用于制备和使用多重检测中的大孔珠粒的方法和体系

摘要

公开了大孔珠粒和制备与使用这种大孔珠粒的方法，其中所述珠粒对于在多重检测中的用途是可区别的。优选地，所述珠粒可通过两种或更多种独特的荧光染料来区别，且至少一些珠粒是磁响应的。在一种优选的形式中，一些大孔珠粒具有与外部表面具有不同部分的内部孔，使得殊粒具有粘附的不同官能团。

说明书

技术领域

本发明涉及特别可用于多重检测的大孔粒子，以及这种粒子的制造方 法和使用方法。

背景技术

从20世纪50年代后期开始，一直在进行对大孔聚(苯乙烯-二乙烯基 苯)微球的研究和开发。这些大孔微球具有与原子、离子和分子相互作用 的能力。一般而言，大孔微球为孔径尺寸超过约20nm的微球。这些大 孔微球为多孔的事实造成了在大孔微球的内部“孔”以及外部表面上形成 相互作用的独特能力。

大孔微球的许多应用集中于用作离子交换树脂和用于液相色谱中。这 些大孔微球的官能化导致它们用作分离介质。苯乙烯/二乙烯基苯共聚物 的内部组成对于引入具有已知高交换能力的化合物和分子以及与具有已 知高交换能力的化合物和分子反应是理想的。还已发现大孔微球通过物理 吸附感兴趣的材料在生物应用中的用途，其通常使用反相离子交换色谱， 但是其他方法也是可能的并已有记载。阳离子交换树脂已通过用磺酸官能 化大孔微球而制得，其可用于酸催化，并在文献中充分记载。

在制备大孔微球的一种方法中，合成通过使用惰性稀释剂的悬浮聚合 而完成。一旦聚合完成，除去惰性稀释剂，多孔结构保持在聚合物粒子内。 在该方法中，制得的粒子相当大，但是多分散的。这些特性对于在色谱中 使用(其中流动条件和填充效率是重要因素)是不合意的。

制备均匀聚合物大孔微球的另一方法采用种子乳液聚合以制备均匀 的大孔微球。该方法的一个变型采用线性聚苯乙烯与溶剂或非溶剂型稀释 剂并制得大孔微球，取决于线性聚合物是与溶剂还是与非溶剂组合，该大 孔微球具有控制孔体积和比表面积的一些能力。然而，需要相对较高水平 的交联剂来产生具有高表面积的粒子。

临床样本的分析在科学和医学中是重要的。本领域已知多种确定样本 的定性和/或定量特性的检测。通过一步检测法检测多种分析物或可分别 识别一种或更多种分析物的特性是已知的，但其具有一些局限性，如通常 需要较长时间以能够检测和分类多种分析物和在检测中可获得的低灵敏 度(低信号)。

在单个检测过程中进行样本的同时、多种询问的能力称为“多重”，且 实施这种能力的方法为“多重检测”。具有多重检测能力的一种公知的现有 技术为流式细胞术。流式细胞术为使用称为流式细胞仪的仪器基于粒子的 光学特性分析流体混合物中的特定粒子的光学技术。有关流式细胞术的背 景信息可见于Shapiro，“Practical Flow Cytometry”，第三版(Alan R.Liss， Inc.1995)；以及Melamed等人，“Flow Cytometry and Sorting”，第二版 (Wiley-Liss 1990)，所述文献通过引用的方式并入本文。

流式细胞仪以流体动力学方式将粒子的流体悬浮体汇集成细流，使得 粒子以基本上单一纵列(file)的形式流下该细流并通过检查区域。当粒 子流过检查区域时，如激光束的聚焦光束照射粒子。当光与粒子相互作用 时，流式细胞仪内的光学检测器测量光的某些特性。常用的流式细胞仪， 如可购自Luminex Corporation of Austin，Texas的检测体系可在一种或更 多种波长下测量前向光散射(通常与照射中的粒子的折射率和尺寸相关)、 侧向光散射(通常与粒子尺寸相关)和粒子荧光。

这种多重检测体系的另一实例为可购自Luminex Corporation of  Austin，Texas的xMAP技术。所述xMAP技术使用一类染色粒子，在该 染色粒子上可施加一种或更多种检测特异性试剂(例如通过偶联到粒子表 面上的一种或更多种官能团)。粒子平台采用通过荧光可区别的不同粒子 组。例如，粒子组可通过荧光波长、荧光强度、在不同波长下的荧光强度 比等而得以区别。通常，荧光变化可通过将不同染料和/或荧光团引入粒 子中和/或偶联至粒子表面来整合。在一些实施方式中，粒子组可另外通 过尺寸和/或形状来区别。在任何情况下，具有可区别的载体粒子的粒子 平台通常是有利的，因为其利用流体基动力学使数种不同的分析物与检测 特异性试剂结合。

通常，每一种不同的粒子组可具有偶联至其上的不同试剂。不同试剂 可选择性地与流体样品中的不同分析物反应。换言之，每一种不同的试剂 可与样品中的一种分析物反应，但可以基本上不与样品中的任何其他分析 物反应。在一些情况中，可使一种或更多种另外的可检测试剂与一种或更 多种分析物反应。所述一种或更多种另外的试剂可通过荧光(例如荧光波 长、荧光强度等)进行检测(并有可能进行区别)。除了提高的反应动力 学之外，多重检测平台的使用有利地允许使用者简单地将一种或更多种粒 子亚组加入样品所暴露的群中，或者将一种或更多种粒子亚组从样品所暴 露的群中除去，从而改变在研究之中的分析物。

上述技术和方法不能在定量的单个或多重生物检测体系中利用大孔 微球。

Tuncel等人，“Electron microscopic observation of uniform  macroporous particles.I.Effect of seed latex type and diluent，”Journal of  Applied Polymer Science，第71卷，第14期，1999，第2271-2290页； Ugelstad的美国专利No.4,459,378；和El-Aasser等人，“Synthesis and  Characterization of Monodisperse Porous Polymer Particles，”Journal of  Polymer Science：Part A，第30卷，1992，第235-244页描述了合成大孔微 球的方法。美国专利No.7,141,431；5,981,180；6,632,526；6,733,812； 7,241,883和7,274,316描述了用于多重生物检测的各种体系和方法。美国 专利No.6,773,812描述了磁响应珠粒的制造和使用方法。本文引用的所 有文献以引用方式并入本文，如同由法律或规定所允许的最大程度上地在 本文中完全阐述那样。

发明内容

本发明使得能够在多重检测中使用大孔粒子并提供其制备和使用 方法。这种大孔微球可通过如种子乳液、分散聚合、微乳液 (mini-emulsion)、悬浮聚合的方法以及本领域技术人员公知的其他常 规技术制得。广义而言，本文的大孔粒子具有多个大孔，其中粒子可 例如通过包含一种或更多种荧光染料或者借助尺寸差异或光散射性质 而彼此区别开来。在宽泛的形式中，进行多重检测的方法包括提供一 组珠粒，其中至少一些珠粒是大孔的，其中所述珠粒可区分为至少两 类。多重检测的方法包括将所述珠粒暴露于两种或更多种感兴趣的分 析物，并确定哪类珠粒受所述感兴趣的分析物的影响。

通常，根据本发明的制备大孔珠粒的方法起始于提供种粒子，将 所述种粒子与单体和交联剂混合以使该种粒子溶胀。例如通过加热、 超声、产生自由基或其他公知的引发聚合的常规方法聚合经溶胀的粒 子。然后用合适的溶剂洗涤这些粒子以暴露大孔。优选地，仅使用低 水平的交联剂(例如＜15％)，这使得染料或其他区别材料(如磁性材 料)更易于引入。

本发明的大孔珠粒可制备为用于多重检测中是独特地可区别的。可在 粒子形成过程中引入可区别的荧光染料。或者，荧光染料可在粒子形成之 后与粒子缔合。材料如染料分子、纳米粒子、液晶、量子点、RF-发送器、 放射性材料、磁响应材料或其他类似材料的引入可产生能够以多重形式使 用的粒子。也预期可通过将识别码蚀刻进微球中而标记这些微球。可在本 发明中使用形成可区别的粒子的这些和其他方法。在本发明的描述中荧光 将用作区别特性的例子，但对于本领域技术人员而言应当显而易见的是， 区别一个粒子与另一个粒子的任意特性(如使用磁响应粒子)与本发明都 是相容的。有利地，染色的大孔珠粒具有显著提高的表面积，这在多重检 测过程中提高了信号。在一个特别优选的形式中，可使一种或更多种官能 团引入染色的大孔珠粒中。有利地，在大孔珠粒的大孔和外部表面区域之 间可存在不同的部分。即，大孔和外部的区别可在于官能团的存在与否， 或者存在不同的官能团。

附图说明

图1为使用扫描电子显微镜拍摄的根据本发明的大孔粒子的图像；

图2为使用透射电子显微镜拍摄的根据本发明的大孔粒子的图像；

图3为说明制备加入官能团的大孔粒子的优选方法的流程图；以及

图4为说明使用封端剂制备具有官能团的大孔粒子的替代方法的流 程图。

优选实施方案的描述

尽管本文针对“微球”或“粒子”描述了实施方案，应了解本文所述的体 系和方法还可以与粒子、聚苯乙烯珠粒、微粒、纳米点、纳米粒子、纳米 壳、珠粒、微珠、乳胶粒子、乳胶珠粒、荧光珠粒、荧光粒子、着色粒子、 着色珠粒、有机物、非有机物或本领域已知的任意其他离散物质一起使用。 微球可用作分子反应的媒介。适当的粒子的实例在美国专利No.5,736,330； 5,981,180；6,057,107；6,268,222；6,449,562；6,514,295；6,524,793和 6,528,165中说明和描述，其以引用方式并入本文，如同它们在本文中完 全阐述那样。本文所述的体系和方法可以与这些专利中描述的任意微球或 粒子一起使用。术语“粒子”和“微球”和“珠粒”在本文中可互换使用。

此外，与本文所述的体系和方法相容的粒子类型包括具有与粒子结合 或与粒子缔合的荧光材料的粒子。可用于本文所述的方法和体系中的粒子 类型包括具有引入至粒子核内的一种或更多种荧光染料或荧光性染料的 粒子。还包括具有直接与粒子表面偶联的荧光染料或荧光粒子以提供分类 荧光(即用于确定粒子身份或粒子所属的亚组而测得和使用的荧光发射) 的粒子。用于使荧光染料与这种粒子缔合的方法在美国专利No.6,268,222 和6,649,414中说明和描述，所述专利以引用方式并入本文，如同它们在 本文中完全阐述那样。

可用于本文所述的方法和体系中的粒子还包括当暴露于一种或更多 种适当光源时其本身将显示出一种或更多种荧光信号的粒子。此外，可制 备粒子，使得在激发时，粒子显示出一种或更多种荧光信号，每种所述荧 光信号可单独使用或组合使用以确定粒子身份。如下文所述，图像数据处 理可包括粒子的分类，特别是对于多分析物流体而言更是如此，以及与粒 子结合的分析物的量的确定。

本文所述的方法通常包括分析粒子的一幅或多幅图像，以及处理由图 像测得的数据以确定粒子的一种或更多种特性，例如但不限于表示在多种 检测波长下粒子的荧光发射量级的数值。粒子的一种或更多种特性的随后 处理可根据美国专利No.5,736,330；5,981,180；6,449,562；6,524,793； 6,592,822和6,939,720中描述的方法进行，所述专利以引用方式并入本文， 如同它们在本文中完全阐述那样。在一个实例中，在美国专利No. 5,981,180中描述的技术可以在多重方案中与本文所述的荧光测量一起使 用，其中粒子被分类为用于分析单个样品中的多种分析物的亚组。

用于多重检测的微球的必需特性是其可独特地区别的能力。实现其的 一种特别有效的方法是使用掺杂有染料分子或可用作识别剂的粒子的适 当溶剂使包含聚合物的多孔珠粒溶胀。为了成功用于定量多重生物检测 (其中珠粒本身可通过它们的荧光信号进行识别)，珠粒必须通过适合于 所用的特定聚合物以及染料分子本身的溶剂进行溶胀。这可通过略微交联 所述珠粒与如二乙烯基苯、二甲基丙烯酸乙二醇酯等的单体(例如通过使 用含有＜约25％交联剂，优选＜约15％交联剂的溶液)来实现。相反，用 于制备大孔珠粒的现有方法利用高水平的交联剂(例如＞25％)以提供色 谱法所需的高表面积和刚性。尽管一些溶胀在这些条件下仍可发生，但其 远远低于制备含有足够水平的荧光染料分子的珠粒以生成适用于多重检 测的可行的大孔珠粒所需的程度。

在一方面，本发明通过有效增加珠粒的表面积而提高了多重检测体系 中的信号和检测。优选采用改进的种子乳液技术合成根据本发明的大孔粒 子。这涉及可溶性聚合物的种粒子的合成。优选的方法使用通过任意合适 的方法(包括但不限于分散聚合、乳液聚合和悬浮聚合)制得的种粒子。 将溶胀剂引入种粒子中以促进溶胀。一旦制得种粒子，随后将所述种粒子 分散到合适的溶液中，所述溶液可含有能够乳化合适单体的表面活性剂和 /或稳定剂。

在本发明的一种方法中，单步种子乳液聚合使用线性聚苯乙烯种粒子 作为大孔珠粒制备中的惰性稀释剂。所述方法采用低水平的交联剂；少于 15％的二乙烯基苯或任意其他合适的交联剂。通过在乳液聚合步骤中包含 特定比例的一种或更多种荧光染料，产生借助于其中所含的荧光标记物单 独编码的粒子。

转向附图，图3(a)-(e)显示了制备大孔粒子的一种方法，所述大孔粒 子具有结合至其上的官能团以促进分析物质偶联至粒子。根据本发明，这 种粒子特别可用于进行多重检测。

(a)将种粒子6与具有混入其中的官能团载体(例如丙烯酸、甲基 丙烯酸以提供羧基)的单体8(例如苯乙烯、二乙烯基苯)以及水、表面 活性剂和自由基引发剂混合，

-任选地引入荧光染料、磁响应材料或其他粒状材料；

(b)使种粒子溶胀；

(c)施加热以引发聚合；

(d)将聚合粒子10暴露于相同或不同的官能团12的载体以形成在 粒子10的外部；

(e)在溶剂中洗涤粒子-溶剂洗去未交联形成孔14的种子聚合物。

为了制备本发明的大孔粒子，包含种粒子6的线性聚合物必须具有足 够的分子量，如本领域所公知地那样，从而适于制得具有大孔结构的最终 粒子10。该参数通常经由操控单体8的聚合速率或通过使用链转移剂而 得以动力学控制。聚合速率可通过使用自由基产生的不同方法或通过自由 基引发剂本身的性质，或通过操控反应的加热分布来改变。

图1、2和3所示的大孔粒子10由多种单体和共聚单体合成。通常， 利用苯乙烯、二乙烯基苯和其他共聚单体(如丙烯酸、甲基丙烯酸和多种 其他单体)。这些的更全面但非穷举的清单可见于美国专利No.7,141,431。 优选地，单体单元移动至线性聚合物中被分散于能够稳定单体和线性聚合 物的合适溶剂中。单体经过溶剂，并使线性聚合物溶胀至其体积的20-30 倍和150倍或更大。施加能量源，最通常为热(优选方法)，其产生自由 基级联(cascade)并产生新的聚合物。可使用本领域技术人员已知的其 他聚合引发方法。在优选的粒子制备方法中，单体还含有足够的交联剂， 所述交联剂一旦聚合就生成交联的新的聚合物网络。所述新的聚合物与线 性聚合物基本上不相容，并在之后除去线性聚合物。在此时形成交联的大 孔粒子。

大孔粒子10可通过使用成孔剂而获得。这些成孔剂主要由可引入可 溶胀的聚合物粒子的溶剂和非溶剂组成。在聚合步骤过程中，由于新形成 的交联聚合物相与成孔剂之间的不相容性，二者分离。在聚合完成之后， 通过引入能够溶解成孔剂的溶剂而除去成孔剂，并获得多孔结构。除了使 用溶剂和非溶剂作为可行的成孔剂之外，线性或非线性聚合物可在适当条 件下用于获得相同的效果。更具体而言，当种粒子具有合适的分子量时， 种粒子本身可用作成孔剂，如上所述。

在本发明的另外的方面中，磁性和/或非磁性材料可与粒子缔合以便 于粒子处理。这些材料的一些实例为铁的氧化和铁、钴、锰的络合物，金 纳米粒子和其他材料。对于磁性种类，它们可为铁磁性、顺磁性或超顺磁 性。或者，可使用本领域技术人员公知的许多其他物质。

这些材料可以多种方式与粒子缔合。在一种方法中，所述材料可悬浮 于单体混合物本身中。在聚合后，所述材料整合到粒子中。在另一方法中， 可将单独的盐引入完成的粒子中，然后可原位形成所需的络合物。又一可 能性是用所需络合物涂布完成的粒子。引入这种材料的另一种方法是通过 在适当的溶剂如四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、苯或甲苯中使完成的粒子溶 胀。所述材料(例如磁性材料)首先用促进迁移的有机材料(如油酸)涂 布。这可能的原因之一是由于在本文优选实施方案中所用的低水平的交联 剂(通常＜约25％，优选＜15％)。该低水平的交联剂使得珠粒在很大程 度上溶胀，从而允许材料的引入。一旦磁性和/或非磁性材料已经与粒子 缔合，则所述材料可用另外的聚合物再涂布(overcoat)。

在本发明的大孔珠粒的整个表面上分布的表面化学生成在其上进行 偶联化学的理想基材。偶联可通过吸附至珠粒表面或者共价偶联珠粒表面 上的反应性基团而实现。描述了用于制备在外部表面和内部孔表面上具有 不同官能团的大孔珠粒的方法。有时有利的是，改变溶胀单体以包含可能 具有特定兴趣的部分。这些的一些实例为羧酸酯、胺、亚胺、硫酸酯和其 他。在线性聚合物的溶胀过程中加入含有特定官能团的物质，通常为单体。 本发明的大孔粒子的一个特别的优点在于提供在粒子的孔结构内含有与 外表面上的官能团不同的官能团的粒子。表1列出了可使用的常见官能 团，但本领域技术人员会理解表1是非穷举的，而仅仅是示例性的。

有机化合物中的常见官能团

为了制备可独特地区别的大孔粒子，必须独特地标记粒子。这可以多 种方式完成。在一种方法中，在完成大孔粒子的合成之后，可对粒子进行 改性以产生独特的荧光信号。或者，可在粒子形成过程中引入荧光染料。 材料如染料分子、纳米粒子、液晶、量子点、RF-发送器、放射性材料、 磁响应材料或其他类似材料的引入可用于产生能够以多重形式使用的粒 子群。或者，可通过将识别码蚀刻进每个粒子中而标记粒子。这种可独特 地识别的粒子在许多领域，尤其是生物和医学类型的应用中极其有用。如 美国专利No.7,141,431所提及，这些粒子可手动地或通过其他已知方法， 优选使用自动化技术(如流式细胞术)进行分析。或者，粒子可通过其他 技术，如吸光度、透射率、由CMOS或CCD传感器捕获的图像或其他 公知方法进行询问。

在制备大孔粒子的现有技术方法中，要求所用交联剂的量足够高，以 获得粒子的高表面积和适当的刚性。文献中已报道高于40％和高达80％ 的水平。本发明依赖于低水平的交联剂，通常＜25％，并优选＜15％。使 用低水平的交联剂的一个优点是其允许引入材料例如但不限于染料分子、 纳米粒子、液晶、量子点、磁性材料或其他类似材料。在这种低水平的交 联剂中，大孔粒子可在合适的溶剂中充分溶胀以允许所述材料充分引入粒 子，从而使得所述粒子可用于多重检测中。由于高度交联的粒子的可溶胀 性极其有限，因而不优选将它们用于多重检测中。

本发明的一个特别重要的方面是大孔粒子10的群在多重检测中，如 在流式细胞术中的用途。在一个优选的实施方案中，引入荧光染料分子， 所述荧光染料分子可溶于能够使交联粒子溶胀的溶剂中。这可通过多种方 法，但优选通过美国专利No.7,141,431中描述的方法实现。在该优选的 实施方案中，图1的每个粒子10的群含有独特浓度/比例的一种或更多种 荧光染料，从而产生来自每个群的可区别并可检测的荧光。尽管流式细胞 术为多重检测的优选实施方案，作为另外一种选择，也可使用多种仪器。 实际上，使用将单独的粒子分类并测量分析物与试剂之间的反应结果的仪 器来确定单一来源的样品中的多个分析物的浓度或存在/不存在的任意方 法均可使用。

作为一个替代的实例，可以通过将多重检测中的粒子与其他粒子结合 使用并利用光散射分布分析区分，从而在多重检测中区别粒子。由于如下 事实，这是可能的：当与无孔粒子组合或“复合”时，二者之间的光吸收和 发射将明显不同。这使得使用者能够基于吸收光的发射和散射来容易地识 别粒子。此外，粒子可复合在一起，并通过粒子尺寸进行区别。再次，基 于粒子本身的尺寸，光散射分布可明显区别。上述方法的任意组合是可行 的替代方案。使粒子复合在一起的方法的更具体的实例可见于美国专利 No.7,141,431。

大孔粒子的官能化

根据本发明的一个优选的方法考虑通过在聚合之时引入合适的共聚 单体而将大孔粒子官能化，如图3所示且如上所述。预期可以这样的方式 处理粒子10的表面以在单个粒子上获得两个或更多个特定反应性部分。 一种具体的方法是在聚合步骤过程中引入单个部分(如乙烯基共聚单体作 为第一活性基团)。在除去成孔剂、种粒子或生孔材料之前，可通过使第 二活性基团偶联至珠粒表面进行第一活性基团的改性。进行这种结合的方 法是本领域技术人员公知的。一旦粒子表面上包含的表面活性基团的改性 结束时，生孔材料的除去导致包含仍然存在的且未被第二活性基团改性的 第一活性基团的孔14的出现，从而产生相比于粒子的孔内在粒子表面上 具有不同官能团的粒子10。

在另一方法中，不同于如上所述和图3所示的偶联的第二分子物质， 通常如图4所示使用“封端”剂。在除去生孔材料之后，粒子外部将被封端 剂占据，而内部孔结构将含有第一活性基团。可进行任意数目的所需结合， 之后可进一步改性封端物质，从而生成具有双官能团的粒子。

形成大孔珠粒w/官能团的替代方法(图4)

(a)如图3中的方法将种粒子6与单体混合物8混合

(b)施加热以引发聚合

(c)使“封端剂”16粘附于珠粒10

(d)在溶剂18中洗涤珠粒10以形成孔14

(e)将多孔珠粒暴露于官能团载体以使官能团20粘附在孔表面中

(f)除去封端剂16

(g)任选地将珠粒暴露于不同的官能团载体以使官能团22粘附于珠 粒10的外部表面。

如上所列，制备方法中存在许多替代方案，除非另外指出，否则制备 步骤可按任意顺序进行。例如，将染料和/或磁性材料引入珠粒-它们可 被加入种粒子混合物中或在形成多孔结构之后形成于珠粒上。

实施例

种粒子的制备

种粒子可以按照本领域技术人员公知的多种方式制得。一种优选的方 法可见于美国专利No.4,459,378。

大孔粒子的制备

将0.5g的2μm种粒子、120.0g水、65.0g的1％气溶胶-OT装入配备 有125转/分的顶置式搅拌器的500ml烧瓶中。将20.0g蒸馏苯乙烯、1.0g 二乙烯基苯、4.5g蒸馏丙烯酸和1.0g过氧化苯甲酰合并且装入该500ml 烧瓶中。将反应混合物在25℃下搅拌24小时。将温度升至70℃再持续 24小时。然后用水、醇和四氢呋喃洗涤反应混合物。完成的6μm粒子在 真空下干燥8小时。

具有双官能团的大孔粒子的制备

将0.5g种粒子、120.0g水、65.0g的1％气溶胶-OT装入配备有125 转/分的顶置式搅拌器的500ml烧瓶中。将20.0g蒸馏苯乙烯、1.0g二乙烯 基苯、4.5g蒸馏甲基丙烯酸和1.0g过氧化苯甲酰合并并装入该500ml烧 瓶中。将反应混合物在25℃下搅拌24小时。将温度升至70℃再持续24 小时。然后用水和醇洗涤反应混合物。移取5e⁶粒子并将其再悬浮于pH 4.5 下的0.1M MES中。将2μL的0.1nmol/μL的乙胺溶液和2μL 10mg/mL 的EDC加入在MES中的粒子中。在30分钟之后，珠粒用0.02％Tween-20 和SDS洗涤，并再次悬浮于水中。珠粒进一步在甲醇和四氢呋喃中洗涤， 接着再在甲醇中洗涤，并再悬浮于水中。