用于試紙條檢測心梗標志物的PS微球制備及性能研究

中圖分類號：TB32 文獻標志碼：A

文章編號：2096-2983（2025）04-0049-06

引文格式：，．用于試紙條檢測心梗標志物的PS微球制備及性能研究[J]．有色金屬材料與工程，2025，46（4）：49-54. DOI：10.13258/j.cnki.nmme.20240313002.GUAN Shengwen， XU Jingcheng.Preparationand propertiesof polystyrene microspheresused fordetecting myocardialinfarctionmarkers bytransversechromatographyflow[J].Nonferous MetalMaterials and Engineering，2025， 46（4）： 49-54.

Abstract： Polystyrene （polystyrene microsphere， PS） microspheres possess small particle size， large specific surface area， excellent dispersion，and facile modification. They are commonly employed in medical diagnostics and hold potential as detection materials in transverse chromatographic flow analysis. This study aims to prepare PS microspheres meeting the requirements for transverse chromatographic flow analysis by adjusting factors such as temperature and emulsifier and monomer dosage，and the PS microspheres was carboxylated and fluorescent labeling through seed modification and sweling， ultimately applied in the development of a transverse chromatographic flow detection strip.The successful preparation of PS microspheres with a particle size of approximately 50nm was achieved，and the feasibilityof fluorescence-based carboxylated PS microspheres for quantitatively detecting marker concentrations on test strips were successfully demonstrated.

Keywords：polystyrene; emulsion polymerization; seed modification; lateral flow immunochromatography

發(fā)生急性心肌梗死的病人，從發(fā)病到死亡只需數(shù)個小時。因此，準確且盡早地診斷心肌梗死并提醒患者就醫(yī)對減少該疾病的死亡率至關重要[1-2]

基于橫向流動層析免疫的試紙條具有制備工藝簡單、尺寸小、成本低、檢測迅速等特點，近年來受到廣泛關注[3-4]

聚苯乙烯（polystyrenemicrosphere，PS）微球是一種由苯乙烯（styrene，St）單體經(jīng)自由基加聚反應合成的聚合物，經(jīng)過羧基化后具有分散性好、比表面積大和生物不可降解性，已被廣泛用于酶固定、色譜分離、藥物傳遞和生物傳感等諸多領域[5-6]由于羧基易與氨基結(jié)合[，所以羧基PS 微球在生物醫(yī)療和診斷領域受到廣泛關注。將熒光分子引入羧基PS微球，可被用于DNA檢測、高通量藥物篩選、熒光探針、臨床快速診斷等領域，其中在臨床快速定量檢測領域中可以通過規(guī)定區(qū)域內(nèi)色彩強度判斷檢測物濃度。最重要的是，PS微球可以通過填充不同染料使其呈現(xiàn)不同顏色[。目前，使用最多的是用金納米顆粒制成的試紙條，這種試紙條顏色單一，無法用于多個標志物的定量檢測[0]。研究[]顯示，檢測材料的尺寸也決定了試紙條的檢測性能，市面上的檢測材料使用最多的尺寸為 50nm 左右，因此，探究影響 PS 微球粒徑的影響因素[12]是十分有必要的。

本試驗研究了溫度、乳化劑濃度和單體用量等因素對PS微球粒徑的影響，通過控制變量的方法依次找尋最佳反應條件。而后將制備成功的PS微球作羧基功能化和填充染料等處理，制備出能夠用于橫向?qū)游隽鲃用庖咴嚰垪l的PS微球。本研究結(jié)果可以為以橫向?qū)游隽鲃用庖邽榛A的床邊即時檢驗裝置提供新思路

1試驗

1.1 PS微球的制備

如圖1所示，以St為單體、過硫酸鉀（potassiumpersulfate，KPS）為引發(fā)劑、十二烷基苯磺酸鈉（sodiumdodecylsulfate，SDS）為乳化劑，通過乳液聚合法制備PS微球。為體現(xiàn)對比性，在制備時，保持其他條件不變，分別改變St、SDS和溫度，具體操作過程如下：稱取 1g 的 SDS溶于 500mL 去離子水中，并將溶液放置于 1000mL 的四頸燒瓶中，攪拌混合液至澄清;稱取 1g 的KPS和去離子水 20mL 加入燒杯中并攪拌均勻，配置成 0.1mol/L 的KPS 水溶液。稱取氫氧化鈉和碳酸氫鈉各 0.1g 溶于去離子水中配成復合緩存溶液，取復合緩存溶液 10mL 和St液體 3mL 加入至四頸燒瓶中，攪拌2h 后快速升溫至 85°C ，在此過程中勻速滴加KPS溶液 10mL ，控制滴加時間為 30min ，滴加完畢后恒溫反應 ，而后停止攪拌與加熱，待自然冷卻至室溫得到白色漿狀物的PS乳液。至此，制備好的PS乳液設立為材料用量及溫度的標準組，以用來對照，而后，控制其他因素與對照組相同，調(diào)整St用量 （1，2，4，5mL） ），并將制備好的PS乳液按下列操作進行處理，得到試驗組，同理，依次制備出在不同溫度下 （70、75、80、90^°C ）及不同SDS用量（0.8、0.9，1.1，1.2g 的PS乳液，后期處理相同。將PS的乳液在室溫下攪拌，滴加 NaCl 水溶液，用蒸餾水稀釋，真空抽濾，再將樣品放入離心機離心 6min ，隨后取出樣品用蒸餾水重復洗滌抽濾3次；再用無水乙醇洗滌抽濾3次，用恒溫水浴鍋把多余的無水乙醇及水分蒸干，置于 105^°C 烘箱內(nèi) 30min ，得到白色PS微球[13]。

圖1PS微球的制備示意圖

Fig.1Preparation diagramofPSmicrospheres

1.2 熒光羧基功能化PS微球的制備

使用偶氮二異丁氰（2，2-azobisisobutyronitrileAIBN）為聚合引發(fā)劑，甲基丙烯酸（methacrylicacidMAA）為中間體，取上述制備好的PS微球并將其混合到一定量的醇水溶液中，加入一定量的染料尼羅紅并超聲混勻，而后加入到四頸燒瓶中，在保持通氮氣的條件下逐滴加入溶有AIBN的St和MAA混合溶液中，保持通氮氣 30min 后，升溫至 70% ，反應 24h_c ，將得到的聚合物乳液高速離心，棄去上清液，反復用醇水溶液洗滌，在 40°C 恒溫真空干燥箱中干燥至恒重，于 4°C 低溫保存。

1.3 材料表征

采用掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）和透射電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）分析樣品形貌，采用傅里葉變換紅外光譜儀（fouriertransform infrared spectrometer，F(xiàn)T-IR）分析樣品表面的特征基團，采用激光粒度分析儀（laser particle sizeanalyzer，LS）測定樣品粒徑，采用紫外-可見光分光光度計（ultraviolet-visiblespectrophotometer，UV-Vis）測定樣品吸收波長。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料結(jié)構(gòu)表征

圖2為制備的PS微球的FT-IR譜圖。由圖2所示，吸收峰在 1718cm^-1 處有1個較強吸收峰，這是 C=0 的特征吸收峰，同時 3448cm^-1 處有1個寬化的吸收峰，為羧基的伸縮振動峰[14]；說明PS 微球表面存在羧基; 1 520cm^-1 及 1452cm^-1 處為苯環(huán)上 C-C 的伸縮振動峰，也說明苯環(huán)骨架振動譜帶在譜圖中都存在，并與PS標準譜圖重合[15]; PS 的特征譜帶：強烈的吸收峰 700cm^-1 及758cm^-1 為 C-H 的外彎曲振動峰，也是PS的最強譜帶; 3 030，2 922，1 452，758，700cm^-1 為芳香烴的伸縮振動峰; 1606cm^-1 及 1452cm^-1 處為苯環(huán)的伸縮振動峰; 758cm^-1 及 700cm^-1 處為 Δ=C-H 的伸縮振動峰，說明苯環(huán)為一元取代物，即證明了St的存在[]。上述FT-IR 譜圖可以證明成功地制備了PS微球。

圖2PS微球樣品的FT-IR譜圖

Fig.2FT-IR spectra ofPSmicrosphere samples

2.2 反應溫度對PS微球粒徑的影響

如表1所示，在其他反應條件相同情況下（單體為 3mL ，引發(fā)劑為 0.1mol/L ，乳化劑為 ，在70～90^°C ，伴隨反應溫度梯度的升高，使用LS檢測出PS的平均粒徑也在逐漸減小，其粒徑分布也在逐漸變寬，這符合乳液聚合反應的機理，按照Harkins的理論，St乳液聚合的主要場所在增溶膠束內(nèi)。對乳液聚合的成核階段而言，體系的溫度若逐漸升高，那么也會增大自由基的生成速率，如此一來水相中的自由基濃度也會增大，進而導致自由基從水相向乳膠粒中擴散速率增加，即成核速率增大，能夠生成的乳膠粒數(shù)量增多，導致粒徑減小；而且當溫度升高時，水相中自由基濃度增大，在水相中成核和聚合幾率增大，水相中的聚合反響加速，生成更多的齊聚物鏈。另外，在試驗過程中還發(fā)現(xiàn)，若在反應之前將溶液充分攪拌，最后得到的微球粒徑會更加均勻。這是因為充分攪拌后，乳化劑在溶液中可以均勻分散，膠束的直徑也能夠保持均勻，增溶的單體量也能夠一致。因此，我們可以得知，想要取得粒徑為 50nm 的PS微球，需要將溫度控制在 85^°C 。

表1溫度對PS微球粒徑的影響

Tab.1 Effect of temperature on particle size distributionofPS

2.3 乳化劑用量對PS微球粒徑的影響

保持單體用量和溫度等因素不變，通過改變?nèi)榛瘎┑挠昧坑^察PS微球的粒徑是否會隨之發(fā)生改變。如表2所示，若增加乳化劑用量，會導致PS微球的粒徑逐漸減小，其分散性提高。這是因為乳化劑用量增多時，水中生成的膠束數(shù)量也增多，這樣反應過程中就可以形成更多的乳膠粒；同時，因為想要促使乳膠粒增長是需要隨時補充乳化劑的，所以乳化劑的用量增多，使得反應過程中的乳膠粒得到充分補給，最終導致形成更多的乳膠粒。所以，如果是一定數(shù)量的單體在更多的乳膠粒內(nèi)聚合，那么所產(chǎn)生的PS微球的粒徑就會隨著乳化劑的用量增加而減小。因此，采用乳液聚合法制備PS微球的粒徑是否能夠符合用途規(guī)定范圍，乳化劑的用量也是關鍵因素之一。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在反應前進行超聲震蕩，可以增強乳化的效果，有利于對聚合反應的調(diào)控。這可能是因為超聲波的空化和二級乳化效應[7]。

表2乳化劑用量對PS微球粒徑的影響

Tab.2 Effect of emulsifier dosage on particle size of PS microspheres

通過上述試驗結(jié)果可得出，在其他條件不變的情況下，采用 1g 用量的乳化劑便可制備出粒徑為50nm 左右的PS微球。

2.4 單體用量對PS微球粒徑影響

單體用量對乳化聚合的反應速率及PS微球粒徑具有重要的影響。微球粒徑隨單體用量增加而增大，粒徑分布變寬。

表3為單體用量對PS微球粒徑影響。如表3所示，隨著單體用量的增加，制備出的PS微球粒徑

表3單體用量對PS微球粒徑影響

Tab.3 Effect of monomer dosage on particle size of PS microspheres

增大。這可能是因為乳膠粒在很短暫的成核階段生成，成核階段終點處的單體轉(zhuǎn)化率很小（ 2%～ 5% ）。在此階段，大部單體貯存于單體珠滴中，故單體用量對成核影響不大，乳膠粒數(shù)目幾乎不發(fā)生變化。而在乳膠粒數(shù)目不變的前提下，單體用量增加時，乳膠粒的體積就會增大，故在乳化劑用量一定時，乳膠粒的平均粒徑隨單體用量的增加而增大，最終所得PS微球粒徑增大。因此，由表3得出，要制備出單分散性較好、且粒徑為 50nm 左右的PS微球，需使用單體的用量為 3mL 0

2.5 材料形貌表征

采用SEM和TEM對PS微球的微觀形貌進行分析。如圖3（a）和圖3（b所示，采用 0.1mol/L 的KPS，1g 的SDS和 3mL 的St配比，制備出的PS微球呈現(xiàn)出較好的球型結(jié)構(gòu)，其粒徑約為 50nm ，且粒度比較均勻，沒有明顯團聚現(xiàn)象，證明了粒徑約為50nm 的PS微球的成功合成。

2.6 材料熒光性能分析

圖4為所制備的PS微球樣品在去離子水中的UV-Vis吸收光譜。由圖4可見，在 633nm 處有1個明顯的吸收峰，因此選定 633nm 波長作為測定PS微球濃度的紫外吸收波長。由此說明，熒光染料成功包埋在了PS微球中。根據(jù)文獻報道，尼羅紅吸收峰在 578nm 及 630nm 處左右，這里只檢測到單重峰，是因為DS膠束對反離子解離度較大，頭基增多的溶劑化水促進了與尼羅紅的氫鍵作用，這雖然會降低熒光強度，但也有效促進了分子內(nèi)扭轉(zhuǎn)電荷轉(zhuǎn)移，激發(fā)態(tài)的形成，僅出現(xiàn)在 633nm 的單重熒光峰。

圖3PS微球的SEM圖和TEM圖

Fig.3SEM and TEM images of PS microspheres

圖4PS微球樣品的UV-Vis吸收譜圖Fig.4 UV-Visabsorption spectra ofPSmicrosphere samples

如圖5所示，將制備的熒光羧基化PS微球應用到橫向流動免疫層析試紙條中，并檢測3種不同濃度下的cTnI蛋白濃度。如圖5（a）所示，用肉眼觀察在3種不同質(zhì)量濃度下，T線處的色彩隨著標志物質(zhì)量濃度的升高逐漸加深。如圖5（b）所示，隨著標志物質(zhì)量濃度的升高，對應的T線處色彩強度同樣隨之升高，證明了本試驗中制備的熒光羧基化的PS微球可以用于橫向流動免疫層析試紙條中，并用于檢測心臟標志物。

圖5PS微球在試紙條的顯色圖片

Fig.5PS Color rendering picture of microsphere in test strip

3結(jié)論

綜上所述，本試驗成功制備了熒光羧基表面功能化的PS微球。以乳液聚合法制備了粒徑約為 50nm 的PS微球，其形貌呈現(xiàn)了較好的球型結(jié)構(gòu)，且粒徑均勻，無明顯團聚現(xiàn)象。通過溶脹法對制備好的PS微球進行表面羧基功能化處理，并將親脂染料尼羅紅包埋在微球中，使其具有熒光特性，表征結(jié)果表明，PS微球表面成功鏈接羧基官能團，并成功檢測到染料包埋在PS微球中。同時研究了制備PS微球時的環(huán)境因素和用料變量對PS微球粒徑的影響，試驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，PS微球粒徑逐漸減小；隨著SDS用量的增大，PS微球粒徑逐漸減小；隨著St用量的增大，PS微球粒徑也相應地增大，實現(xiàn)了對PS微球的粒徑調(diào)控。基于熒光羧基表面功能化PS微球制備得到的橫向流動層析免疫試紙條具有定量檢測和快速檢測特點。結(jié)果關于熒光羧基化PS微球的制備與其在橫向流動免疫層析試紙條的應用為臨床開發(fā)快速定量檢測設備提供了新思路。

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（編輯：畢莉明）