亲水性粘合剂对样品流速的影响

在以膜为基础的体外诊断试剂中，亲水性粘合剂能够提高测试性能，同时也能维持生产效率。

William G. Meathrel, 博士，医药研发团队负责人；Herbert M. Hand Sr. ，医药产品研发科学家；Li-Hung Su医药产品研发化学家，他们都是胶粘剂研发中心（Glen Rock, PA）的成员。作者特别感谢David Schaefer和Towson大学（Towson, MD）的物理、天文、地球系给予的技术支持--亲水性胶粘剂处理后的原子能显微成像。

侧向层析检测试剂条常被用在临床和其它应用中，这种方法可以既方便又简单地分析出一些重要的化学物质。这种条带式体外诊断方法经常被用来检测一些分析物，如营养素，激素类，治疗药物，滥用的药物，环境污染。

在临床试验方法中，生物学液体如：全血、血浆、血清、鼻分泌物、痰、唾液、尿、汗、皮肤渗出物或脑脊髓等特殊部位被分析，这对于诊断监控是很重要的。

另外，微生物悬浮液及组织均匀地混合在一起，形成稳定适合地溶液，用来分析特殊部位。通常情况下，将样本滴在合适的体外诊断试试纸条的入口孔，并且，样本通过真空装置或者通过毛细管流等物理的方法被带到装置里。

在含水的生物性液体中，如血液、尿、痰中，强烈的分子间吸引力形成了强大的表面张力。通过比较，固体基板的表面能常常使得体外诊断试剂的速度变得很慢。为了达到测流和液体的芯吸，最好是在没有任何机械辅助的情况下克服生物样本和固体基板之间的表面能。

有两种处理方法可以用于提高样本通过诊断试剂的流速。第一，用各种的表面活性剂来增加基板的表面能量。第二，减少生物样本的表面张力。

这篇文章提供了用于体外诊断试剂的亲水涂料和粘合剂的结构。亲水结构减少生物样本的表面张力，因此增强了样本的测流速度和标本的芯吸效果。

图1、典型侧向层析诊断装置示意图

胶粘剂是由松脂和表面活性剂的聚合物配制而成的，可以提供多功能的绑定性质。亲水粘合剂是通过热绑定或者是压敏法配制而成的。 表面的亲水性通过改变化学组成，结构，浓度，还有改变粘胶涂层中表面活性剂的量而控制。

样本液体的流速

典型的侧向层析装置是有一个入口孔以接受生物标本（图1），样本进样口可能接近配对垫，配对垫中拥有特殊的反应试剂。当样本从进样口流过试剂反应区，便会产生特殊的化学反应物或复合形成物。

图2、在柱面或槽中的毛细上升现象

反应产物或者络合物继续流过包被有分析物的检测区。样本继续流动并全部收集到吸附垫上。用于支撑所有组件的带有粘胶的PVC板在侧向层析装置中，是典型的装置。这些组件中有金标物的暂存区，包被有专一单抗的微孔膜，用以增加毛细吸附力的吸附板。

测定特殊分析物所需要的时间取决于样本的流速和分析物与抗体反应的速率。样本的流速是由通过微孔膜的毛细流控制的

控制表面张力来影响流速

液体的表面张力是一种液表面自身阻碍该表面延伸的能量。表面能是用来增湿表面的能。为了达到适宜的芯吸，湿润，扩散效果，液体的表面张力必须减小，以便拥有比湿润的表面能少的能量。

生物样本液体流经诊断设备通道时的芯吸作用产生了毛细管流。毛细管流是由液体分子间的内聚力的作用和液体与通道壁之间的吸附力共同作用完成的（见图2）。

拉普拉斯方程 Laplace’s equation表明液体在槽内或圆柱内上升，直到液体的重力和推动它通过通道的压力之间的压差平衡，如下：7

如果重力用g表示，毛细上升的高度用h表示，液体的密度用r表示，那么液体在圆筒中的重力就是pr2ghr,或者是不同于ghr的每单位面积平衡的压力，因此

或

如果要增大通过膜的芯吸作用，就要减小半径r 和接触角q,这样液体表面张力g应该增大。

湿润是是液体和固体之间接触的吸附。8

图3显示的是一个小水滴置于光滑均匀的固体表面。这种现象的理论解释可以用杨氏方程9表示如下：

gSV = gSL + gLV cosq

该图描述了接触角q与液体表面张力gLV 和固相gSV之间的关系。

图3、液体在光滑、平整的表面的湿润现象

在图3 中， 通过水滴做水滴与固体平面的接触点作水滴的切线，该切线与固体平面的夹角称接触角q， 液体的表面张力用gLV表示，固体的表面张力用gSV表示gSL表示液-固间的界面张力。

当液体和固体间的接触角q接近0°时，液体在固体表面完全铺平。为了增大湿润性，液体的表面张力必须小于或等于固体的表面张力。这是固体的临界湿润张力

变湿的自发过程可以由杜培方程式中的粘附功，内聚功表示如下

WA – WC = gSV + gLV – gSL – 2gLV = gSV – (gLV + gSL)

在这个方程式中WA表示粘附功， WC表示内聚功。在公式中可以看到，如果固-液界面间的分离功大于液体内的分离功，液体便会自发的平铺在 固体表面。

因此，杜培方程式也可以进一步表示为由Harkins所确定的以铺展系数表示的方程式。如下：10

S = WA – WC = gSV – (gLV + gSL)

液-固间的界面张力gSL 与gLV相关性的变小时，初始铺展系数就会变为

S = gSV – gLV

铺展是液体在通过固体表面时产生的运动现象。接触角是湿润性的量度标准。随着接触角角度的增加，铺展也会增加直到完全湿润。

因此，当S大于0 时铺展便会自然地产生了，这也表明固体地表面张力一定大于液体的表面张力，如以上方程式所表示。从这个初始铺展系数方程式中可以归结为，湿润性可以通过增大固体的表面张力或减小液体的表面张力来增加。

对固相的表面处理

增加固体表面能的表面处理包括物理方法和化学方法。用于增加表面能的物理处理方法包括电晕放电，机械磨损，火焰，等离子体处理。 11化学处理方法包括净化，上底层油，涂层，浸蚀。

电晕放电在塑料制品的表面处理是用的最多的技术。在处理过程中，塑料制品的表面在高能辐射下接受氧自由基的轰击。塑料制品的表面的电质体和化学结构必然发生了改变。当然，这个结果也提高了塑料制品的湿润性。

另一个常用的方法是湿化学处理。这种处理方法可以通过浸泡在铬酸和磺酸的混合酸中以解决塑料表面的氧化部分。16

电晕放电处理和铬酸处理的效果

为了说明电晕放电和铬酸对固体基底表面底处理效果，对用这些技术处理的六种工业塑料进行了一项研究用。电晕放电处理是将每一个塑料板的表面暴露在频率约有500kHz，电压为10000-50000v的放电电场中约5 秒钟。铬酸处理方法要求塑料板的表面用铬酸冲洗15秒钟，然后用蒸馏水冲洗干净。 再用异丙醇冲洗表面，然后擦干。以上每一种方法中，在处理完材料后应立即测量接触角。

图4、接触角表面处理的影响 测量水在未处理和处理过的样本材料上的接触角。

电晕放电处理和铬酸处理都可以提高材料表面的润湿性 (见图4) 。水的接触角的降低表明处理材料的表面能的增加，这样将会增加材料对生物流体的润湿性。

铬酸对含有一些聚碳酸酯，聚酯等功能团的塑料材料有很强的作用效果。而电晕放电处理可以增加含有聚烯烃(聚丙稀，高密度聚乙烯)的材料的表面能。电晕放电处理方法可以通过定向表面电荷或通过在材料表面引介氧来提高水的接触角。

每一种方法都将会增加塑料板的极性并且借此增加它的表面张力。当然了，由于减小固体塑料和水之间的的表面张力gSV和 gLV 接触角将会变小。电晕放电方法的缺点就是它的不稳定性。对电晕放电处理后的基底材料需立即涂上一层物质。

表I：所选的表面活性剂的物理性质 

胶粘剂中的表面活性剂

表面活性剂用来降低液体的表面张力是众所周知的17–19.许多种阴离子和非离子型表面活性剂能用来降低房水的表面能（见表I）。

为了测定特性需要一种既有绑定又有亲水属性的粘合剂，为了了解用于制造胶粘剂的高分子材料和树脂之间的内部关系，进行了一些大量的有价值的研究。描述如下，研究表明利用表面活性剂在涂料和胶粘剂中是为了加强它们的增湿润性。流体的流率，和粘连性。每一种表面活性剂以不同的浓度按配比配制成粘连剂的基础物质。检测水的接触角是为了确定表面活性剂在减小水的表面张力的作用。

这项研究导致了专利技术的发展，这些技术迎满足了亲水性胶粘剂的需求 ，这些亲水性胶粘剂可以减少流体表面张力和提高在诊断试剂中的流率。

亲水性胶粘剂的制备

亲水涂料 热封口和压合胶粘剂在实验室中制备过。多聚树脂在有机溶剂中溶解，并且随后测量混合物的固体凝固性和粘滞性，其性能都超过了几个小时。

表面活性剂被介绍用于溶解有树脂的高聚合物的混合溶液。轻轻地搅拌几分钟，这样能充分地混匀溶液。 亲水性的压感成分的准备是通过将表面活性剂加入到丙烯酸胶粘溶液和乳胶中配制而成，且胶乳随后要缓慢的搅拌混合直到分散或者溶解。

胶片的准备

在实验室中，亲水胶片是通过使用涂料设备来准备的。干包衣法的涂层有近似0.0005到0.001的厚度。亲水粘合剂涂料由一层低表面能的释放装置的膜保护着。

各种表面活性剂对水的接触角的作用效果

各种表面活性剂按配方制成压合胶粘剂胶乳。用去离子水测量这些亲水涂料的表面润湿性。利用泡滴法测量水流体在亲水薄膜表面的接触角。

一项对HY-5和HY-10这两种亲水热封胶粘剂表面润湿性的进一步研究展开了。这两种物质是用聚酯型树脂和阴离子表面活性剂壬基酚硫酸钠、SDS分别组成的。

结果 当增加表面活性剂的浓度，大部分的样本显示出降低接触角的相同趋势（如图5）。

在这个试验中，壬基酚醚硫酸钠显示出在三种表面活性剂浓度下能最有效的降低水的表面张力。在一项表面活性剂的评估中，壬基酚醚硫酸钠在阴离子表面

图5、接触角的表面活化剂的影响 活性中拥有最大的分子质量。低分子量的阴离子表面活性剂能在胶粘的基板上很好的溶解，所以在水和胶粘基板之间就会有较下浓度的表面活性剂。

非离子型表面活性剂乙氧基壬基酚对去离子水的接触角几乎没有什么作用。这或许是因为它的高分子质量和相对于阴离子表面活性剂的亲水基来说它拥有较低的亲水基团。另外，壬基酚基团使得它增加了对聚合物表面的吸附性。

PMHS 同样是一种非离子型表面活性剂 ，相对于乙氧基壬基酚来说它可以减小水在胶粘表面的接触角。PMHS 拥有一个硅氧烷聚合物的主链，而不是有低表面能的烃链。另外，PMHS拥有比乙氧基壬基酚还低的分子质量，乙氧基壬基酚可以增加它在胶粘的基板上的游离性。

线性结构的月桂磺酸钠会提高它在胶粘剂中的溶解度，所以它对胶粘剂表面的作用就会小于2－乙基己基磺酸钠的作用。

表面活性剂的不同浓度对准备用于聚合树脂的涂料的表面润湿性的影响见图6.

聚酰胺，乙烯醋酸乙烯共聚物，聚酯型树脂是由丁二酸二异辛酯磺酸钠按配方配制的。因为多聚树脂具有疏水性，所以涂料中在没有表面活性剂的情况下，接触角是大的。通过增加表面活性剂的浓度，会观察到表面会变得更加具有亲水性，水的接触角变小，这表明增加表面活性剂的浓度会显著提高表面的润湿性。在高浓度的表面活性剂作用下，湿润性效果的增加或是减弱取决于表面活性剂及其与聚合物基质的配伍性。

图6、亲水性热米粉系统中湿接触角表面活化剂浓度图

水在HY-5和HY-10型涂料表面的延伸性如下。当液滴接触膜表面的时候，最初会有一个很快的延伸速度。接触角会很快地减少到小于10º。在30秒到1分钟内达到平衡。这种延伸性是亲水涂料，热封胶粘剂和压合胶粘剂地典型代表。

通过微流控通道的流率

我们设计了一些实验，来测量在通过微流控通道时亲水涂料和胶粘剂对蒸馏水的流率的影响。下列的筛查是针对不同型表面活性剂对接触角的影响，其中影响最大的表面活性剂用来配制胶粘带，胶粘带被用来做微流设备的盖子。在这一组实验中，一种亲水的压合胶粘剂由一系列浓度0至6%的壬基酚醚硫酸钠配制而成。

图7、用亲水性胶带组成的微流体介质检测方法示意图

微流通道被做成聚苯乙烯设备，体积20 cm x 10 µm x 30 µm，亲水带用于靠近通道，以产生微流装置。蒸馏水从一端滴进并将水通过通道的时间记录下来。

结果 当胶粘剂中没有表面活性剂时，水就不会通过通道。然而，随着表面活性剂浓度的增加，水通过微流通道的速率就会增加，因为他们之间的接触角变小了。

水流率的增加是因为减小了水的表面张力，这和毛细上升的原理是一致的。当水的表面张力接近毛细材料的表面张力时，水会前进的更远，毛细材料是由亲水的胶粘盖所决定的。然而，当表面活性剂的浓度超过4％时，流率就会停止增长，因为它的浓度超过了临界水平。此外，在胶粘剂表面的多余的表面活性剂不仅不会减小流体的表面张力，而且有可能会增强。20

红外分析

为了研究在亲水涂料中表面活性剂的分布和活度，用衰减全反射-红外线光谱方法来完成亲水涂料中的表面化学分析。含有dioctylulfo succinate 钠盐的热封胶粘剂的FTIR-ATR光谱已经记录下来。

结果 最初，琥珀酸二辛酯磺酸钠(sodium dioctyl sulfo-succinate，DOS)的吸收峰在光谱的指印区被检测到。然后冲洗并干燥HY-10膜的表面，另一个冲洗的表面的光谱接近最初的测量值。 methyl stretch 在2967 cm–1和 S-O vibration在 1047–1049 cm–1 处的消失证明了表面活性剂的丢失，这就是冲洗这个步骤的结果。

图8、亲水性涂料HY-10的FTIR光吸收谱(C-H 范围为从 2980 cm–1 到2840 cm–1)

图9、HY-10的FTIR光吸收谱(S-O 范围为从1065 cm–1 到1025 cm–1)

涂层的红外光谱表明了表层上的表面活性剂浓度有所增加。在ATR机2958 cm–1 处的吸收峰表明CH3基团的C-H链在亲水粘胶的表面活性剂上，并且这个吸收峰用于监测表面活性剂在表面的积聚。C-H的吸收度曲线作为表面活性剂浓度的标志，在0%、1%、5%和10% 显示了一个扁平曲线的结果，这是由于表面活性剂在表面达到饱和而引起的（见图11）。

图10、HY-10的红外光谱（C-H范围为3000 cm–1 to 2800 cm–1）

图11、在亲水性涂料HY-10中木精表面活化剂浓度的吸收

在原子力显微镜下的表面形貌

涂层的表面形貌已经用原子力显微镜观察过了。亲水带包埋在1-cm-diam 的金属线上并且通过轻敲扫描模式记录图象。 轻敲扫描模式成像比直接接触成像模式有更多的优点。在直接接触模式里占据优势的侧流力的成像是被删除了的。另外，轻敲扫描模式对敏感样品的成像没有破坏性。最重要地一点是，相位显像能通过利用轻巧扫描模式另外给出关于样品表面的胶粘性和化学性的信息。 22

所有的样本最初在空气中扫描。亲水涂层HY-10 用蒸馏水冲洗10秒，然后用擦镜纸擦干。样本干燥过夜并于第二天早上测量。

(a) (b) (c)

图12、不同比例表面活化剂SDS配方的亲水性涂料的原子能显微成像

所含SDS比例分别为：a、0%；b、5%；c、10%

结果 原子力显微图象显示出了通过增加表面活性剂的量，使得在膜和空气交界处膜的表面积增大，这个图象被介绍用于胶粘剂公式。 不含有表面活性剂的涂层的原子力图象是一个相对平滑的表面(见图12a)。当在胶粘剂涂层中掺入1%的表面活性剂时，涂层的表面会观察到有隆起特征的膜表面。加入5%表面活性剂的表面形貌会增加(见图12b)。而当表面活性剂的量增加到10%时，因为达到饱和度的原因，膜表面会出现较平滑现象(见图12c)。

表面峰的高度和接触角的比照作为表面活性剂浓度的函数显示在图13中，在涂层表面不含有表面活性剂时，图象是平滑的，几乎没有什么地势。在附加料浓度为0%时，及表面活性剂浓度为0%时，膜表面上水的接触角为70–80°，这表明表面是疏水性的。当增加胶粘剂成分中表面活性剂的浓度时，可以观察到表面变得崎岖不平。当有1%浓度的表面活性剂时，横断层面的的高度从0nm增加到大约5nm.横断层面的的分析显示车表面特征的积累，这与附加料的增加是相关联的。随着表面活性剂的增加，表面湿润性得到了改善且接触角以一个非线性形式减小，直到浓度达到5%和10%表面总湿润性完成。

图13、不同表面性质对表面活性剂的影响

为了观察10%浓度表面活性剂对表面地貌的作用效果，记录下了用水冲洗前和冲洗后含有10%表面活性剂的亲水涂层的原子力显微镜图象。图象显示没有用水冲洗的含有表面活性剂的亲水涂层的表面地貌集中在表面。用蒸馏水冲洗过的涂层，表面活性剂溶解并且被从表面冲洗掉，只剩下一个更加粗糙的图象。

亲水性

体外诊断试剂制造商在提到产品中所使用的粘合剂时，总是要求粘合剂要具有很高的性能、良好的可湿性和优良的耐受性。对于以上要求，粘合剂制造商必须加以平衡和控制，以生产出易于加工的亲水性粘合剂。

但是，在选择用于体外诊断试剂的粘合剂时，必须考虑以下因素：被粘和的各种部件及其表面能、利用毛细作用泳动的液体种类及其表面张力、各种试剂的化学性质、粘合剂与各种部件的相容性、产品的使用条件、产品的保质期及包装。

在侧流检测试剂条所使用的膜制品是疏水性聚合物，具有较小的表面能，因此它们与生物的各种体液不相容。为了克服这些膜制品表面能低的问题，人们常常通过加入一些表面活性剂来提高它们的可湿性和毛细泳动能力。但是，加入这些表面活性剂后可能会降低蛋白质与膜制品之间的附着力，这些蛋白质对于诊断试剂条的功能起着至关重要的作用。另外，加入的表面活性剂会使反应的条带发生广泛的扩散，从而降低诊断试剂条的灵敏度。

将表面活性剂与聚合树脂混合后包被于膜制品的表面可以提高生物体液在诊断试剂条上的毛细泳动速度。采用这种结构将各部分粘接在一起的诊断产品利用这种结构所提供的亲水表面可以降低生物体液的表面张力。表面张力降低后，液体可以较快的从诊断产品的加样区到达反应区，从而缩短检测时间。液体扩散效率的提高可以减少样品的用量，从而为产品的设计提供更大的空间，为标本取样提供更多的途径以减轻病人的痛苦。通过提供一个良好的毛细泳动表面，可以扩大样品区与反应区的距离，最终降低了诊断产品上各种化学试剂之间相互干扰的机会。所有这些优点可以提高生产制造的效率、降低生产成本。

亲水包被物和压敏、热封粘合剂可被用于诸如毛细流、侧流、微流和电泳等体外诊断产品。

结论

专利技术的发展使得亲水涂料、熔封盒压感胶粘剂能够按比例配制出，以提供能增强流体的湿润性和扩展的绑定表面，可以用到体外诊断试剂装置中。胶粘剂和表面活性添加剂的选择和其浓度对诊断试剂的性能起着关键性的作用。

实验结果证明了粘胶带结构的亲水性能能够用于体外诊断试剂装置。然而，为了确保相容性，不同的聚合物系统要选择正确的表面活性剂。在选择最佳的亲水性胶粘剂的结构时，表面活性剂的性质如，分子质量，带电类型和化学构造必须考虑到。

亲水涂料中添加表面活性剂已经被证明可以提高在体外诊断试剂装置中的芯吸效果和增大流体的流速。胶粘剂和表面活性剂的性质被选来与诊断试剂装置和它的化学试剂相一致。任何一种应用，条带的结构的合适性必须由诊断试剂的制造商来决定。

参考文献

1、 SM Rosen, "Biomarkers of Chemical Exposure: A New Frontier in Clinical Chemistry," IVD Technology 2, no. 3 (1996): 22.

2、 RA Esposito et al.， "The Role of the Activated Clotting Time in Heparin Administration and Neutralization for Cardiopulmonary Bypass," Journal of Thoracic and Cardiac Surgery 85 (1983): 174–185.

3、 CA McDonald et al.， "A Rapid One-Step Colored Particle Lateral-Flow Immunoassay for the Detection of Group 1 Streptococcal Antigen Extracted Directly from Throat Swabs," in Proceedings of the 93rd General Meeting of the American Society of Microbiology (Washington, DC: American Society of Microbiology, 1993)， 507.

4、 C Huang and E Fan, "One-Step Immunochromatographic Device and Method of Use," U.S. Pat. 5,712,172.

5、 A Pronovost and J Pawlak, "One-Step Urine Creatine Assays," U.S. Pat. 5,804,452.

6、 N Vallespi i Salvado, VV Shah, and DA Werkems, "Surfactants in Pressure-Sensitive Adhesives," Surface Coatings International 4 (1999): 181–185.

7、 Walter J Moore, Physical Chemistry, 3rd ed. (New York: Prentice-Hall, 1962)， 730.

8、 WA Zisman, "Influence of Constitution on Adhesion," Handbook of Adhesives, 2nd ed.， ed. Irving Skeit (New York: Van Nostrand Reinhold, 1977)， 33–64.

9、 T Young, Philosophical Transactions of The Royal Society 95 (1805): 65.

10、 WD Harkins, The Physical Chemistry of Surface Films (New York: Reinhold, 1952)。

11、 PH Winfield, AF Harris, and AR Hutchison, "The Use of Flame Ionization Technology to Improve the Wettability and Adhesive Properties of Wood," International Journal of Adhesion and Adhesives 21, no. 2 (2001): 107–114.

12、 JM Evans, "Nitrogen Corona Activation of Polyethylene," Journal of Adhesion 5 (1973): 1–7.

13、 JM Evans, "Influence of Oxygen on the Nitrogen Corona Treatment of Polyolefins," Journal of Adhesion 5 (1973): 9–16.

14、 DK Owens, "Mechanism of Corona-Induced Self-Adhesion of Polyethylene Film," Journal of Applied Polymer Science 19 (1975): 265–271.

15、 DK Owens, "Mechanism of Corona- and Ultraviolet-Light-Induced Self-Adhesion of Polyethylene Terephthalate," Journal of Applied Polymer Science 19 (1975): 3315–3326.

16、 WP Townsend, "Metallization of Plastics," Handbook of Adhesives, 2nd ed.， ed. Irving Skeit (New York: Van Nostrand Reinhold, 1977)， 841.

17、 MJ Rosen, Surfactant and Interfacial Phenomena (New York: Wiley, 1978)。

18、 THF Tadros, Surfactants (New York: Academic Press, 1984)。

19、 AC Clark and J Pialet, "New and Improved Waterborne Systems," Adhesives Age 42, no. 9 (1999): 33–40.

20、 WA Zisman, "Influence of Constitution on Adhesion," Handbook of Adhesives, 2nd ed.， ed. Irving Skeit (New York: Van Nostrand Reinhold, 1977)， 46.

21、 TA Thorstenson and MW Urban, "Surface and Interfacial FTIR Spectroscopic Studies of Latexes, IV: The Effect of Surfactant Structure on the Copolymer-Surfactant Interactions," Journal of Applied Polymer Science 47 (1993): 1381–1386.

22、 A Doring, J Stähr, and S Zollner, "Atomic Force Microscopy: Micro- and Nano-Mapping of Adhesion, Tack, and Viscosity," in Proceedings of the 23rd Annual Technical Seminar: Pressure-Sensitive Tapes for the New Millennium (Northbrook, IL: Pressure-Sensitive Tape Council, 2000)， 213–222