胶体应用

胶体的应用研究简述摘要胶体是研究胶体分散体系的一门科学，与能源、材料、生物、化学制造和环境科学有密切的关系，渗透到国民经济的各个主要领域中，涉及到其中的一些重大科学问题，如土壤改良、功能与复合材料、三次采油、水煤浆、浆体的管道运输、人造血浆、药物缓释与定向输运、摩擦与润滑和油漆涂料等，与国家安全、能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关，因此在社会与经济可持续发展中具有重要的地位。[1]按照分散剂状态不同分为：气溶胶——以气体作为分散介质的分散体系。其分散质可以是气态、液态或固态。：如烟扩散在空气中。液溶胶——以液体作为分散介质的分散体系。其分散质可以是气态、液态或固态。：如Fe(OH)3胶体。固溶胶——以固体作为分散介质的分散体系。其分散质可以是气态、液态或固态。如有色玻璃、烟水晶。按分散质的不同可分为：粒子胶体、分子胶体。关键词：胶体，胶体金，食品胶体一胶体在农业生产中的应用土壤肥力是发展农业现代化和可持续利用土壤资源的核心,而增加土壤有机质含量又是提升土壤肥力的核心。土壤可移动胶体作为土壤中活性最高的组分,对土壤有机质稳定和积累有重要影响。如果土壤可移动胶体在施肥后可以稳定存在。则可以持续为植物提供肥料，促进农业的发展，因此胶体科学对农业保肥有很重要的指导意义。[2]二胶体在医疗卫生上的应用金溶胶也称胶体金，是一种以稳定形式存在于溶液中的金颗粒，属于多相不均匀体系，根据粒径大小不同，其颜色呈桔红色到紫红色。早在150年前，英国著名的物理学家、化学家M.Faraday就在该领域做出了突出贡献，他发现了胶体金的变色现象。目前已经有多种比较成熟的制备颗粒大小可控、粒径分布均匀的纳米金溶胶的方法，并且产物以其独特的稳定性、惰性等物理化学性质，在光谱分析、免疫金标记技术等领域有广阔的应用。2.1胶体金的制备方法2.1.1聚乙烯吡咯烷酮保护还原法西安建筑科技大学的兰新哲[3]等人采用以草酸还原较高浓度氯金酸（HAuCl4）溶液的方法，在聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone,PVP）作保护剂的水溶液中，成功制备出了平均粒度为20~30nm，且高度分散的金溶胶。该研究表明，只有在一定的pH环境中（见图1），PVP与金保持一定的质量比，并加以合适的温度，才能制备出稳定的纳米金溶胶。此方法具有不用搅拌、金不返混、成本低等特点。2.1.2磷钼酸光催化还原剂法杂多酸作为光催化还原剂性质温和，在各种溶剂中的溶解能力强，结构和氧化还原特性不受影响，尤其是纳米颗粒表面负载一层杂多酸，使其兼有纳米粒子和杂多酸的性质，为其后续在催化、电化学、生物器件等方面的应用提供了更多的功能特性，是一种简便快捷、可控性和适应性强的制备纳米金的新方法。采用Keggin结构磷钼杂多酸H3PMo12O40（简称PMo12）为光催化还原剂来制备纳米金溶胶，紫外光照时间及二甲基甲酰胺（DMF）用量等对纳米金的形成和形貌均有较大的影响。只要选用适宜的合成条件，以磷钼杂多酸作为光催化还原剂就可以制备得到粒径均匀、稳定性好的纳米金溶胶。2.1.3柠檬酸三钠还原法将一定量氯金酸水溶液加热至沸腾，剧烈搅拌下准确加入适量柠檬酸三钠水溶液，继续煮沸，冷却后以蒸馏水恢复到原体积，可在12~70nm范围内合成出近似球形的单分散纳米金粒子。该方法中金溶胶颗粒的粒径与加入的柠檬酸三钠的量密切相关，其中柠檬酸三钠既是还原剂，又起稳定剂的作用。2.1.4紫外光引发还原法紫外光引发还原过程经历了自由基机理，紫外光照是引发自由基还原的关键因素，体系中加入乙醇既是溶剂又充当还原剂。具体的机理为：在紫外光的激发下，极少量溶剂水分子解离成氢自由基和氢氧自由基。自由基极不稳定，能迅速捕获乙醇分子中与羟基直接相连的碳原子上的氢，使乙醇分子解离成CH3CH（OH）自由基，这个自由基有与氢原子相当的还原能力，它进一步引发氯金酸还原。2.1.5溶胶凝胶-模板法利用氯金酸水溶液和柠檬酸三钠水溶液制备了金溶胶,以阳极氧化铝(AAO)为模板,采用浸泡金溶胶-凝胶的方法可制备一维金纳米材料。通过控制金胶的浓度和模板的浸泡时间，可分别获得管状和线状结构，其直径为200nm左右，长度可达几十微米，由细小的金晶粒组成。以多孔膜为模板制备金溶胶时，实现原料在模板孔洞中方便、高效填充是关键。该方法优点是设备简单、可控性好，且产物均匀性好。[4]2.2胶体金的应用胶体金是一种带负电荷的疏水胶体溶液，在溶液中金颗粒呈圆形，边缘平滑完整，界线清楚，具有很强的比表面效应和吸附能力，能对蛋白质等高分子物质进行吸附结合，得到胶体金蛋白，所以它既可用于动物的抗原定位、定量和定性研究，也可用在免疫层析分析中检测微生物，还可以作为追踪标记探针进行日常的人体免疫诊断，在植物保护等方面也有广泛的应用前景。免疫胶体金标记技术是指以胶体金作为示踪标志物，应用于抗原抗体反应中的一种新型免疫标记技术。20世纪70年代初，Faulk等应用电镜免疫胶体金染色法(IGS)观察沙门菌，首次把胶体金引入免疫化学领域，随后40年的发展，免疫胶体金标记技术的不断成熟使之已不仅广泛应用于电镜水平研究、光显微细胞化学、免疫沉淀及蛋白质染色技术上，并且被引进免疫诊断商业化领域中。胶体金是由氯金酸(HAuCl4)在还原剂如白磷、抗坏血酸、枸橼酸钠及鞣酸等作用下，聚合成为特定大小的金颗粒，并由于静电作用成为稳定的胶体状态，故称为胶体金。胶体金颗粒在弱碱环境下带负电荷，可与蛋白质分子的正电荷基团形成牢固的结合，由于这种结合是静电结合，因此不影响蛋白质的生物特性。胶体金可与蛋白质结合以外，还可与许多生物大分子结合，如与葡萄球菌A蛋白、免疫球蛋白、毒素、糖蛋白、酶、抗生素和激素等多种物质非共价结合。从而使其成为免疫反应的优良标记物。[5]艾滋病是一种严重破坏人体免疫系统，使感染者易患机会性感染或肿瘤而丧失劳动力直至死亡的重大传染病。随着我国各项艾滋病防治措施的有效落实，疫情的上升速度有所减缓，2009年全球艾滋病流行报告显示，我国目前存活的艾滋病病毒感染者和患者约74万，但只有不到1/3的感染者得到了诊断，还有很多感染者和患者没有被发现，其在不知道自己感染人类免疫缺陷病毒（HIV）的状况下将病毒传播给配偶或他人，易导致更广泛的流行传播。因此，扩大检测范围，推广HIV抗体快速检测，最大限度地尽早发现感染者并实施治疗成为艾滋病防治的主要策略之一。胶体金法作为HIV快速检测的方法之一，不需要贵重的实验设备和专门的实验室，可用全血（指血），不需要离心，结果易解释，更适合急诊患者、孕产妇、求询者、职业暴露等人员快速取得检测结果。胶体金试剂的检测结果易受环境温度和操作人员操作技能的影响而出现变化，所以制备质控血清有利于提高检测的准确性和可靠性。[6]肝细胞肝癌(hepatocellularcarcinoma,HCC)是我国常见的恶性肿瘤之一。近年来,HCC的死亡率已上升到恶性肿瘤死亡率的第二位。甲胎蛋白(alpha-fetoprotein,AFP)是一种分子量为70kDa的胚胎性糖蛋白,胚胎时期可能起着与白蛋白相似的作用,成人血清中AFP含量甚微。大约90%的HCC患者血清AFP含量升高,而且其含量与疾病的变化密切相关。因此,血清AFP含量不仅可作为HCC的早期诊断指标,也作为疗效观察和预后判断的指标。利用层析原理,建立检测血清AFP的双抗体夹心法胶体金免疫层析分析，是一种有效的检测血清中HCC的方法。胶体金免疫层析技术是在酶免疫结合试验的基础上发展起来的，应用的领域正在不断扩大。今后在提高灵敏度和特异性的同时，胶体金免疫层析技术也将向定量、半定量检测及多元检测的方向发展。目前，尽管金纳米粒子的研究十分活跃，但还有不少问题需要深入研究，它们包括：金纳米材料微观结构的揭示、制备控制、产业化研究、简单和可靠的表征方法等，金纳米粒子的表面修饰和选择组装技术也是急需解决的问题。今后金纳米材料的研究颖重点在以上几方面展开，并需要材料科学、表面化学、物理学及化学工程等多方面的密切配合与协作，还可借鉴自然界生物材料的合成方法，逐步实现对金纳米粒子的形态、大小、分布的控制。最终实现根据性能要求合成纳米复合材料的目标。三胶体在食品行业中的应用食品胶体一般是指可溶于水，在一定条件下可以通过水合作用形成润滑、黏稠或胶冻液的大分子物质。食品胶体可以使食品增稠或形成凝胶，从而赋予食品适宜的口感，并有稳定、乳化、悬浮食品颗粒的作用，因而被广泛应用于食品工业领域，例如果冻、布丁、软糖等食品。食品胶体的凝胶特性对食品品质的影响至关重要，而认识食品胶体凝胶的形成过程，对于改善产品品质，更好地满足消费者的需求来说十分重要。在食品生产中，使用单一的食品胶体，往往存在不足之处：如结冷胶，耐酸耐高温、稳定性好，但是价格偏高；将单一的琼脂作为果冻凝胶剂，不仅用量大，且生产的果冻存在凝胶弹性差，凝胶脆，产品脱水严重等缺陷。而复配胶的使用，可以克服此类不足，降低生产成本，改善产品品质。食品胶体广泛存在于自然界中，目前，世界上允许在食品工业中应用的胶体约60余种，国内外学者将胶体主要分为五大类（表1）：动物胶、植物胶、海藻胶、微生物胶、化学改性胶。动物胶是一种天然的营养型食品添加剂，具有营养保健、稳定性、凝胶作用等功能；植物胶主要来源于豆科植物，具有增稠、乳化、稳定等作用，此类胶体的生产受气候和收成的影响较大；海藻胶来自海藻，以不同生长条件下的同种海藻生产出的胶体，其功能可能存在较大差别，此类胶体具有保形性、增稠、凝胶、保健等功能；微生物胶是以微生物代谢产物为原料加工制成的，主要是细胞体外多糖，如黄原胶、结冷胶等，此类胶不受收成及气候影响[4]。化学改性胶是在一些天然物质的基础上，借助化学手段，添加或减少某些官能团来达到一定的应用目的；纤维素、淀粉是较为常见的化学改性胶的物质基础，经过改性可以获得不同用途的胶体，普通的纤维素不具有胶体性质，但经过化学改性后，所得产物如羧甲基纤维素钠较适用于中性食品体系，甲基纤维素可适用于酸性到碱性的食品体系等。[7]四胶体在工业中的应用近年来，国内外的原油品质不断下降，沥青质含量逐渐增加，对石油工业的发展提出了新挑战。在石油开采、储运和加工过程中，一旦沥青质絮凝沉积，则会堵塞井壁、阻塞管道、在反应器壁上结垢和致使催化剂结焦失活，导致生产成本大幅增加。而沥青质的沉积问题与石油的胶体性质密切相关，胶体稳定性和胶粒尺寸是胶体体系的两个基本性质：石油的胶体稳定性处于动态平衡，一旦稳定性被破坏，沥青质便会絮凝析出；沥青质胶粒尺寸的改变可反映体系流变性能的变化。因此，深入探索石油的胶体性质与胶质、沥青质等组分组成、结构和性质之间的关系，是有效开发和利用有限石油资源的基础。Nellensten率先提出沥青质极稀溶液的Tyndall效应及石油沥青质体系的胶体学说。近年来小角X射线散射（SAXS）和小角中子散射（SANS）等实验结果也证实了石油中的沥青质是以胶束形式存在的。石油中的沥青质、胶质、芳香分及饱和分构成了一个动态稳定的胶体体系，Mack等于1932年提出了沥青质为分散相，可溶质为分散介质的胶体模型。晏德福和Peramanu等提出了以沥青质为核心、吸附在其周围的胶质为溶剂化层构成分散相，其它组分构成分散介质的胶体模型。李生华等通过冷冻复形透射电镜技术观测到沥青质和重胶质共同作为分散相，中胶质、轻胶质、芳香分及饱和分作为分散介质的胶体体系。张龙力等计算了不同胶粒构成模型下胶粒之间的吸力位能，结果表明：沥青质和重胶质共同作为分散相，中胶质作为吸附层，其余组分作为分散介质的胶粒构成模型具有最低的吸力位能。[8]参考文献[1]郭荣，黄建滨，陈晓胶体与界面化学的研究进展[J].化学通报201477（7）[2]罗轶红.施肥对土壤可移动胶体的影响[D].南京农业大学2013[3]兰新哲,金志浩.PVP保护还原法制备纳米金溶胶[J].稀有金属材料与工程,2003,32(1):50-53.[4]赫丽娜,刘帅,孙瑾.纳米金溶胶的制备与应用研究[J].科技信息.2009(13)[5]张书永.免疫胶体金快速诊断技术的临床