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胶粘剂迁移对层析检测的影响

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选择适当的胶粘层有助于厂商改善基于膜的诊断产品的加工处理并延长该产品的效期。

用于层析诊断检测的材料有两个共同特性:多孔渗水并有相关脆性。为弥补该类材料的物理强度的不足,该类材料通常会依靠胶粘剂的作用装配到特定支架上(见图1)。以前,产品开发者用过几乎所有种类的胶粘剂来装配这些物质,包括热固性胶粘剂。

现在,随着胶粘剂技术的发展,一系列适用于层析检测应用领域的胶粘剂已被制造出来。通过选择一种能将应用于层析检测条的多孔物质有效结合起来的胶粘剂,产品开发者可确保该产品在整个效期内都能得到正确的结果。

图1 Diagram of a typical lateral-flow assay showing the location of adhesive layer used to bond porous membrane materials to a supporting substrate.

在大多数层析应用领域里,多数产品开发者指定使用压敏胶(PSAS)(全称压力敏感型胶粘剂),该胶粘剂在产品的设计、加工或使用过程中不会出现相应的复杂化现象。通过使用一种适当的胶粘模式,证明使用压敏胶(PSAS)是一种可将层析检测条各组分粘合在一起的可靠的方法。

图1:层析检测条的典型结构,显示粘合层的位置,该粘合层将各多孔物质粘合于特定支架上。

在典型的层析应用中,各组分物质的粘合是通过胶粘剂渗透到多孔物质里的过程完成的,从而将所有组分连接在一起。这种胶粘剂在正常条件下的迁移过程被称为冷流。因为在压敏胶(PSA)渗透进入到层析测试条其他组分的过程中没有提供热量,所以一定程度的冷流作用是各物质连结形成的基本。然而,不足或是过度冷流作用的胶粘剂也会给该类诊断产品的开发者提出挑战。

为确保层析产品的正确生产和性能,产品开发者就必须研究使用什么类型的胶粘剂,并选择一种能很好地兼顾粘合强度和迁移程度两种特性的最佳胶粘剂。当产品开发者通过研究,检测,并允许一定程度胶粘剂迁移的影响时,由胶粘剂迁移造成的影响通常已被最小化。

表I:本文所描述的用于研究的胶粘剂的硬度和冷流特性

胶粘剂

相对硬度

冷流倾向

RHA

RHB

中等

中等

RHC

迁移影响的范围

如果胶粘剂使用前未经审查,过多的胶粘剂迁移会影响层析检测中的许多组分。如果冷流程度太低,会造成粘合力太低以致产品各组分无法充分粘结的结果。因此,为获得高的粘合力,产品开发者必须探寻一种能够提供高程度冷流的胶粘剂。

表 II. 本文所描述的用于研究的多孔基础物质的特性

级别/型号

成分

厚度 (µm)

孔径 (µm)

迁移速度(sec)

GFD

玻璃纤维

675

6

70

F075-14

聚乙烯醇/玻璃纤维

380

20

40

3MM

纤维素

335

4

640

PuraBindAS

硝酸纤维素

125

3

50

PuraBind AF

硝酸纤维素

125

5

37

PuraBindAR

硝酸纤维素

125

8

27

另一方面,太高的冷流程度会造成孔隙堵塞、局部疏水及产品复溶问题的现象,这些现象也会干扰产品的性能。这些现象主要是由于产品各组分粘合好后胶粘剂迁移渗透到多孔物质里而引起的,尤其是在长效期的储存过程中。

在许多情况下,与冷流相关的问题可以通过使用direct-cast膜来解决。例如,这类膜可通过背衬塑料薄膜阻止胶粘剂进入膜孔,从而消除产品储存期间的胶粘剂垂直渗透作用。然而,有些情况下,由于有背衬和无背衬的膜在产品加工或性能特性方面存在巨大差异,使产品开发者在这种情况下必须使用无背衬的膜。

甚至在direct-cast膜的使用时,过度的胶粘剂迁移也会妨碍产品其他组分的自身功能,这些组分包括样品垫、胶连结合物垫和吸水纸。例如,当样品垫在产品检测中被用来控制加样量时,胶粘剂迁移渗透进入样品垫能影响总的有效样品量。

相同的,当一种产品检测时包含过滤步骤时(如一些产品的检测需要全血分离处理),胶粘剂的迁移会一定程度封闭膜的过滤作用,使产品检测时只产生少量的有效样品。

胶粘剂迁移也会发生在一些特定的产品中,该产品的膜上附有一层起保护层作用的塑料薄膜——这是一种越来越广泛使用的产品模式。当胶粘剂垂直渗透迁移发生在有背衬膜产品时,它所造成的影响要比同样发生在无背衬膜产品上的影响更显著。过度的胶粘剂迁移会阻碍可视化检测线的加强,导致该检测线的强度明显降低。

开发基于膜的定量检测产品的厂商也会碰到同样涉及冷流现象的问题。胶粘剂迁移堵塞特定材料的多孔结构,使该材料的床体积下降,因而影响检测的标度。现在通用的定量检测器械是通过光学方法(反射或传送)进行读数的。

任何一种情况下,部分阻塞的膜能改变通过捕获区带的标本和胶连结合物的量,从而改变产品检测的灵敏度。胶粘剂迁移堵塞部分膜结构也会改变材料有效的光吸收或光反射,从而影响检测的读数。

类似的影响也会发生在基于磁性粒子的检测系统,该系统是基于结合到捕获区的胶连结合物总数进行检测的。如果捕获区带的有效区域被胶粘剂迁移所堵塞,检测结果读数会相应下降。此外,在产品储存过程中,这种读数结果会随着胶粘剂的不断迁移而进一步恶化,所以,随着时间的变化,同样浓度的样品会导致不同的读数结果。

不考虑定量的检测方法,检测膜上局部疏水位点的存在能很大程度影响产品的检测。膜上不能浸湿的斑块会导致检测结果的变化,尤其是当这些疏水斑块有规律地存在于捕获区域内。

胶粘剂迁移的研究

通过相关硬度等级将压敏胶分类。高硬度的压敏胶具有低冷流程度和低原始粘合力的特点。低硬度的压敏胶具有高冷流程度和较高原始粘合力的特点。

生产3种不同硬度的胶粘剂(见表I),用于研究不同胶粘剂在层析材料上的影响。在调查研究中,每种胶粘剂在塑料支撑板上涂上一层23um的薄层,该塑料支撑板是典型的诊断产品用薄片材料。这类薄片材料还包括一系列孔径的硝酸纤维素膜,纤维素膜,以及玻璃纤维产品(见表II)。

这些诊断用材料在20kPa的恒压下进行粘合层压并封存在铝箔袋中。装好的铝箔袋保存在恒温室(20°C)中或者存于恒温培养箱(37°C)中。在调查研究中,每隔一定时间取相应样品进行性能检测。

使用层析免疫测定来评定不同形式胶粘剂的影响。通过测定去离子水经过一段特定距离(7.5 cm的玻璃纤维和纤维素膜;2 cm的硝酸纤维素膜)的时间来评定水平移动的速度。

使用一种典型的层析检测模式(单克隆抗-ßhCG抗体捕获和胶连,用于结合尿液中的HCG),检测硝酸纤维素膜的性能,蛋白质的应用,捕获线的强度,以及疏水斑块。所有的检测都用两种独立的物料重复检测10次。

这些薄片状材料也同时用电镜扫描(SEM)进行分析。对于这些检查,这些薄片状材料的横截面被切出用于粘合层厚度的测量。

研究结果

图2 不同类型胶粘剂对PuraBind膜的水平迁移的影响。

以无薄板材料支撑的膜的迁移检测的结果为对照,该研究的结果显示,所有层压在胶粘板上的材料的水平迁移速度会随时间的延续而增强(见表III)。增强的程度取决于用来粘合各材料的胶粘剂的硬度。以下是该检测结果的概要:迁移时间,疏水斑块的检查,捕获线的强度以及胶粘剂迁移渗透的深度。


迁移时间:测量标本在待检试样上迁移过特定距离所需的时间,所有这些待检试样都在37°C下储存3个月(见表2)。在这些研究中,使用硝酸纤维素膜的试样对迁移时间的影响最显著。对于8um孔径的硝酸纤维素膜,使用硬度最小的胶粘剂(RHC)粘合时,标本迁移过2cm该膜所需的时间约比不使用胶粘剂的膜增加45%;使用中等硬度的胶粘剂(RHB)粘合时,迁移所需时间增加14%;而当使用最大硬度的胶粘剂(RHA)粘合时,迁移所需时间仅增加6%。

类似的影响也发生在本研究所评估的其他薄片状膜上。在所有情况下,使用硬度最小的胶粘剂(RHC)会导致迁移时间显著拉长。

图3、 37°C储存3个月后,PuraBind膜上所显示的疏水斑块的数量

对于薄片状纤维素膜(3mm),37°C储存3个月后进行检测,其迁移时间无明显变化。在该组样品中,使用最大硬度胶粘剂(RHA)或中等硬度胶粘剂(RHB),各自迁移时间均无显著增强;使用RHC胶粘剂粘合时,其水平层析迁移时间仅增加5%。

对于玻璃纤维膜,该检测性能(迁移时间)则表现为中等水平的影响。在该组试样中,使用RHC胶粘剂粘合时,其迁移时间的增加是显著的(GFD膜增加20%;F075-174膜增加27%)。

疏水斑块:在层析检测过程中,使用者偶尔会发现没完全浸湿的小斑块。这种现象通常是由于液体层析过膜的不均匀性产生的,这种不均匀性可能是由于膜孔堵塞或是膜疏水性增强造成的。

典型的防止疏水斑块现象出现的方法是在捕获区包被完后对膜进行封闭。在研究中,同时也保留没有封闭处理的膜作为对照。每种膜各切20条5 x 25-mm的条作为评估检测用,检测后计算疏水斑块的数量(见图3,表4)。

对照试样和使用最大硬度胶粘剂(RHA)粘合的膜所产生的疏水斑块最少;用RHB胶粘剂粘合的膜所产生的疏水斑块的数量稍微增加;而使用最小硬度胶粘剂(RHC)粘合的膜所产生的疏水斑块的数量最多。这些粘合的膜的疏水性能在储存过程中还会继续改变。

捕获线强度:在研究中,捕获线强度作为该检测模式的性能标准,与用于粘合各产品组分的胶粘剂的类型直接相关。用最大硬度胶粘剂(RHA)粘合的模式没有捕获线的问题;而用最小硬度胶粘剂(RHC)粘合的模式,则出现捕获线不均匀和斑块状的现象。检测加样后,这些膜也会出现局部的浸湿不完全的现象,并在一些情况下,会出现没浸湿的白色斑块。

迁移的深度:这些准备好的试样在37°C储存一个月后,对它们进行电镜扫描(SEM)分析,用于评价胶粘剂迁移的程度(见图4-6和表V)。在所有试样里,胶粘剂的原始包被厚度为23µm.

电镜扫描(SEM)结果显示,在一个月的储存过程中,所有试样的胶粘剂粘合层的深度都随之增加。虽然,最初假定胶粘剂的迁移程度将通过胶粘剂移动的模型进行确定,但是,电镜扫描(SEM)结果显示,胶粘剂迁移的程度主要不是依赖其底层基质或自身特性的。

相反的,胶粘剂的迁移程度主要是取决于研究中的胶粘剂的自然属性。最大硬度的胶粘剂(RHA)显示最小的迁移性,胶粘剂粘合层的深度平均为23到25um.胶粘剂渗透的深度会随着硬度的减小而增加,用RHB胶粘剂的粘合层深度大约增加到30um,用RHC胶粘剂的粘合层深度大约增加到45um.

研究结果显示

该研究的结果显示,当产品开发者使用相关硬度太低的胶粘剂时,多孔材料会受冷流影响。而当胶粘剂的相关硬度增加后,迁移渗透的程度会降低。

相同的,该结果显示,胶粘剂的最大程度的渗透会造成大量相关的影响。例如,最小硬度的胶粘剂(RHC)不仅有最大的渗透程度,而且会造成标本迁移时间的显著提高并产生大量的疏水斑块。

表 IV. 不同类型胶粘剂粘合的膜的疏水斑块数量

胶粘剂

20条的疏水斑块数

胶粘剂

20条的疏水斑块数

AS

None

3

AF

RHB

8

AS

RHA

4

AF

RHC

21

AS

RHB

6

AR

None

4

AS

RHC

25

AR

RHA

3

AF

None

2

AR

RHB

7

AF

RHA

4

AR

RHC

19

胶粘剂迁移的最大的实时影响是:造成水平迁移时间的增加,疏水斑块的出现和增多,以及膜内床体积的降低。对于第三种情况,膜材料的变薄会使所有的


表 V. 所有试样储存在20°C和37°C两种情况下,胶粘剂层厚度的变化的SEM分析

影响变得很显著(如,在研究中,硝酸纤维素膜的受影响程度要比纤维素或各等级的玻璃纤维显著)。

虽然膜和胶连结合垫是决定层析检测产品性能的最关键组分(其中一个组分该文已做研究),但是也必须注意发生在各种情况下的胶粘剂迁移现象。1,2胶粘剂也可能向制品切割的边沿迁移,导致与其他物质的接触和粘连。

当检测用试样储存在较高温度时,选择不适当胶粘剂所产生的影响会相应快速地出现(大约1个月)。然而,在实时(通常)环境下,这些影响发生的时间会更长,并且有些特定影响会比其他影响更容易发生。对于使用RHC胶粘剂的产品,在20°C条件下,迁移时间和局部疏水的影响大约会在5个月后出现,而使用RHB胶粘剂的产品,该影响发生的时间会更长。

重要的,对于层析检测产品,该研究所述的影响一般都会发生在产品合理的效期之内。多数层析检测产品的效期都要超过12个月。但这将产生各种问题,过度的胶粘剂迁移将很可能在这段时间内显示它的影响。

这种迁移也会对半定量或定量检测产生很大的影响。在定性检测中,膜床内体积的改变和标本迁移速度的改变所产生的影响可能是有限的。但是,在定量检测中,任何膜床内体积的改变都会改变通过捕获区的标本的数量,从而影响检测结果的标定;任何迁移速度的改变都会直接影响该检测的灵敏度。显然,新一代定量层析检测产品开发者都必须注意这些问题。

结论

产品开发者在设计一种层析检测产品时需考虑到方方面面的问题。3他们不但需要选择能根本上提供检测诊断信息的胶连结合物和反应物,还需要选择能产生化学作用的基础材料和其他组分。任何有必要的时候,产品开发者都必须设计检测方案,以确保检测产品中所有组分能彼此协调一致,并使生产可行性、稳定性、可靠性等因素得到最优化。

通过研究诊断检测中所选择的胶粘剂的相关硬度,开发者应该能预知胶粘剂与其他基础材料粘合的方式。有了这些信息,产品开发者就能选择一种合适胶粘剂,这种胶粘剂能提供产品所需的粘合力,且不会发生过度的迁移或相关的影响。

选择一种合适胶粘剂能显著提高诊断检测产品的效期。加速破坏实验能提供产品各组分在长周期中的兼容性和功能等有用的信息。然而,为稳固地确定一个特定层析产品的效期,开发者必须进行充分的效期测试。该研究显示,这种效期测试中还必须包括与胶粘剂迁移相关的各种影响的检测。

参考资料

1、 Kevin D. Jones, "Troubleshooting Protein Binding in Nitrocellulose Membranes, Part 1: Principles," IVD Technology 5, no. 2 (1999): 32–41.

2、 Kevin D. Jones, "Troubleshooting Protein Binding in Nitrocellulose Membranes, Part 2: Common Problems," IVD Technology 5, no. 3 (1999): 26–35.

3、 Alan Weiss, "Concurrent Engineering for Lateral-Flow Diagnostics," IVD Technology 5, no. 7 (1999): 48–57.

作者简介:Kevin D. Jones ,诊断技术经理;Anne K. Hopkins, Whatman国际(Maidstone, Kent, UK)的主要技术工程师。这篇文章源于由《IVD技术》赞助的美国临床化学协会栎山会议(美国波士顿,2000年5月)论文集。

声明:本文为丁香园论坛组织翻译,原文著作权归IVDT网站所有,译文著作权归丁香园网站和译者所有,引用转载请注明来自丁香园。

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