乳胶微珠技术概述

什么是乳胶微珠？

乳胶微珠是胶体粒度范围内的球形聚合物颗粒，由非晶态聚合物（通常为聚苯乙烯）形成。

对于直径为 100 nm 的颗粒，颗粒中聚合物链的平均分子量约为 1x10⁶g ，<对于较大的颗粒，分子量下降至约 2.4x10⁵g。聚苯乙烯链是一种线性碳氢化合物链，每两个碳原子上连接一个苯环。

芳香环控制着分子链的卷绕和缠绕方式，并主导着空间；当观察微粒表面的模型时，所能看到的只是随机堆叠的苯环，偶偶尔会有链端
伸出。

因此，表面具有极高的疏水性，可对具有疏水区域的分子种类提供强大的物理吸附。表面活性剂和蛋白分子通过简单的被动吸附牢固地粘附。

此图显示了聚苯乙烯微球的表面部分。此视图俯视硫酸基团上方的表面。请注意，苯环如何占据主导地位，并呈现明显疏水性的表面，适用于吸附蛋白等物质。 聚合物链的末端通常由带电基团组成，为我们的 UltraClean 乳胶微球提供胶体稳定性，防止它们聚集。带电末端占据了 5% 至 10% 的颗粒表面积，约 90% 的游离用于放置其他分子种类，例如乳胶凝集试验中使用的抗体。

聚苯乙烯特性

我们的 UltraClean 乳胶微球无需表面活性剂来防止聚集。清洁的表面消除了吸附和稳定性实验的不确定性。

表面活性剂的纯度标准不是很高。不同制造商的供货产品之间通常存在很大差异，并且批次间的差异也明显。这不可避免地会导致蛋白附着时行为的变化。

另一个问题是，使用表面活性剂的制造商通常不愿意告知最终用户使用了哪种表面活性剂以及乳胶分散中剩余了多少表面活性​​剂。对于非离子表面活性剂来说，部分表面活性剂可以共价接枝到颗粒表面。在这种情况下，无论是深度透析还是离子交换树脂都无法去除该物质。

建议采用无表面活性剂的系统来消除这些问题。干净、充分表征的表面将能优化您的检测。

乳胶微球以水性悬浮体中分散良好的形式提供。在没有任何特定原因（如抗体-抗原相互作用）的情况下，它们也会聚集在一起，这是因为 颗粒 之间存在范德华力。这种效应是附加的—胶体颗粒由大量原子组成，颗粒之间“感受到”吸引力的的距离可达 0.5 μm。

两个乳胶微珠之间的吸引力 此图显示了当聚合物微球接近时，分离两种颗粒所需的工作量有多大。较小颗粒之间的吸引力较小，而较大颗粒之间的吸引力较大。吸引力与粒子大小成正比。用于帮助它们分离的热能仅为 1kT ，这是来自周围环境的能量。它们显然需要一个屏障，将它们隔开。我们的 UltraClean 颗粒利用了我们在合成过程中积聚在颗粒表面的电荷。其他制造商依赖表面活性剂的非特定混合物。

两个乳胶珠之间的排斥力 我们颗粒中的静电排斥力足够强，使颗粒在与吸引力相似的距离上“感受到”排斥力。排斥力根据靠近表面的电荷产生的电势计算得出；该电势称为 ζ 电势。可以通过实验测量，也可以通过疏水颗粒的滴定电荷估算。

两个乳胶微珠之间的总相互作用 总相互作用的计算方法是简单地将吸引力与排斥力相加。当盐浓度为 1 mM 时，颗粒之间接触的屏障非常大。当盐浓度增加至 100 mM 时，屏障要低得多，但仍然足以保持稳定性。当盐浓度高达 500 mM 时，颗粒就会聚集。在这种高盐度下，离子表面活性剂无法保持稳定性，因此需要非离子表面活性剂。对于亲水性乳胶（如 CML 类别），由于从固定至表面的可溶性聚合物种类中形成的“模糊”表面层，因此存在一个额外的聚集屏障。这一层实际上是浓缩的聚合物溶液。当两层被推到一起时，局部的渗透压力增大到足以抵抗巨大的压缩。

完全相互作用和静电排斥 除了这种强大但短暂的效应外，静电排斥力始于这个“模糊”层的最外层边缘。静电起源的这种转变的最终结果是排斥力增强。这种类型的稳定属于静电稳定，非常稳健。 这种类型的相互作用在自然界中经常发现，利用它的生物系统使用蛋白表面层。牛奶中的脂肪滴是红细胞就是例子。

“模糊”层的尺寸是 pH 和盐浓度的函数。随着 pH 值的增加，层内的羧基逐渐分离，因此层会扩大。随着盐浓度的增加，电荷逐渐相互屏蔽，层逐渐收缩。但是在非常高的盐浓度下，聚合物层的溶解度会降低，并且会完全塌陷。此时会发生颗粒聚集，我们已经达到临界凝结浓度。对于亲水性乳胶，这类颗粒通常超过 1M 氯化钠，这使得这类颗粒可以在生理强度缓冲液中更容易操作。

单个聚合物微球按照斯托克斯定律沉积。这将沉积速率与颗粒和液体之间的密度差、颗粒大小、引力和液体黏度相关联。

问题在于这些问题中的任何一个都可以改变，以及颗粒的浓度。在研究聚合物微球之后，我们很快就发现，我们可以轻松地离心 1 μm 的颗粒，但离心 0.1 μm 颗粒则要困难得多。因此，我们除了认识到颗粒总是在运动之外，还必须牢记上述每个因素。

让我们依次了解以下各项：

• 聚苯乙烯的密度为 1.055 g/mL，在正常实验室温度下接近水。由于聚苯乙烯的膨胀系数非常小，温度变化不会对此产生很大影响。水会发生显著变化—如果我们在 4°C 的温度下离心，颗粒会在实验室温度下以 95% 的速度沉淀。此外，密度也是盐浓度的函数。因此，在生理浓度的 PBS 下，沉积速率可能会降低 30%。

• 粘度对温度的敏感度甚至高于密度，在 4°C 时沉积速率将进一步减慢至 25°C 时沉积速率的 54%。

• 随着颗粒变小，沉积速率变慢。例如，当我们将颗粒尺寸减小十倍，从 1 µm 到 0.1 µm 时，沉积速率就会减慢至较大颗粒值的 1%。这意味着，例如，我们不是离心 5 分钟，而是要离心约 8.5 小时！

• 与尺寸有关的另一个问题是颗粒不是静态的；由于局部密度波动，它们以随机的方式扩散。使用光学显微镜可以轻松观察到这种布朗运动。我们为什么要担心这个？这种随机运动会阻碍沉积。

• 当我们通过增加速度来增加离心机的离心力时，力会随着速度的平方而增加。下图曲线显示了简单硫酸盐聚苯乙烯微球的典型速率。

微球类型的选择取决于测试类型和您希望使用的蛋白附着的详细信息。例如，如果要使用共价耦合，则应选择 SuperActive 颗粒，并且颗粒尺寸受测试机制控制。

简单的可见性测试：需要考虑的因素包括良好的可见性、受扩散率影响的快速响应以及可用的表面积。0.3 µm 至 0.5 µm 的尺寸有利于可见性且扩散迅速。而且蛋白吸附面积相对较大。然而，除非使用高密度颗粒，否则通过离心进行清洗会很困难。由于易于清洗，尤其是在共价耦合系统中需要去除多余的材料，因此经常使用超过 1µm 的粒径。

条带或膜测试：这些颗粒需要在网络中具有高扩散流动性。因此，0.25 µm 左右的尺寸是不错的选择。

光学检测测试：浊度测定试验通常要求颗粒直径的上限接近 0.15 µm。当尺寸低于此值时，聚集会增加光散射。光散射与容积平方成正比；双色光的散射是单色光的四倍。结果是，可以在合理的固体浓度（即 0.1% 到 1% 之间）下使用小颗粒。

其他自动检测系统可围绕更大颗粒的光散射进行设计。使用 1.5 µm 到 5 µm 的颗粒，并且可以围绕单个颗粒的散射进行设计。由于尺寸如此之大，每毫升的颗粒数量在 1% 固体含量时非常小。1% 固体含量的 5 µm 颗粒每毫升有 6x10⁸  个颗粒（而 500 nm 颗粒每毫升有 6x10¹¹ 个颗粒，50 nm 颗粒每毫升有 6x10¹⁴ 个颗粒）。