中空高分子荧光微球的制备及其免疫层析检测应用

洪正道 李振华 徐明 冯玮 李富友

引用本文: 洪正道, 李振华, 徐明, 冯玮, 李富友. 中空高分子荧光微球的制备及其免疫层析检测应用[J]. 无机化学学报, 2023, 39(11): 2055-2064. doi: 10.11862/CJIC.2023.166 shu
Citation:  Zheng-Dao HONG, Zhen-Hua LI, Ming XU, Wei FENG, Fu-You LI. Preparation of hollow polymer fluorescent microspheres and its application in lateral flow immunoassay[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2023, 39(11): 2055-2064. doi: 10.11862/CJIC.2023.166 shu

中空高分子荧光微球的制备及其免疫层析检测应用

    通讯作者: 李富友, E-mail: fyli@fudan.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”专项资助项目基金 2022YFF0710000

摘要: 以过硫酸钾(KPS)为引发剂,甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和苯乙烯(St)为单体,采用无皂乳液聚合法制备了表面官能团化的高分子微球。研究发现添加微量NaCl制备得到的高分子微球,经四氢呋喃(THF)溶胀处理后,能够得到单分散且表面完整的中空P(St-co-GMA)微球。随后使用有机溶胀的方式将Eu(Ⅲ)配合物染料负载于微球壳层中,实现了α1微球蛋白(α1-MG)和β2微球蛋白(β2-MG)的免疫层析检测。

English

  • 高分子微球是重要的功能聚合物材料,广泛应用于涂料、填料、添加剂、黏结剂、催化剂、吸附剂、纳米载体等领域。近年来,高分子微球在生物医学及生化工程等领域吸引了越来越多的研究关注,例如生物活性/毒性物质的包埋[1-2]、染料的负载[3-4]、酶的固定化[5-6]、生物检测[7-8]等。随着高分子微球的应用从大宗产品向高精尖研究领域的转移,对其材料性质也提出了更高的要求,包括负载率、单分散性、长期稳定性和有机溶剂耐受性等。但是,传统的高分子微球多为实心结构,对药物或者染料等的负载能力有限。与实心高分子微球相比,中空高分子微球具有密度低、比表面积大等特点,能够负载更多的活性物质,在涂料[9-10]、药物的控制与释放[11-13]、荧光染料的负载[12, 14]、生化微反应器[15]等诸多领域具有广泛的应用价值和前景。

    目前,中空高分子微球制备方法主要有自组装法[16-17]、乳液聚合法[18-19]、模板法[20-21]。模板法作为最常用的制备方法,其基本原理是控制高分子聚合反应发生在模板的表面,然后除掉模板得到中空高分子微球。根据模板类型的不同分为软模板法和硬模板法:软模板法以柔软的囊泡或者胶束等为模板,所合成的高分子中空微球形状一般不规则且粒径分布较宽。例如Han等[22]使用具有两亲性结构的邻甲氧基苯胺单体制备表面含有单孔结构的高分子微球;硬模板法以稳定形态的纳米粒子为模板,随后在模板表面形成高分子壳层,最后利用煅烧刻蚀或者有机溶剂溶胀等方法将模板除去,如图 1a所示。例如,Caruso等[23]以聚苯乙烯微球为模板,制备了中空SiO2微球和中空无机-高分子复合微球。Liu等[24]在SiO2微球表面进行聚合反应形成高分子壳层,随后通过HF刻蚀制备中空高分子微球。现有这些高分子中空微球的制备流程较为复杂,且难以兼顾规则的形貌、粒径、单分散性、以及可控的表面性质,无法获得高质量的高分子中空微球,从而限制了相关领域的进一步发展。因此,亟需研究一种简便可控的合成方法,以实现表面功能化高分子中空微球的高效制备。

    图 1

    图 1.  (a) 传统模板法制备中空高分子微球; (b) 中空高分子微球制备新策略; (c) 荧光中空微球的制备及其在侧向免疫层析中的应用
    Figure 1.  (a) Preparation of hollow polymer microspheres by traditional template method; (b) New strategy for the preparation of hollow polymer microspheres; (c) Preparation of fluorescent hollow microspheres and their application in lateral flow immunoassay

    本文中,我们提出了一种新型的中空高分子微球合成设计思路,开发了一种表面官能团化的高分子中空微球的高质量快速制备方法,如图 1b所示。研究中,我们以过硫酸钾(KPS)为引发剂,苯乙烯(St) 和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体,NaCl为添加剂,在氩气氛围下通过无皂乳液聚合形成具有异质结构的高分子微球前体,随后将该微球乳液与四氢呋喃(THF)溶剂混合,离心分离即可成功制备单分散且表面官能团化的高分子中空微球。

    在众多纳米材料中,高分子微球内部环境疏水,能够负载大量油溶性荧光染料,同时外层亲水性官能团能够有效排除外界环境的干扰,是免疫层析检测领域重要的原材料。但是传统的荧光微球多为实心结构,染料负载有限。鉴于本研究制备的中空高分子微球具有密度较低、亲水性强和有机溶剂耐受性好等特点,我们对其进行Eu(Ⅲ)配合物染料的负载,并应用于免疫层析检测中,如图 1c

    St(99%,在使用前使用碱性氧化铝除去阻聚剂)、GMA(97%)、KPS(99.9%)均购买自上海麦克林生化科技股份有限公司;丙酮(AC)、THF、NaCl、KCl、CaCl2、BaCl2、MgCl2·6H2O、ZnO的纯度均为AR,购买自国药集团化学试剂有限公司;NaBr(99%)购买自安徽泽升科技有限公司;(4-(6-甲基-1,2,4,5-四嗪环-3-基)苯基)甲胺盐酸盐(纯度97%)购买自上海毕得医药科技股份有限公司;Eu(Ⅲ)配合物染料为自制;α1-MG和α1-MG抗体购自武汉奥科博泰生物科技有限公司;β2-MG、β2-MG抗体、鸡IgY抗体和羊抗鸡IgY抗体购买自上海捷门生物科技有限公司;1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS) 均购自Sigma公司;固化液组分为2% NaCl、2% 牛血清蛋白(bovine serum albumin,BSA)、7% 海藻糖、2‰色素、1‰ Proclin3,自制;样本稀释液1(pH 7.45) 组分为0.05 mol·L-1硼酸盐缓冲液(borate buffered saline,BBS)、2% NaCl、0.5% Tween 20、0.5% BSA,自制;样本稀释液2(pH 9.09)组分为0.05 mol·L-1 BBS、2% NaCl、0.5% Tween 20、0.5% BSA,自制;样本稀释液3(pH 8.00)组分为0.05 mol·L-1 Tris-HCl缓冲液、2% NaCl、0.5% Tween 20、0.5% BSA,自制。

    1.2.1   实心和中空P(St-co-GMA)微球的制备

    将3.0 mL St和1.8 mL GMA加入到250 mL的三口烧瓶中,加入110 mg KPS和100 mg NaCl,随后加入100 mL的去离子水,启动机械搅拌,设置转速为350 r·min-1,通冷凝水和氩气。当氩气通入时间到达15 min后,从室温加热到70 ℃,过夜反应后停止加热。冷却到室温后,收集部分实心P(St-co-GMA) 微球乳液备用,剩下的直接与THF混合(V乳液VTHF=1∶10)溶胀10 min。然后,将乳液离心,弃上层清液后,再加去离子水并超声分散,再次重复洗涤后,成功制备得到中空P(St-co-GMA)微球,室温保存。

    1.2.2   荧光中空P(St-co-GMA)微球的制备

    称取0.2 g的Eu(Ⅲ)配合物染料,溶解在20 mL的丙酮中,配成10 mg·mL-1浓度的Eu(Ⅲ)配合物丙酮溶液。取20 µL的Eu(Ⅲ)配合物丙酮溶液于2 mL玻璃瓶中,加入180 µL的丙酮并混合均匀。随后加入600 µL的去离子水,混匀后加入200 µL固含量0.5% 的中空微球乳液,混匀后静置4 h,最后将乳液离心,弃上层清液后,加去离子水并超声分散,再次重复洗涤后室温保存。

    1.2.3   中空P(St-co-GMA)微球与抗体偶联

    取100 µL固含量1% 的荧光微球分散在400 µL的BBS(0.05 mol·L-1,pH 6.0)中,依次加入10 µL的新配制的EDC(10 mg·mL-1) 和10 µL的NHS(10 mg·mL-1),室温颠倒混匀活化20 min后,离心、洗涤后加入500 µL的BBS(0.05 mol·L-1,pH 7.4),超声重悬后,加入0.2 mg的β2-MG抗体,室温颠倒旋转混匀反应2 h后,离心洗涤,将此时已偶联抗体的微球冰浴超声重悬于450 µL的BBS(0.05 mol·L-1,pH 7.4),加入50 µL 10% BSA(BSA终浓度1%),室温旋转混匀封闭1 h后,保存于4 ℃冰箱中备用(微球与鸡IgY、α1-MG抗体偶联实验步骤与之相同)。

    1.2.4   免疫层析试纸条的装配

    试纸条的结构见图 1c,主要由聚氯乙烯(PVC)背衬、样品垫、吸水垫和硝酸纤维素膜(Nitrocellu-lose membrane,NC膜)等组成。喷涂使用的是Biodot公司的XYZ3060三维喷涂平台。在NC膜上喷涂 β2-MG微球蛋白抗体和羊抗鸡IgY抗体(浓度均为1 mg·mL-1,划线量均为1 µL·cm-1),分别作为测试线(T线)和控制线(C线),随后37 ℃干燥24 h。微球的固化在样品垫上进行,取偶联鸡IgY抗体的微球30 µL、偶联β2-MG抗体的微球75 µL和固化液195 µL混合,喷涂量为2 µL·cm-1,37 ℃干燥24 h后,用数控裁条机裁切。将样品垫、NC膜、吸水垫固定宽度后粘附在背板上,并用数控高速斩切机剪裁后装入塑料外壳中(α1-MG试纸条制备与之相同)。

    透射电镜(TEM) 测试在日本Hitachi公司的HT7700透射电子显微镜上进行,工作电压为100 kV。TEM元素分析测试在美国FEI公司的Tecnai G2 F20 S-Twin透射电子显微镜上进行,工作电压为200 kV,其使用的能谱仪(EDS)探测器为牛津仪器,X-Max 80T,Be4-Cf98,能量分辨率<127 eV。将制备得到的高分子微球乳液稀释1 000倍后滴加至覆盖有碳膜的铜支撑网上,室温下自然晾干后再进行表征。

    扫描电镜(SEM)测试在德国Zeiss公司的Ultra 55场发射扫描电子显微镜上进行,工作电压为3 kV,将合成高分子微球乳液稀释1 000倍后滴加到硅片上,室温下自然晾干。由于聚合物材料的导电性较差,为了防止电荷积累,在测试前对样品进行金离子溅射处理。

    在英国Malvern公司的Zetasizer ZS-90上进行微球乳液的PDI(Polydispersity Index,多分散系数) 测试。测试温度为25 ℃,所使用的激发光为633 nm红光,入射光与探测器之间的角度为90°,测试前将样品溶液稀释1 000倍,使用的是一次性的聚苯乙烯比色皿,测试时设置保温时间为2 min。

    稳态荧光光谱使用的是英国Edinburgh公司的FS-5荧光光谱仪,激发光源为氙灯。测试时,将1 mL固含量为0.005% 的荧光微球样品装载到一次性聚苯乙烯比色皿中测试。选择的激发光为360 nm,发射光为612 nm,激发和发射狭缝都为1 nm。

    傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试使用Thermo-fisher公司的Nicolet 6700红外光谱仪,将样品离心后干燥,取少量样品与KBr混合研磨均匀后压片。红外光谱测试的范围是400~4 000 cm-1

    微球的单颗粒亮度在厦门福流生物科技有限公司生产的纳米流式仪器上测试。

    β2-MG的免疫层析测试具体过程如下:取10 µL的β2-MG标样于1 mL的样品稀释液中(使用样本稀释液2和样本稀释液3),混合均匀后取90 µL混合溶液加入到试纸条加样孔中,室温反应10 min后,用干式时间分辨荧光分析仪读卡机对试纸条进行扫描读取,分别记录T线最大值(Tmax)和C线最大值(Cmax)的发光信号强度,并计算出T线信号强度与C线信号强度的比值(T/C)(α1-MG检测步骤与之相同,实验中使用样本稀释液1)。

    图 2a2b分别是采用无皂乳液聚合制备的P (St-co-GMA)微球溶胀前后SEM照片,图 2c2d分别是其对应的TEM照片。微球的电镜照片显示制备的中空P(St-co-GMA)微球表面完整,粒径均一且单分散,随后我们对微球分别进行了下述的表征分析。

    图 2

    图 2.  中空P(St-co-GMA)微球的SEM和TEM照片: (a) 溶胀前微球的SEM照片; (b) 溶胀后微球的SEM照片; (c) 溶胀前微球的TEM照片; (d) 溶胀后微球的TEM照片
    Figure 2.  SEM and TEM images of hollow P(St-co-GMA) microspheres: (a) SEM image of the microspheres before swelling; (b) SEM image of the swelling microspheres; (c) TEM image of microspheres before swelling; (d) TEM image of the swelling microspheres
    2.1.1   1H NMR表征

    1H NMR见图S1(Supporting information):A峰为苯环结构的特征峰,来自于St单体;B峰为甲基结构特征峰,来自于GMA单体。通过对比溶胀前后微球核磁谱图变化,我们发现溶胀后微球组分中GMA结构含量占比增加(其中溶胀前A峰与B峰积峰面积比例为1∶0.24,经过溶胀得的中空微球A峰与B峰的积峰面积比例为1∶0.32),这证明了微球经过THF溶胀,内部溶解的组分大部分为含有苯环结构的高分子链。溶胀前含有GMA结构的高分子链大部分分布在微球的外部,而经过THF溶胀内部疏水性的未交联的PS(聚苯乙烯)链发生溶解,因此形成中空结构。

    2.1.2   FTIR表征

    P(St-co-GMA) 微球的红外光谱见图S2,其中3 423 cm-1是羟基的伸缩振动吸收峰,1 727 cm-1是酯羰基的伸缩振动吸收峰,909 cm-1处为环氧基特征峰,1 602、1 583、1 492和1 450 cm-1为苯环骨架的弯曲振动吸收峰,760和701 cm-1为单取代苯环碳氢面外弯曲振动吸收峰,证明了微球中PGMA(聚甲基丙烯酸缩水甘油酯)和PS结构的存在。

    2.2.1   不添加无机盐时,GMA含量对P(St-co-GMA)微球的影响

    通常条件下,未加入交联剂制备的PS微球其聚合物链为线性结构,强度较低。但是本研究发现,若在制备PS微球过程中添加较多的GMA单体,聚合形成的P(St-co-GMA)微球能够稳定存在于有机溶剂THF中,经过THF浸泡的微球样品TEM照片如图 3所示。实验中St的含量固定为3.0 mL,TEM照片结果显示,当GMA的添加量体积不小于1.2 mL时,微球的形貌基本不发生改变。而降低GMA含量至0.8 mL时,制备的微球溶胀后表面有一定的破损,呈现多齿状结构。进一步降低GMA含量至0.4 mL时,微球经THF溶胀内部中空化,同时微球表面发生较大程度的破损。最后降低GMA含量至0.2 mL时,组成微球的大部分高分子链溶解在THF中。

    图 3

    图 3.  不同GMA比例制备的P(St-co-GMA)微球TEM照片: (a1~a5) 为溶胀前微球的形貌, (b1~b5) 为其对应的微球溶胀后形貌
    Figure 3.  TEM images of P(St-co-GMA) microspheres prepared with different GMA ratios: (a1-a5) shows the morphology before swelling, (b1-b5) corresponding morphology after swelling

    Before swelling, the St volume was 3.0 mL, and the GMA volume was 0.2, 0.4, 0.8, 1.2 and 1.8 mL.

    2.2.2   NaCl含量对P(St-co-GMA)微球的影响

    控制GMA和St的体积分别是1.8和3.0 mL,研究了NaCl含量对P(St-co-GMA)微球形貌的影响,其TEM照片如图 4所示。根据TEM照片,当NaCl的添加量大于10 mg时,能够制备得到中空微球,当其添加量达到300 mg时会导致微球发生形变。我们认为NaCl的加入使得GMA和St间的聚合倾向由无规聚合转变为自聚。

    图 4

    图 4.  不同NaCl含量下制备的P(St-co-GMA)微球TEM照片
    Figure 4.  TEM images of P(St-co-GMA) microspheres prepared under different NaCl contents

    (a)0 mg, (b) 3 mg, (c) 10 mg, (d) 30 mg, (e) 100 mg, (f) 300 mg.

    2.2.3   无机盐种类对P(St-co-GMA)微球的影响

    为了研究无机盐种类对微球粒径和中空程度的影响,实验添加不同含量的NaBr、KCl、CaCl2、BaCl2、ZnCl2和MgCl2,并且控制实验中其他组分含量一致,即GMA含量为1.8 mL,St含量为3.0 mL,KPS含量为110 mg,制备得到的微球溶胀前后的TEM照片见图S3,对应的实验结果见图 5,其中100 mg的MgCl2和ZnCl2使微球发生黏连,无法得到数据,未在图中列出。综合以上实验结果得出:(1) 二价无机盐能够显著提高体系的离子强度,当体系中无机盐质量相同时,二价无机盐对微球的粒径和中空程度的影响更大。(2) 同价态不同种类的无机盐对反应体系中微球粒径和中空程度的影响程度基本相似。(3) MgCl2和ZnCl2两组实验由于发生沉淀,不能得到微球具体数据。而CaCl2、BaCl2能够制备出粒径较大的微球,并且使用CaCl2制备的微球粒径较BaCl2大,这是因为体系中使用的引发剂KPS分解后与体系中的Ba2+形成沉淀,降低了反应体系的离子强度。Ca2+与之形成的沉淀微溶于水,离子强度降低幅度有限。而MgCl2和ZnCl2与硫酸根不反应,体系中离子强度较高,体系不稳定,微球间相互黏连,导致沉淀。此外还分别研究了2.4和3.0 mL的GMA含量下,不同种类和浓度的无机盐对高分子微球的形貌影响,其相对应的TEM表征见图S4和图S6、结果总结表见表S5和表S7。实验结论符合预期:(1) 即当GMA含量增加时,相同离子强度下,内部空腔体积降低。(2) GMA含量增加,制备的微球粒径增大。

    图 5

    图 5.  不同种类的无机盐对中空微球制备的影响
    Figure 5.  Effect of Different types of inorganic salts on the preparation of hollow microspheres

    White columns represent the size of the cavity inside the microspheres.

    2.2.4   反应温度对P(St-co-GMA)微球的影响

    为了探究反应温度对P(St-co-GMA)微球的影响,设计了多个不同反应温度的实验,同时控制体系中物料含量如下:St 3.0 mL、GMA 1.8 mL、NaCl 30 mg、KPS 110 mg,具体实验产物的TEM照片见图S8。实验结果表明,70 ℃制备的微球经溶胀后,内部空腔较大,实心结构的微球含量低。当增加反应温度后,微球经溶胀后仍为实心结构。这是由于在较高的温度下,大量的引发剂同时分解,反应剧烈,趋向于无规聚合,微球内部和外部的组成没有明显差异,且不能溶解于THF溶剂中。

    2.2.5   KPS含量对P(St-co-GMA)微球的影响

    探究了不同KPS含量对P(St-co-GMA)微球的影响,TEM照片见图S9。当引发剂的用量较少时,合成的PS链条较长,不易溶解在THF中,即使合成的P(St-co-GMA)微球内外高分子链分布不同,也不能形成中空结构的高分子微球。当引发剂含量较多时,体系中自由基的浓度较高,能在较短的时间内完成反应,形成的高分子链较短,内部的PS链易溶解在THF溶剂中。

    本研究成功地制备了表面完整的单分散中空P (St-co-GMA)微球。我们认为其聚合机理如下(图 6路径C):在聚合的最初阶段,带有亲水性环氧基官能团的GMA单体和疏水性的St单体发生共聚,形成两性低聚物自由基,随着聚合反应的进行,低聚物自由基不断增长,达到临界长度之后,便从水相中沉淀出来形成核,随后核相互聚集形成较为稳定的成长微球,成长微球不断吸收体系中的GMA和St,但是由于PS高分子链疏水,主要分布在微球的内部,且呈线性结构。而PGMA结构由于含有亲水性的环氧基团,优先分布在微球的外层,同时PGMA中的环氧基在反应过程中水解为羟基,并进一步和环氧基反应,形成交联网状结构。因此经过THF溶胀,微球中空。

    图 6

    图 6.  高分子微球形成的三种路径
    Figure 6.  Three paths for the formation of polymer microspheres

    但是如果反应过程中不添加NaCl,GMA和St聚合过程表现为无规聚合,PS和PGMA在微球内外分布差异不明显。在较高GMA含量下不能获得中空结构的微球(图 6路径B);而在较低GMA含量下,经溶胀微球虽能获得中空结构,但是表面破损严重(图 6路径A)。因此我们认为:增加聚合体系的离子强度,GMA和St倾向于各自聚合,相比于未加NaCl制备的高分子微球,壳层中PGMA含量更高。

    由于Eu(Ⅲ)配合物发光分子具有发光寿命长(约1 ms),Stokes位移较大(超过200 nm)等特有的发光性能,近年来被广泛地应用到免疫层析检测等领域以消除背景信号的影响[25]。通常来说,Eu(Ⅲ)配合物发光分子不能直接应用,而是将其吸附在高分子微球内部,制备成发光微球再通过化学偶联的方式与生物大分子结合。

    2.4.1   微球Eu(Ⅲ)配合物染料负载

    为了探究微球中染料的最佳负载量,本研究首先选择粒径为585 nm的微球乳液进行染料负载实验。其中溶胀体系中Eu(Ⅲ)配合物发光分子占微球质量的10%~40%,溶胀剂中丙酮的含量为5%~80%,实验结果见图S10a~S10d,Eu(Ⅲ)配合物占比越大,微球的荧光越强,且4组不同浓度的Eu(Ⅲ)配合物都在丙酮含量为20%或30%时荧光最强,具体表现为荧光亮度随着丙酮比例的增加,荧光强度先增强,后减弱。这是因为当有机溶剂含量较少时,Eu(Ⅲ)配合物染料在水中的溶解度很低,大部分有机染料漂浮在液面上方,不能和微球相接触。当增加有机溶剂比例时,染料在水中的溶解度增加,具有较大比表面积的微球能够充分与染料接触,同时在有机溶剂的作用下,微球发生溶胀,能够使更多的有机染料进入微球的内部。当进一步增加有机溶剂含量时,染料在有机溶剂中的溶解性显著增加,大量的染料游离在溶液中。

    图 7a为使用20% 丙酮溶胀体系的Eu(Ⅲ)配合物负载的中空微球的荧光强度和PDI值,发现当Eu(Ⅲ)配合物染料负载过多时,荧光虽然增强,但其PDI较大,过多的染料使微球间发生一定程度的粘连,降低了微球乳液的单分散性。图 7b为在溶胀体系中Eu(Ⅲ)配合物发光分子占微球质量的20%,溶胀剂中丙酮含量为20% 的微球乳液TEM图,制备的荧光中空P(St-co-GMA)微球呈单分散,且微球表面完整。图 7c7d为对应的EDS元素分析图,Eu(Ⅲ)配合物从内到外先增加后降低,证明了Eu(Ⅲ)配合物染料负载于微球的中间层。

    图 7

    图 7.  (a) 0%、10%、20%、30%、40% Eu(Ⅲ)配合物在20% 体积分数的丙酮溶胀体系中制备的荧光微球荧光强度及其PDI变化; (b) 在溶胀体系中Eu(Ⅲ)配合物发光分子占微球质量的20%, 溶胀剂中丙酮含量为20% 的微球乳液TEM图; (c~d) 对应的EDS元素分析图
    Figure 7.  (a) Fluorescence intensity and PDI changes of fluorescent microspheres prepared by 0%, 10%, 20%, 30%, 40% Eu(Ⅲ) complex in the swelling system of acetone at 20% volume fraction; (b) TEM image of the microsphere emulsion with Eu(Ⅲ) complex luminous molecules accounted for 20% of the mass of microspheres in the swelling system, and 20% acetone content in the swelling agent; (c-d) Corresponding EDS elemental analysis diagram

    我们选择单体组分一致的4组不同粒径单分散微球进行20% 的染料负载,并对其进行荧光强度表征(图 8a),发现粒径较大的中空P(St-co-GMA)微球其整体荧光强度低于小粒径的微球。随后我们使用厦门福流生物科技有限公司生产的纳米流式仪器对微球进行了单颗粒亮度的表征(图 8b),发现随着粒径的增加,单颗粒的亮度显著提高,但是单位体积的荧光亮度逐渐降低。

    图 8

    图 8.  四组不同粒径的中空P(St-co-GMA)微球荧光亮度表征: (a) Eu(Ⅲ)配合物负载的中空荧光微球整体亮度和(b)单颗粒亮度
    Figure 8.  Characterization of the fluorescence brightness of four groups of hollow P(St-co-GMA) microspheres with different particle sizes: (a) the overall brightness of hollow fluorescent microspheres loaded with Eu(Ⅲ) complexes and (b) the brightness of the single particle
    2.4.2   荧光中空P(St-co-GMA)微球应用于免疫层析检测

    抗体等生物大分子中含有较多的氨基结构,为了证明制备的P(St-co-GMA)微球能够参与氨基的偶联。选择带氨基结构的染料与中空P(St-co-GMA)微球进行偶联反应,偶联反应测试见图S11,与空白微球对照发现P(St-co-GMA)微球成功染色,证明了微球表面存在环氧基团,并能够与氨基发生偶联反应。

    本研究采用双抗夹心原理进行抗原检测,如图 1c所示(以β2-MG检测为例)。检测液沿着样品垫进入到NC膜,偶联β2-MG抗体和鸡IgY抗体的荧光微球分别被T线和C线捕获,通过仪器检测到的发光信号推断检测样品中的β2-MG浓度。

    选择粒径为222、285和398 nm的中空P(St-co-GMA)荧光微球进行α1-MG的免疫层析检测,其检测结果见图 9a。我们发现3种不同粒径的荧光高分子微球进行免疫层析检测时,398 nm的中空高分子微球灵敏度最佳,这是因为粒径较大中空P(St-co-GMA)微球携带的Eu(Ⅲ)配合物染料较多,单颗粒亮度较高。

    图 9

    图 9.  中空P(St-co-GMA)荧光微球应用于(a) α1-MG和(b) β2-MG的免疫层析检测结果
    Figure 9.  Immunochromatographic results of hollow P(St-co-GMA) fluorescent microspheres applied to (a) α1-MG and (b) β2-MG

    随后我们使用粒径为585 nm的中空P(St-co-GMA)荧光微球,在2种不同pH条件下进行β2-MG的免疫层析检测,其检测结果见图 9b。我们发现,随着β2-MG含量的增加,T/C值显著提高,说明制备的中空P(St-co-GMA)荧光微球在免疫层析检测领域具有一定的应用价值。

    本研究在传统的PS微球制备过程中,引入GMA单体,并添加微量的NaCl成功制备了具有核壳异质结构的高分子微球,随后利用THF溶胀的方法制备得到单分散且表面完整的中空P(St-co-GMA)微球。本研究中描述的中空P(St-co-GMA)微球制备方法所需仪器简单,操作简便,制备周期短,适合大规模工业化生产。最后我们将油溶性的Eu(Ⅲ)配合物染料成功负载于微球中,并将其成功应用于α1-MG和β2-MG的免疫层析检测。

    Supporting information is available at http://www.wjhxxb.cn


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  • 图 1  (a) 传统模板法制备中空高分子微球; (b) 中空高分子微球制备新策略; (c) 荧光中空微球的制备及其在侧向免疫层析中的应用

    Figure 1  (a) Preparation of hollow polymer microspheres by traditional template method; (b) New strategy for the preparation of hollow polymer microspheres; (c) Preparation of fluorescent hollow microspheres and their application in lateral flow immunoassay

    图 2  中空P(St-co-GMA)微球的SEM和TEM照片: (a) 溶胀前微球的SEM照片; (b) 溶胀后微球的SEM照片; (c) 溶胀前微球的TEM照片; (d) 溶胀后微球的TEM照片

    Figure 2  SEM and TEM images of hollow P(St-co-GMA) microspheres: (a) SEM image of the microspheres before swelling; (b) SEM image of the swelling microspheres; (c) TEM image of microspheres before swelling; (d) TEM image of the swelling microspheres

    图 3  不同GMA比例制备的P(St-co-GMA)微球TEM照片: (a1~a5) 为溶胀前微球的形貌, (b1~b5) 为其对应的微球溶胀后形貌

    Figure 3  TEM images of P(St-co-GMA) microspheres prepared with different GMA ratios: (a1-a5) shows the morphology before swelling, (b1-b5) corresponding morphology after swelling

    Before swelling, the St volume was 3.0 mL, and the GMA volume was 0.2, 0.4, 0.8, 1.2 and 1.8 mL.

    图 4  不同NaCl含量下制备的P(St-co-GMA)微球TEM照片

    Figure 4  TEM images of P(St-co-GMA) microspheres prepared under different NaCl contents

    (a)0 mg, (b) 3 mg, (c) 10 mg, (d) 30 mg, (e) 100 mg, (f) 300 mg.

    图 5  不同种类的无机盐对中空微球制备的影响

    Figure 5  Effect of Different types of inorganic salts on the preparation of hollow microspheres

    White columns represent the size of the cavity inside the microspheres.

    图 6  高分子微球形成的三种路径

    Figure 6  Three paths for the formation of polymer microspheres

    图 7  (a) 0%、10%、20%、30%、40% Eu(Ⅲ)配合物在20% 体积分数的丙酮溶胀体系中制备的荧光微球荧光强度及其PDI变化; (b) 在溶胀体系中Eu(Ⅲ)配合物发光分子占微球质量的20%, 溶胀剂中丙酮含量为20% 的微球乳液TEM图; (c~d) 对应的EDS元素分析图

    Figure 7  (a) Fluorescence intensity and PDI changes of fluorescent microspheres prepared by 0%, 10%, 20%, 30%, 40% Eu(Ⅲ) complex in the swelling system of acetone at 20% volume fraction; (b) TEM image of the microsphere emulsion with Eu(Ⅲ) complex luminous molecules accounted for 20% of the mass of microspheres in the swelling system, and 20% acetone content in the swelling agent; (c-d) Corresponding EDS elemental analysis diagram

    图 8  四组不同粒径的中空P(St-co-GMA)微球荧光亮度表征: (a) Eu(Ⅲ)配合物负载的中空荧光微球整体亮度和(b)单颗粒亮度

    Figure 8  Characterization of the fluorescence brightness of four groups of hollow P(St-co-GMA) microspheres with different particle sizes: (a) the overall brightness of hollow fluorescent microspheres loaded with Eu(Ⅲ) complexes and (b) the brightness of the single particle

    图 9  中空P(St-co-GMA)荧光微球应用于(a) α1-MG和(b) β2-MG的免疫层析检测结果

    Figure 9  Immunochromatographic results of hollow P(St-co-GMA) fluorescent microspheres applied to (a) α1-MG and (b) β2-MG

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  • 发布日期:  2023-11-10
  • 收稿日期:  2023-07-11
  • 修回日期:  2023-09-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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