抗原检测为啥是红杠？相同的原理还可能检测家里酒的年龄

2022-12-11 14:12

图片来源：原论文

加一点酸，就能知道你家的酒几岁了？这种方法与抗原检测有什么共同之处？

撰文 | 王怡博

早在古埃及和古罗马时期，人们就学会了向玻璃中添加特定的金属盐来制作彩色玻璃。其中最著名的彩色玻璃制品之一当属公元前4世纪左右制成的莱克格斯杯（Lycurgus cup）。

它高16.5厘米，直径13.2厘米，如今“躺”在大英博物馆的41号展厅里，看起来就像一个普通的玻璃杯。但它其实是一类特殊的玻璃杯——笼形杯（cage cup）。现存的笼形杯非常罕见，全世界大约有50~100个。这类杯子都有一个由几何图案组成的玻璃外层，就像外面有一个铁丝笼包围着杯子一样，因此被称作“笼形杯”。

更重要的是，莱克格斯杯可以呈现出两种颜色：它从外面看上去是绿色的，但是如果特意将光源放在杯内，它就变成了红色。

莱克格斯杯可以呈现出两种颜色（图片来源：wikipedia）

这一点特别引起材料科学家的注意，他们想知道，当时的玻璃大师是如何制作这个杯子的，又是如何导致了如此的颜色变换？但是，莱克格斯杯对自己的秘密一直“缄口不言”。直到1959年，随着化学分析技术的发展，来自英国通用电气公司的材料科学家利用X-射线衍射，确定这是一种玻璃（此前有人怀疑这不是一种玻璃器皿），包含1%的金和银，以及0.5%的镁。他们推测是这些微量的金属元素带来了特殊的光学性能。

为了证实这个猜想，基于大英博物馆在1962年寄来的玻璃碎片样本，康宁玻璃公司（Corning Glass）的罗伯特·布里尔（Robert Brill）与通用电气公司的研究团队合作，成功从这些玻璃碎片中分离出40ppm的金和300ppm的银。布里尔拥有物理化学博士学位，他对化学和考古学的迷恋相辅相成，毕生都投身于对古代玻璃化学组成的研究——这是化学专业的一种出路。他猜想，这些微量的金和银会被加入到熔融盐中，然后用还原剂进行热处理。在这个过程中，金和银的离子会被还原到金属态，并形成纳米级的胶体。遗憾的是，当时布里尔还不能通过实验来证实胶体的存在。

又等了20多年后，在1990年左右，电子显微镜的发展使材料科学家找到了这个玻璃杯中所含合金胶体的痕迹。分析结果表明，这个约有1700年历史的玻璃杯的确含有平均粒径为70纳米的金属颗粒——要知道1990年时的芯片都没有做到这么小的尺寸。他们发现纳米金可以散射绿光并使红光透过。因此，当光线从玻璃杯的内部发射时，散射出的绿光会被限制在杯内，而红光能够穿过玻璃进入人的眼睛。

如今，这种古老的显色工艺被格拉斯哥大学的化学家拿来，对威士忌做了年龄测试。面对不同年纪的酒，纳米金会表现出不同的光学特性。近期，他们将这项研究发表在ACS Applied Nano Materials杂志上。

威士忌的年龄怎么算

威士忌是一种由大麦等谷物经过发酵制成的蒸馏酒，它与白酒、伏特加、朗姆酒、白兰地和金酒一起并称为世界六大蒸馏酒。顾名思义，蒸馏酒比其他类型的酒多一个蒸馏的工艺过程。另外，在生产威士忌的时候，蒸馏之后还面临着最关键的一步——熟成（maturation）。例如，根据法律规定，想要被称作“苏格兰威士忌”，就必须将蒸馏后的酒液放在橡木桶中——必须是橡木桶，而不能是其他类型的木桶——熟成3年以上。而在木桶中熟成的时长就是它们的年龄。

因此，熟成过程对它们的“成长与成熟”至关重要。在这个过程中，酒液自身经历的变化、不同酒液之间以及酒液和木桶之间发生的相互作用，都会影响熟成后的威士忌所含有的化学组分（脂肪族和芳香族化合物）。从化学的角度来看，正是这些组分决定了酒的年龄，以及相应年纪所拥有的香味、风味和口感。

不过值得一提的是，市场上大约90%的威士忌都是调和型（blended whisky）的。这主要是因为世界上没有哪两个单桶威士忌是一样的，即便严格控制制备条件。因此对于一家酒厂而言，如何保证一种威士忌的品质不变是一项巨大的挑战。

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对此，调酒大师（master blender）会从多桶不同类型的酒（如酒龄和批次）中精确选择合适的酒液，并确定配比，同时根据实际情况做些许调整，以保证威士忌的一致性。在这个过程中，他们最有力的武器就是他们的鼻子，或者说嗅觉。而为了使自己的嗅觉和味觉更加灵敏，他们大多需要10年左右的修炼才有可能成为一名调酒大师。

蕾切尔·巴利（Rachel Barrie）表示，了解熟成过程中某种酒液会如何与不同类型的木桶发生反应，是调酒大师才拥有的一项技能。而她作为一名分析化学家所接受的培训便派上用场了——这是化学专业的另一个出路。巴利是英国爱丁堡大学化学系的毕业生，在2003年成为了世界上第一位女性威士忌调酒大师（master whisky blender）。根据2016年的数据，当时全世界总共只有12位享有如此头衔（威士忌调酒大师）的人。

如果走进她所在的实验室，你很有可能会看到一瓶瓶酒液——它们大多来自蒸馏厂等待质量测试的样本。在这里，为了检验威士忌的品质，他们会利用气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC），分别检测酒液中的可挥发性组分（如醇类和低分子量的酯类）和其他非挥发性组分。此外，想要测试酒龄，就需要随着酒的熟成连续从木桶中取液，以此跟踪分析酒液的成熟情况，判断是否可以装瓶或混合。

但是，无论是GC还是HPLC，还是有时会联合使用的质谱仪（MS），以及¹H核磁共振波谱仪都相对比较昂贵，而且需要从酒厂取液并送到实验室后才能得到测试，因此非常耗时。

对此，威尔·佩弗勒（Will Peveler，这项研究的通讯作者）的研究团队在想，他们是否可以设计开发出简易便携的设备，在酒厂现场就能得到分析结果？于是他们尝试联系了苏格兰威士忌研究所（SWRI），以获得一些威士忌样品。“我们想要将威士忌和氯金酸混合在一起，然后看看是否可以产生金的纳米颗粒。”佩弗勒说。他们知道，酮类和苯酚类化合物——威士忌中可能含有的物质，能够将金离子还原成金原子。而且现在，金的纳米颗粒作为一种标记物，已经渗透到了我们生活的许多方面。

纳米金就在身边

当你拿到一个抗原试剂盒的时候，有没有注意到上面写了什么？

图片来源：环球科学编辑部

“胶体金法”——你很有可能会看到这个标识。由于纳米金往往处在溶液中，所以常常会将它称作胶体金。在碱性条件下，它的表面带负电，可以通过静电作用与带正电的物质（如蛋白质等生物大分子）结合在一起。例如，纳米金或纳米银可以与新冠病毒抗体形成一种结合物。而且静电作用力并不会改变它所结合的蛋白质的性质。

我们知道需要10分钟左右的时间才能看到抗原结果，这主要是因为测试样本会通过毛细作用从检测卡的样品孔出发，依次经过纳米金/新冠病毒抗体结合物所在的位置、T条带（含有新冠病毒抗体）和C条带（含有免疫球蛋白，可与纳米金/新冠病毒抗体的结合物发生相互作用）。

在T条带处，如果样本中含有由新冠病毒诱发产生的抗原，就会将含有新冠抗原和纳米金的复合物留下。这时我们肉眼就能看到一个红杠。而剩下的结合物会继续攀爬到C条带，其中的纳米金和新冠病毒抗体会停留在这里，由此显示出另一个红杠。

抗原检测的原理（图片来源：Sci Rep 11, 23009 (2021) ）

除此之外，验孕棒会出现红杠也是因为其内含的纳米金。这其实是一种基于免疫胶体金（immunogold labelling）的免疫层析法（immunochromatography）。而免疫胶体金是英国的两位科学家W. 佩奇·福克（W. Page Faulk）和G. 马尔科姆·泰勒（G. Malcolm Taylor）在1971年第一次将胶体金引入免疫学领域：他们用胶体金吸附兔抗沙门氏菌抗血清作为一种标记，然后在透射显微镜（TEM）下利用这种结合物来检测沙门氏菌。

但还有一个问题在于，这些测试中为什么会出现红色？

纳米金的颜色

金属可以看作一种特殊的等离子体。随着金属的尺寸减小到纳米尺度，它的比表面积增大，电子能级也会呈离散分布。在一定波长光的照射下，金属纳米粒子的自由电子很有可能会发生集体振荡，即局部表面等离子体共振（LSPR）。这时，入射光子的频率与这些电子的振荡频率相当而产生共振，从而使这些纳米粒子对给定波长的光产生很强的吸收作用。由此就可以形成一张基于不同光波波长的吸收光谱。但在实际应用时往往会使用消光光谱，即包括吸收和散射的光谱。

例如，对于粒径为5~10纳米的球形纳米金而言，LSPR的波长位于520~580纳米的范围内。也就是说，这种纳米金会吸收绿光或黄光，从而呈现出红色或紫色。

新研究中利用纳米金的方法叫做比色法（colorimetric test）。（图片来源：原论文）

而在这项新研究中，当研究人员将氯金酸按比例加入来自苏格兰、日本和美国的15种威士忌时，大部分溶液很快就变成了红色。当他们透过透射电子显微镜观察这些溶液时发现，大部分呈现红色的溶液中都含有球形的纳米金，与此同时，它们消光光谱的峰值会出现在530~535纳米的范围内，并且具有相对较窄的半峰宽。相比之下，有一些样本存在粒径更大的纳米粒子（如80纳米），相应的，它们消光光谱的峰值会发生红移，且谱峰展宽。这样一来，它们很有可能会变成更暗的红色或灰色，而不是鲜亮的红色。

此外，他们还用水、40%的乙醇和伏特加作为对比，发现这些液体并不能将氯金酸还原成纳米粒子，因此仍然会保持近乎透明的模样。也就是说，乙醇并不能发挥还原氯金酸到纳米金的作用，而木桶中的熟成过程却对此至关重要。

接下来，研究人员还利用这种方法，追踪了一桶威士忌在6年内的熟成过程。他们发现，新酒（可以认为是0岁时）表现得类似前面测试过的伏特加，然后随着它不断成熟，谱峰峰值会发生红移，谱峰也会逐渐展宽。这种变化趋势表明，在如此长时间的熟化过程中，更多来自木桶的不同物质会浸入威士忌中，从而改变纳米金的还原速率和表面稳定性。

值得一提的是，木桶中含有一定量的单宁酸。而威士忌的熟化过程可以说就是这种酸的不断渗入，以及它发生分解反应的过程——分解产物包括没食子酸在内的酸，以及醛类。

因此可以粗略地将这些物质进入酒液的速率与纳米金的形成相关联，包括粒子的尺寸、形貌和形成速率，进而将纳米金的形成与威士忌的年龄联系在一起。不过，他们也表示，这些很有可能不是唯一能够还原纳米金颗粒的组分。未来，他们会继续研究威士忌中其他可能的还原性物质。

他们还畅想，这种方法或许可以用来设计一种像抗原试剂盒那样的工具，尽管还有很长一段路要走。

封面来源：Pixabay

参考链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.2c03406

https://www.agorahistory.com/lycurgus-cup

https://blog.cmog.org/2021/05/04/discovering-the-mysteries-of-glass-dr-robert-brill-a-memorial/

https://whiskyanalysis.com/index.php/background/scotch-style-whiskies-single-malts-vs-blends/

https://www.bbc.com/news/uk-scotland-scotland-business-43712091

https://www.vice.com/en/article/bm3knv/meet-the-worlds-first-female-master-whisky-blender

https://link.springer.com/article/10.1007/BF02473200