快速、可視化新冠病毒核酸檢測
——第54屆國際化學奧林匹克試題第1題解析

劉定斌

南開大學化學學院，天津 300071

體外診斷是指在人體之外，通過對人體樣本(血液、體液、組織等)中的待測物進行檢測，從而獲取臨床診斷信息，進而對疾病或機體功能做出判斷[1]。近年來，在解決危害人類的重大健康問題方面，體外診斷已經成為疾病預防、診斷和療效評估的重要工具和手段[2]。

膠體金在體外診斷方面已得到廣泛的應用[3]。比色法是通過比較或測量有色物質溶液顏色深度來確定待測組分含量的方法，由于其具有簡便性，已成為分析化學中較為常用的分析手段之一。膠體金是比色法的優良底物，其具有超高的消光系數，通常是有機染料的1000倍[4]。因此，膠體金常被用作試紙條的顯色劑。

1 出題依據

過去三年，新冠肺炎疫情在全世界擴散，導致數億人感染，數百萬人死亡。發展快速簡單的新冠病毒檢測方法、實現早發現早隔離，是抗擊疫情的有效武器。目前，新冠病毒核酸檢測方法主要基于熒光PCR (polymerase chain reaction)法，需要依賴昂貴儀器設備，且需送到專業醫療機構進行檢測，無法實現現場快速檢測。2020年2月，南開大學化學學院分析科學研究中心利用膠體金技術，成功研制出新冠病毒IgM/IgG抗體聯合檢測試劑盒，為疫情防控提供了有效的檢測方法[5]。

第54屆國際化學奧林匹克試題第1題中，我們以膠體金可視化快速檢測為主要內容，考查了其在新冠病毒核酸檢測中所涉及的分析化學基本概念和分析方法。

2 題目及解析

2.1 題目

發展快速、簡便的新冠病毒檢測方法極為重要，膠體金輔助的檢測方法具有良好的應用前景。由于其具有較高的摩爾消光系數，膠體金被廣泛用作試紙條的顯色劑，目前已有大量商品化膠體金快速檢測試劑盒，應用于新冠抗原抗體檢測、早孕快檢、食品添加劑檢測等。膠體金的外觀顏色與其尺寸和分散性緊密相關。通常來講，膠體金的尺寸越大，顯示的顏色越偏紅。一旦金納米粒子發生聚集，顏色就會變為藍色或紫色。

當膠體金的表面被兩種單鏈核酸片段a和b修飾后，其在目標核酸(a'b')的存在下發生聚集，溶液的顏色會在幾分鐘內從紅色變為藍色(如圖1.1所示)。基于這一原理，可以檢測到樣品中源自新冠病毒的目標核酸片段。

圖1.1 膠體金的分散與聚集及顏色顯示

1-1 (1分) 請選出代表分散的膠體金的吸收帶區域的字母(參照圖1.2的色輪，從a-f中選擇)。

圖1.2 色輪

1-2 (1分) 指出膠體金聚集后吸收光譜的變化。與分散的膠體金相比，聚集的膠體金的吸收波長：

(a) 變長；(b) 變短；(c) 不變

1-3 (4分) 膠體金由金原子組成，在本題中，可認為金原子緊密排列成金顆粒(密度ρ = 19.3 g·cm-3)。請計算直徑為30.0 nm的球形膠體金中金原子的數目(N)。

膠體金的合成依賴于氯金酸(HAuCl4·3H2O，Mw= 394)與還原性物質(如檸檬酸鈉)的氧化還原反應。在100.0 mL溶液中，5.2 mg氯金酸完全轉化為直徑為30.0 nm的球形納米粒子。用紫外-可見光譜儀測得所得紅色溶液在530 nm處的吸光度為0.800。

1-4 (4分) 請計算所得膠體金在530 nm處的摩爾消光系數。使用的比色皿光程為1 cm。若1-3中未計算出金原子數(N)，請使用N = 1.00 × 105進行本題的計算。

采用標準加入法對目標核酸片段進行比色檢測。采集的原始咽拭子樣品被平均分成兩份。加入探針溶液和水(如下表所示)后，分別測量所得到的兩種溶液在600 nm處的吸光度。

序號 咽拭子樣品體積(mL)核酸片段修飾的膠體金溶液的體積(mL)含有2.0 μg·mL-1目標核酸的標準溶液的體積(mL)水的體積(mL) 吸光度1 0.10 0.80 0.00 0.10 0.400 2 0.10 0.80 0.10 0.00 0.900

1-5 (4分) 請計算原始咽拭子樣品中病毒核酸片段的濃度。

2.2 答案與解析

本題主要涉及膠體金基礎知識及其在核酸檢測方面的應用。本題為分析化學計算題，根據題目提供的信息結合分析化學知識，對相關問題做出判斷和計算。接下來我們對此題進行解析。

1-1 & 1-2 這兩個題目主要考查物質顏色與吸收光的關系，結合題目中色輪提供的信息，可以做出判斷。題目中說膠體金在分散狀態時呈現紅色，根據色輪判斷，其吸收帶應位于d區域，故1-1的答案為d；膠體金聚集時呈現藍色，結合色輪可以得出聚集態的吸收帶應位于b區域(600 nm-650 nm)，和分散態吸收帶d區域(490 nm-560 nm)相比，吸收波長變長，故1-2的答案為a。

1-3 題目的前提條件是“認為金原子緊密排列”，則可以用膠體金的體積(或質量)除以一個金原子的體積(或質量)，計算出膠體金中金原子的數目N。

3 膠體金快速檢測方法的拓展

本考題對應于第54屆國際化學奧林匹克預備試題第12題“利用膠體金快速測定維生素C”[6]，在預備題中，我們對膠體金及相關知識背景做了更充分的介紹。

貴金屬膠體是具有歷史悠久的古老顏料。一個典型的例子就是著名的萊氏杯(Lycurgus Cup)[7]，其制造于公元4世紀，現存于大英博物館。萊氏杯的玻璃具有神奇的二色性：在自然光照條件下，玻璃是綠色的(如圖1.3左)；如果將光源放在杯子里面，杯子就會顯示紅色(如圖1.3右)。利用現代分析方法，科學家們發現，萊氏杯含有金屬膠體顆粒，電子顯微技術和X射線分析發現，膠體顆粒大小為50-100 nm，主要組分是組成為金銀比3 : 7的合金，含有少量的金屬銅。萊氏杯的二色性與膠體納米顆粒的類型、大小和分散性密切相關。

圖1.3 萊氏杯(Lycurgus Cup)

膠體金是典型的貴金屬膠體，由于其具有超高的消光系數、易于合成的特點，被廣泛用于分析化學(如免疫膠體金技術)。一般來說，膠體金的合成是基于氯金酸和還原性物質(如維生素C)之間的氧化還原反應，產生由若干金原子組成的納米顆粒。當膠體金顆粒大小在幾到幾十納米之間，常常在可見區有吸收，產生各種顏色。在預備題中，給出的膠體金體系及要求解決的問題如下：

1) 氯金酸(分子量= 394)投料為41 mg，反應體積為100 mL，測得吸光度為0.8。若氯金酸完全轉化為膠體金，請計算尺寸為10 nm的膠體金中的金原子個數和消光系數。

2) 植物提取液中含有大量還原性物質(如維生素C)，可用于膠體金的合成。取植物提取液0.20 mL，與過量的氯金酸反應生成尺寸為10 nm的膠體金溶液，用水稀釋至1 mL，測得其吸光度為0.3。另取0.2 mL樣品，加入相同體積的維生素C標準溶液(濃度為5 μg·mL-1)，與過量氯金酸反應生成相同尺寸的膠體金，用水稀釋至1 mL，測得其吸光度為1.0。試計算植物提取液中的維生素C的含量。

這兩個問題的解答過程就留給讀者自行完成。答案如下：10 nm的膠體金中含3.1×104金原子，該溶液的摩爾消光系數ε=2.37×107L·mol-1·cm-1；植物提取液中維生素C的含量Cx=2.14 μg·mL-1。

4 結語

本題結合新冠肺炎病毒快速檢測這一熱點難點問題，考查了膠體金相關基礎知識及其在核酸檢測中的應用。主要涉及的知識點包括分析化學中物質顏色與吸收波長的關系、Lambert-Beer定律、標準加入法等。該題所涉及到的大部分知識點，都包含在預備題——利用膠體金快速測定維生素C中。