menschen die Größe und Form der Goldpartikel steuern, indem sie das Verhältnis von Goldionen, Reduktionsmitteln und Stabilisatoren verändern und so kolloidales Gold in verschiedenen Farben erhalten. Diese präzise Kontrolle wurde jedoch erst in der Neuzeit erreicht, da es den ersten Forschern schwerfiel, die spezifische Morphologie dieser Goldpartikel durch gewöhnliche optische Mikroskope zu erkennen. Mit dem Aufkommen und der Entwicklung der Elektronenmikroskopie-Technologie können Menschen endlich die Form und Größe kolloidaler Goldpartikel erkennen.

In den 1950er Jahren haben Turkevich et al. beobachtete zum ersten Mal die Morphologie kolloidaler Goldpartikel. Sie verwendeten die Natriumcitrat-Reduktionswachstumsmethode, um Goldpartikel mit einem Durchmesser von 16 bis 150 Nanometern herzustellen. Ursprünglich waren die hergestellten kolloidalen Goldpartikel überwiegend kugelförmig. Im Laufe der Forschung wurden Goldpartikel in verschiedenen Formen wie Dreiecken, Würfeln, Oktaedern und Stäben synthetisiert.

Schematische Darstellung von Goldpartikeln unterschiedlicher Form

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Wie „funktioniert“ die kolloidale Gold-Immunchromatographie?

Die leuchtenden Farben von kolloidalem Gold machen es zu einem guten Tracer-Marker und es wird häufig im Bereich der Antigen-Antikörper-Erkennung eingesetzt: Die Oberfläche kolloidaler Goldpartikel kann mit Molekülen wie Proteinen modifiziert werden. Wenn mit kolloidalem Gold markierte Antikörper mit Antigenen reagieren, aggregieren diese Markierungen auf dem Festphasenträger bis zu einer bestimmten Dichte und erscheinen rot bis violett, was mit bloßem Auge sichtbar ist.

Im Jahr 1971 veröffentlichten Faulk et al. war ein Pionier der kolloidalen Gold-Immunmarkierungstechnologie, die seitdem breite Anwendung findet und sich rasch weiterentwickelt. In den 1990er Jahren wurde die kolloidale Gold-Immunchromatographie-Technologie entwickelt, die kolloidale Goldmarkierung und Dünnschichtchromatographie kombiniert und sich schnell zu einer aufstrebenden Methode zur Schnelldiagnose entwickelte.

Stellen Sie sich vor, Sie bräuchten keine komplexen Analysegeräte und könnten die Testergebnisse mit bloßem Auge beurteilen. Für einige Tests ist nicht einmal ein Krankenhausaufenthalt erforderlich, sie können zu Hause durchgeführt werden. Die Akzeptanz dieser schnellen Diagnosemethode ist groß.

Bei der kolloidalen Gold-Immunchromatographie werden häufig Streifenfaser-Chromatographiematerialien als feste Phase verwendet. Der mit kolloidalem Gold markierte Antikörper befindet sich auf dem Bindungspad des Kits. Wenn die zu testende Probe in die Probenvertiefung getropft wird, beginnt die Probe vom Probenpad zum Absorptionspad zu fließen.

Wenn in der Probe ein Antigen nachgewiesen werden muss, erkennt der goldmarkierte Antikörper am Bindungspad das Antigen und bindet daran, um einen Komplex aus dem nachzuweisenden Antigen und dem goldmarkierten Antikörper zu bilden. Unter der Einwirkung der Chromatographie bewegt sich die Probe weiter vorwärts. Wenn es die Testlinie (T) erreicht, befindet sich dort ein Testlinien-Antikörper und es bildet sich ein Komplex aus „Testlinien-Antikörper-Testantigen-Gold-markiertem Antikörper“. Daher sammelt sich eine große Menge kolloidalen Goldes an der Testlinie, was zu einer roten Farbe führt. Überschüssige goldmarkierte Antikörper fließen weiterhin von der Testlinie zur Qualitätskontrolllinie (C), wo sich Antikörper befinden, die speziell auf die goldmarkierten Antikörper abzielen, und bilden so einen Komplex aus „Qualitätskontrolllinien-Antikörper und goldmarkiertem Antikörper“, der nach einer großen Ansammlung rot erscheint. Schließlich erscheinen sowohl die T- als auch die C-Linien rot (ein positives Ergebnis).

Schematische Darstellung des Aufbaus und Prinzips des kolloidalen Gold-Immunchromatographie-Kits

(Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Wenn in der Probe kein Antigen nachgewiesen werden kann, wird an der Testlinie (T) kein Komplex gebildet und es entsteht keine Farbe. Eine große Menge goldmarkierter Antikörper bildet an der Qualitätskontrolllinie einen Komplex aus „Qualitätskontrolllinien-Antikörper und goldmarkiertem Antikörper“, wodurch nur Linie C rot angezeigt wird (negatives Ergebnis).

Der Antikörper der Qualitätskontrolllinie erkennt den goldmarkierten Antikörper sehr gut, sodass die Qualitätskontrolllinie auf jeden Fall rot erscheint. Wenn diese Linie nicht rot erscheint, ist das Testergebnis ungültig.

Stellen Sie noch einmal die Frage „Warum“ und Sie werden feststellen, dass Technologie überall um Sie herum ist

Nun, die Geschichte des kolloidalen Goldes und der kolloidalen Goldmethode wurde erzählt. Haben Sie nach der Lektüre das Gefühl: „Das ist zu kompliziert! Ich kann nicht glauben, dass sich hinter so einem kleinen Teststreifen so viele Entwicklungen und Geschichten verbergen!“

Unser Leben ist tatsächlich voll von verschiedenen praktischen und schnellen Tools oder Diensten. Dahinter stecken höchstwahrscheinlich untrennbar die wissenschaftlichen Forschungen und kreativen Ideen von Wissenschaftlern und Ingenieuren. Wenn Sie öfter nach dem „Warum“ fragen, werden Sie feststellen, dass die scheinbar weit entfernte „Wissenschaft und Technologie“ tatsächlich um uns herum existiert.

Quellen:

[1] EC Dreaden et al., Das goldene Zeitalter: Goldnanopartikel für die Biomedizin, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 2740–2779.

[2] T. Graham, X. Anwendung der Flüssigkeitsdiffusion auf die Analyse, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1861, 151, 183-224.

[3] J. Turkevich et al., Eine Studie der Keimbildungs- und Wachstumsprozesse bei der Synthese von kolloidalem Gold, Diskussion. Faraday Soc., 1951, 11, 55-75.

[4] Chen Zongqi, Wang Guangxin und Xu Guiying, Colloid and Interface Chemistry, Higher Education Press, 2001 (Nachdruck 2003), S. 11. 138.

[5] WP Faulk, GM Taylor, Immunochemistry, 1971, 8(11), 1081-1083.