非侵入式納米纖維基比色傳感器的研究進展

李志輝，郁 娟，李 彥，b，王 璐，b

(東華大學 a.紡織學院;b.紡織面料技術教育部重點實驗室, 上海 201620)

隨著生活水平的不斷提高,人們的健康意識和保健需求也逐漸加強,不論是正常人群還是亞健康或患病群體,都希望能及時了解與健康、疾病發展密切相關的體內生物指標變化[1]。Mordor Intelligence的市場調研報告[2]顯示,2016年監測、診斷設備及服務的市場約達77.1億美元,近5年來該市場以46%的年復合增長率不斷擴張。然而,傳統疾病診斷方式多受限于專業人員人數及高精密儀器等,不僅診斷效率低,還給患者帶來一定的經濟負擔,這也促使人體自主健康監測向攜帶方便、操作簡單、結果即時可得的方向發展。比色傳感器是一種以顏色變化為分析基礎,通過裸眼觀察或智能識別顏色,直接或間接實現對引起顏色變化的目標物進行定性、定量檢測的手段[3]。具有非侵入性健康監測功能的比色傳感器也是體外診斷中即時檢測(point-of-care testing, POCT)的重要形式[4],在實現個性化醫療服務方面具有很大的潛力[5],這種傳感器可對一些無創收集的體液(唾液[6]、尿液[7])和呼吸氣體進行連續監測,使用人員也無需過多的專業知識積累。這種POCT手段對實現個性化醫療服務而言非常重要,可幫助人們對自身不利條件或疾病進行早期預測和診斷,從而實現更快、更有效的治療。

目前,比色傳感器正朝著簡單、成本低、響應快速等方向發展[8],這些都在一定程度上依賴于傳感材料自身的性能。靜電紡納米纖維膜具有孔隙率高、柔韌性好和比表面積大的特點,是設計高靈敏度、快速響應和用戶友好的傳感器的理想材料。納米纖維不僅可以直接作為比色傳感器使用,還可以結合到各種檢測平臺上作為傳感器的載體,包括側流層析(lateral flow assays,LFA)平臺及微流控芯片,其作為基于顏色反應的光學傳感器檢測平臺,與精密的實驗室診斷技術相比,具有小型化、便捷、低成本、易操作等特點。這也使得這些傳感器檢測平臺更契合普通百姓的日常診斷需求,在POCT應用方面受到了極大的關注。本文旨在研究納米纖維在比色傳感器中不同的構建方式以及其發揮的作用,通過靜電紡絲技術將比色功能元件集成到納米纖維膜中實現比色功能,也可以利用納米纖維膜的結構和性能優勢作為LFA平臺和微流控芯片的載體,并展望了納米纖維基比色傳感器在實現個性化醫療服務方面的應用。

1 納米纖維基比色傳感器的構建

1.1 比色元件

比色分析的機理主要依賴于比色元件,這些元件會與目標物發生化學或生物反應而顯色,信號讀取可直接肉眼識別或借助儀器進行顏色信號處理。已有不同的指示劑染料(酚紅、甲基紅、溴百里酚藍(BTB)、酚酞等)、金屬離子、酶、納米顆粒、共軛高分子和雜環化合物等材料作為比色信號元件被用于設計比色傳感器[9]?；趐H指示劑法,即在特定的pH值內可使指示劑顯示不同的顏色,例如:BTB和甲基紅是2種酸堿指示劑,前者的pH變色范圍為6.0(黃)～7.6(藍),中性條件下呈淺綠色,后者的pH變色范圍為4.4(紅)～6.2(黃)。金屬離子可以和配體發生絡合反應,形成顯色的絡合物,因此金屬離子也可做為比色元件識別目標物?；谏锩傅奶烊淮呋阅芑蚣{米材料自身具有的過氧化物模擬酶活性和催化性,可通過催化顯色底物實現目標物的分析檢測,例如葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOx)可以催化葡萄糖并釋放過氧化氫,隨后辣根過氧化物酶可以催化3,3′5,5′-四甲基聯苯胺形成氧化物而顯藍色[10]?；诩{米材料的聚集或分散狀態引起的顏色變化,也可實現目標物的分析檢測,以金納米顆粒(aurum naoparticles,AuNPs)為代表的貴金屬納米材料具有強的等離子體共振效應,分析物會誘導AuNPs的聚集,致使等離子體激元帶加寬和移動從而產生顏色變化[11]。共軛高分子在構象改變時會改變顏色,利用其合成的各種衍生物可以檢測蛋白質、DNA和細胞等生物分子。一些雜環化合物,比如卟啉或經過修飾的卟啉具有較大的共軛環結構,可以通過軸向配位、氫鍵和靜電相互作用等分子間相互作用與多種物質結合,卟啉化合物與目標化合物的結合會導致不同的顏色變化。這使上述比色元件成為產生有用的比色傳感方法的極佳選擇,因此,可根據不同的顯色機制構建不同類型的比色傳感器。

1.2 載體元件

在比色檢測的基質環境中,載體元件可分為固相載體和液相載體,然而在液相環境中進行比色檢測往往需要更煩瑣的步驟,檢測結果不直觀,需要借助儀器對結果進行分析,設備成本較高。而常見的固相載體包括硝化纖維素(nitrocellulose,NC)拉伸平板膜、聚苯乙烯(PS)膜、96孔板、纖維素濾紙等,要求固相載體牢固地結合顯色元件或以較大的容量吸附識別元件,并且在固相載體中進行比色分析的操作簡單,檢測結果直觀,成本較低。靜電紡絲制備的納米纖維膜因其獨特的纖維形態、比表面積、多孔性、柔韌性和易于功能化等特點,成為各種生物分子比色檢測的極佳平臺[12],這也使得納米纖維膜成為替代傳統固相載體的合適候選者。

納米纖維的特性使得其已被用于具有更高負載能力、更好靈敏度和更快響應時間的傳感器載體元件[13]。靜電紡纖維膜作為LFA平臺的反應墊,可實現目標物與分析物之間的顏色反應。微流控芯片以納米纖維膜為載體,纖維膜上的微流控通道可使目標物與分析物結合,從而實現微流控檢測?；诩{米纖維膜的LFA平臺和微流控芯片都因納米纖維膜的高負載能力、多孔結構和多活性位點等而具有更高的靈敏度。

1.3 比色量化

比色量化是一種將顏色主觀分析轉化為量化分析的一種方法,即利用圖像分析軟件將顏色信息轉換為一定顏色空間下的數字信號,以探索量化后的數字信號與分析物濃度之間的相關性[14]。使用數碼相機或智能手機在獲得高質量的圖像后,利用Image J、Adobe Photoshop、Image Color Picker、Color Grab等軟件對數字圖像進行數據處理,提取圖像的色度值(包括RGB值、HSV值、灰度值或吸光度)后,研究色度值或其函數與分析物濃度的相關性,再進行線性擬合,從而建立相關的標準曲線。將構建的被測分析物濃度的色度數學模型存儲在應用程序中,由智能手機讀取色度值后即可得到分析物的濃度值。值得注意的是,采用不同的顏色通道值進行線性擬合時,擬合程度往往不同,應該遵循提供最大動態范圍的通道[15],根據該通道值進行分析物濃度與函數關系的擬合,由此達到最接近線性擬合的效果。Dutta等[16]開發了一個基于智能手機的傳感平臺,只需拍攝經過特定試劑處理的樣本照片,將HSV顏色空間的V通道作為檢測參數,繪制了V通道的變化與分析物濃度的關系圖,經線性擬合可知,牛血清白蛋白和過氧化氫酶的線性擬合度分別為0.992和0.978,具有最佳的線性擬合效果,因此可以估計生物分子濃度。Mahato等[17]利用堿性磷酸酶對5-溴-4-氯-3-吲哚基磷酸的催化作用,產生藍綠色沉淀物,將其作為分析信號,使用智能手機攝像頭捕捉藍綠復合體,在用不同的RGB值進行線性擬合分析時,發現R值(RGB色彩模式中的R值)具有最高的靈敏度,基于比色定量分析,堿性磷酸酶檢測的動態范圍為10～1 000 U/mL,檢出限為(0.87±0.07)U/mL?；谥悄苁謾C的比色定量檢測正在助力比色傳感器成為一種更為強大、快速和準確的普適性的診斷工具,當然在具體分析時也要進行相應的驗證,然后選取最佳的顏色通道值進行量化分析。

2 典型納米纖維基比色傳感器

2.1 納米纖維基比色膜

將比色功能引入納米纖維為分析物相互作用或信號轉導提供機會,可利用摻雜納米纖維、功能化聚合物或表面改性處理方式實現在纖維中引入功能元件,其3種方式如圖1所示。

圖1 納米纖維基比色膜的3種不同構建方式Fig.1 Three different binding modes of nanofibers-based colorimetric mats

摻雜是將功能元件結合到納米纖維中以制造比色納米纖維傳感器,通過添加染料或金屬納米顆粒來生產摻雜比色納米纖維,染料或納米粒子在所應用的聚合物溶液體系中能很好地溶解或均勻地分散,則摻雜染料或納米粒子的納米纖維膜可以直接制備,常用的聚合物有聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺66(PA 66)、聚氧化乙烯(PEO)、聚己內酯(PCL)、聚氨酯(PU)等,這種摻雜染料或納米粒子被包裹在納米纖維聚合物網絡中。Arafat等[18]成功地將BTB吸附到聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)納米纖維膜中,pH值低于6.0時,BTB呈微黃色,當pH值逐漸升高時,BTB顏色逐漸從黃色變為綠色再變為藍色。將金屬納米顆粒固定在載體上,存在目標物質時可誘導納米顆粒聚集,從而產生不同的顏色變化。Rostami等[19]將AuNPs固定在靜電紡絲納米纖維膜的表面上,以獲得一種新的雜化材料,用于尿液中多巴胺的檢測。

除此之外,還可將官能團共價連接到聚合物主鏈或側鏈上實現功能化聚合物,該方法可有效固定顯色元件。針對功能化聚合物這一策略,一些共軛聚合物如聚噻吩類、聚苯胺、聚吡咯類等,它們的共軛主鏈具有固有的比色性能,這些共軛聚合物可用來制造納米纖維,但是如果聚合物缺乏機械靈活性、穩定性和溶解性,可以通過添加可紡性好的聚合物(例如PEO和PVA)來進行共混靜電紡絲。Lv等[20]合成了一種卟啉染料并與4,4′-六氟異丙二苯酸酐和氧基二苯胺反應生成了聚酰亞胺(PI),其中的卟啉衍生物被引入到聚合物的主鏈上,將含卟化的PI進行靜電紡絲形成比色納米纖維膜,共價偶聯結合不僅阻礙了染料的釋放,而且阻止了卟啉化合物的聚集,穩定性得到了大大提高。對于納米纖維膜的表面修飾,可將納米纖維膜浸泡在溶液中,通過物理吸附或化學反應進行表面功能化處理,如在膜表面進行共價接枝或等離子體處理,這一過程比較側重于后處理工藝。Afshari等[21]利用空氣等離子體對PVA/丙二酸納米纖維進行了表面處理,提升了GOx對納米纖維的固定化和活性,空氣等離子體處理的納米纖維的活性是未經處理的納米纖維的2.5倍,相較未處理的納米纖維膜提升了顯色效果。

除納米纖維膜的形式外,還可通過靜電紡絲技術以納米纖維紗線的形式進行比色檢測。紗線本身是織物材料,具有柔軟性好、成本低、質量輕和力學強度高等特點,可作為非侵入式比色傳感器的合適基質接觸皮膚,用于電解質、代謝物、蛋白質或多肽的廣泛檢測。納米纖維紗線的微觀結構易使生物標志物發生活性化學反應,將紗線應用于紡織品,可開發智能織物比色傳感器。Kim等[22]報道了一種基于復合納米纖維紗線的比色傳感器,該復合納米纖維紗線以離子液體為目標物的吸附劑,醋酸鉛為比色染料,實現了對H2S氣體的比色檢測。值得注意的是,醋酸鉛有毒,可刺激皮膚、黏膜和眼睛,在作為染料摻雜在紗線中時存在一定的隱患,使用時需對其安全性進行有效的評估。

2.2 納米纖維基LFA平臺

LFA平臺作為一種低成本、簡單、便攜和一次性的體外診斷產品,被廣泛應用于POCT檢測。通常LFA平臺由樣品墊、結合墊、層析膜和吸水墊組成[23],如圖2(a)所示。樣品墊用于吸收待檢樣品。結合墊吸附有標記的生物活性材料,它可與待檢樣品中的檢測靶標結合形成肉眼可見的免疫復合物。層析膜是LFA平臺的關鍵材料,其作為載體提供了分析物之間的反應,其上固定有2條或多條不同生物活性物質(如抗原或抗體)噴印的檢測(T)線和質控(C)線,用于攔截帶標記的免疫復合物,并可直觀地顯示檢測結果。吸水墊為吸水紙板,用于吸收流過層析膜的待檢樣品。

圖2 LFA平臺的基本結構及納米纖維膜的作用形式Fig.2 Basic structure of LFA platform and function form of nanofiber membrane

樣品、緩沖液和分析試劑通過毛細作用力在LFA平臺中進行傳輸,膜的孔徑和芯吸時間為流體運輸機理的主要參考參數?？赏ㄟ^調節膜孔徑、孔隙率和形貌,獲得低流量、高蛋白載量的免疫層析條帶,從而提高檢測靈敏度。層析膜發揮了反應載體、固定探針的作用,所以要求其首先具有蛋白吸附能力,其次具有親疏水性。親水聚合物可直接紡絲,疏水聚合物需通過親水改性處理,同時在改性過程中不能破壞聚合物原有的蛋白吸附能力。一些含有羧基(─COOH)、羥基(─OH)、氨基(─NH2)和甲基(─CH3)等基團的聚合物對蛋白質的固定具有協同作用,常用的聚合物如PEO、聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)等。隨著靜電紡絲技術的日益成熟以及納米纖維膜無可比擬的優勢,用納米纖維膜取代傳統的NC膜作為反應墊已成為可能,現有研究可采用兩種實現方式。第一種方式,使用納米纖維膜作為LFA平臺的層析膜,可改善層析膜的結構和性質,如圖2(b)所示。Wang等[24]用靜電紡納米纖維膜取代NC膜,通過調節靜電紡絲參數,增加膜的孔隙率和比表面積,建立了一種簡便、靈敏的人絨毛膜促性腺激素(HCG)的比色測定方法,在最優條件下的檢測限為10 mIU/mL,并且不會產生假陽性結果,大大提高了檢測的靈敏度和可信度。Yew等[25]直接將靜電紡PCL納米纖維膜作為LFA平臺的層析膜,納米纖維膜的多孔結構和優異的吸附性能可大大提高檢測平臺的靈敏度。第二種方式,將納米纖維整合到NC膜上,對NC膜進行改性處理,如圖2(c)所示,該方式也可提高LFA平臺的靈敏度。Tang等[26]通過將纖維素納米纖維結合到NC膜中改變紙載體的性質,提高核酸LFA平臺的靈敏度。該方法改變了紙載體的孔徑、孔隙率、表面基團和表面積,增加了生物分子在紙載體上的吸附能力,所制備的試紙在金黃色葡萄球菌檢測中的敏感性相比未改性的NC膜提高了20倍。與傳統的基于試紙的LFA平臺相比,基于納米纖維的LFA平臺在提高靈敏度以及降低檢測限和成本等方面具有更多優勢。

2.3 納米纖維基微流控芯片

微流控芯片(又稱芯片實驗室)是一種在微米尺度空間對流體進行操控的技術平臺,其將化學和生物實驗室的基本功能微縮到一個幾平方厘米芯片上,使流體在固體基質的微通道中實現微分析,因此在生物醫用領域具有廣闊的應用前景[27]。通過微細加工方法在固體基質上形成具有液體操縱功能的微流控網絡,將靜電紡納米纖維膜用作微流控芯片的襯底,以增加可用于固定大分子的表面,從而獲得更高的靈敏度,在疏水性通道的襯底中,所選聚合物應滿足生物相容性好、無毒、成膜性能良好,且具有良好的蛋白吸附性能等要求,如聚碳酸酯(PC)、PS等。微流控系統的基本結構如圖3(a)所示,其與酶聯免疫吸附試驗(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)的形式相同,即首先將捕獲試劑固定在固體底物上,然后使捕獲試劑與分析物結合、分析物與標記的檢測試劑結合,最后根據顏色信號對結果進行判讀。在進行免疫分析時固體底物對蛋白質的吸附能力可以決定這些檢測的靈敏度[28]。

圖3 微流控芯片結構及流動方向Fig.3 Structure and flow direction of microfluidic chip

納米纖維膜具有較高的孔隙率和高比表面積,可高效地吸附大分子物質。Yang等[29]以靜電紡PC納米纖維膜(ESPC)為吸附蛋白的固體基質,將其固定在玻璃片上,納米纖維膜夾在具有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和玻璃片之間,這樣就形成了以納米纖維膜為基底的封閉的微通道結構,流體流動方向如圖3(b)所示,膜上吸附有熒光素標記的抗體,ESPC的熒光強度是普通PC薄膜的10倍以上,該方法大大提高了檢測的靈敏度,為疾病的診斷提供了潛在的研究價值。Liu等[30]使用高比表面積的靜電紡聚偏二氟乙烯納米纖維膜(ESPVDF)作為微流控芯片的襯底吸附蛋白質,用于固定化免疫分析,該纖維膜的堆疊結構如圖3(c)所示,結果顯示ESPVDF對蛋白質的吸附能力是傳統PC薄膜的8倍左右,表明以ESPVDF為蛋白質吸附底物的芯片的靈敏度得到了提高。該芯片的組裝方案可應用于以PDMS、玻璃片等聚合物膜為襯底的微流控芯片,納米纖維膜可以改善蛋白質的固定化性能,從而增強免疫分析信號。

此外,還可將親水性的納米纖維與疏水性的微流體屏障相結合以形成微通道,使樣品通過毛細管作用沿著親水性通道進入反應區。例如,Pimentel等[31]用靜電紡左旋聚乳酸(PLLA)膜替代傳統紙基微流體底物,并通過等離子體處理使PLLA膜具有超親水性,通過控制處理工藝參數來調整毛細管流速,實現控制反應時間。該材料還具有良好的可降解性、高儲存穩定性、高濕強度,而這些要求是目前市售紙質基材難以獲得的。靜電紡納米纖維膜在制造便攜式、一次性、環保性和高靈敏度的微流體系統方面具有應用潛力,這些微流體系統具有可控的性能,可根據特定的生物技術應用要求進行定制,是替代傳統紙質基材的理想材料。

3 納米纖維基比色傳感器在醫療診斷中的應用

近年來,越來越多的研究致力于預防疾病、監測代謝功能和檢測細菌感染等方面。對生物液體樣本和呼出氣體中標志物濃度進行測定可使患者自行評估健康狀況,因此,針對此類生物樣本的無創分析對于個人健康監測具有重要意義。近年來不同類型納米纖維基比色傳感器在體液和呼吸氣體檢測方面的研究進展匯總如表1所示。

表1 近幾年不同類型納米纖維基比色傳感器用于非侵入檢測的研究進展Table 1 Recent advances in non-invasive detection of different types of nanofibers-based colorimetric sensors

3.1 體液檢測

3.1.1 唾液

唾液可以反映人身體的健康和生理狀況,例如:唾液pH是牙釉質脫鈣的一個重要因素,亞硝酸鹽和葡萄糖可分別用作牙周病和糖尿病的標志物[41]。唾液中皮質醇和睪酮濃度可以反映人體的疲勞狀態或心血管功能,唾液中尿酸水平可作為判斷腎透析患者血液透析效果的指標;此外,用于唾液分析的生物標志物除了一些固有的人體代謝物成分,還包括細菌、病毒或其他炎癥檢測物等。He等[42]開發了一種以納米顆粒為發光探針的側流層析平臺,用于同時檢測唾液中的3種牙周炎生物標志物,即基質金屬蛋白酶-8、白細胞介素-1β和腫瘤壞死因子-α,檢測限分別為5.455、0.054和4.439 ng/mL。Sadir等[43]介紹了一種基于納米纖維的ELISA試驗,用靜電紡納米纖維膜來檢測C-反應蛋白(CRP)水平,將生物素標記的抗CRP抗體固定在納米纖維膜上,樣品中抗原與標記的鏈霉親和素熒光檢測抗體偶聯,偶聯物與納米纖維膜上的抗CRP抗體結合顯色,該檢測靈敏度為13.00 pg/mL,檢測限低于常規ELISA法?；诩{米纖維膜的ELISA法的比色分析結果表明,納米纖維基比色傳感器是一種成本低、靈敏度高的護理設備,能夠監測唾液中的CRP水平,可用于心血管疾病的檢測。在進行唾液分析時,唾液標志物的濃度通常低于血液和其他非侵入性生物液體。此外,唾液樣本中的食物顆粒、細菌和其他污染物也可能限制唾液診斷的性能,這需要對樣品進行預處理或對傳感器進行一定的特異性檢測。

3.1.2 尿液

尿液是一種由腎臟分泌的代謝物,是血液過濾的直接產物,含有與身體健康狀況相關的生物標志物。通過尿液排出的廢物包括尿素、肌酐、尿酸(UA)和氨等非蛋白氮化合物、鹽和離子等。尿液分析可獲得一些與身體狀況相關的關鍵信息,還可以從尿液中篩查出藥物濫用的生物標記物。尿液檢測量包括pH值以及葡萄糖、蛋白質、酮、肌酐、藥物、無機離子、乳酸、亞硝酸鹽和抗壞血酸的濃度等。其中:尿液的pH值分析可用于監測腎功能、腎小管酸中毒或其他與尿路感染有關的問題;尿白蛋白可以提供腎功能的相關信息,被認為是糖尿病和高血壓患者腎病的早期預測因子;尿肌酐水平通常被用來確定腎小球濾過率,這是腎功能障礙的重要指標;UA是人體嘌呤代謝的產物,是尿液中的一種主要含氮化合物,與尿路結石和痛風等許多臨床疾病有關。

Clinton等[44]制備了一種填充有AuNPs的PA6納米纖維膜,用于比色檢測人尿液中致癌化合物PAHs相關的生物標志物1-羥基芘,原纖維膜為紅白色,當與生物標志物的標準溶液接觸時,該纖維膜變成紫色/藍色,且靈敏度達到100 ng/mL。同樣,Mudabuka等[32]將銅金合金納米顆粒固定在靜電紡PA6納米纖維中,用于檢測尿液中的抗壞血酸水平,由于抗壞血酸可在pH值為2～7條件下誘導銅金合金納米顆粒聚集,導致納米纖維由白色變化為藍色,靈敏度為1.76×10-2mg/L,檢測范圍為1.76×10-5～1.76×10-2mg/L。

3.1.3 汗液

汗液是由汗腺分泌的液體,其中含有電解質(如Na+、K+、Ca2+等)、代謝物(如乳酸和丙酮酸)、含氮物質(如氨基酸和蛋白質)、營養素(如葡萄糖和維生素)以及各種疾病生物標志物,它們的濃度可以提供與人體生理狀態以及相關疾病的重要信息。例如:可通過汗液的pH值來表征代謝性堿中毒;葡萄糖濃度會隨著飲食和運動而變化,可用于檢測糖尿病狀況和運動表現的信息;氯化物的濃度可用于檢測囊性纖維化;乳酸鹽濃度可作為肌肉疲勞的指標;皮質醇(一種應激激素)可用于評估情緒壓力以及代謝和免疫功能[45]。Zhang等[40]開發了一種可伸展的傳感貼片,在超疏水基質上組裝熱塑性PU納米纖維墊,將不同指示劑溶液滴在納米纖維墊上的不同區域,集成了多個檢測區,可用于同時檢測pH和離子濃度,該貼片支持多路傳感化學;通過智能手機對獲取的圖像進行比色量化,分析得出pH值范圍為5.9～7.6,鈣離子濃度為0.95～6.50 mmol/L,氯離子濃度為24.50～70.00 mmol/L。該項研究展示的納米纖維墊具有多通道檢測功能,有望在個人健康監測領域大放異彩。汗液分析的局限性包括汗液分泌的變化,這取決于天氣、高溫、體力活動、壓力和化學刺激。此外,樣本蒸發、出汗率和皮膚表面污染也可能是汗液收集和分析的額外限制[46]。目前報道的文獻研究中,汗液比色傳感器的類型以貼片式為主,可將貼片直接貼在皮膚上,也可織入到織物中進行檢測。

3.2 呼吸氣體檢測

呼吸氣體中的揮發性有機化合物(VOCs)可用作各種疾病診斷的潛在生物標志物,VOCs在細胞代謝過程中釋放,通過血液循環到肺部,最后由氣體/血液交換呼出[47]。呼出的VOCs濃度的變化可以作為特定疾病的生物標志物,可以用作區分健康人和病人的臨床信息,如:糖尿病患者呼氣中的丙酮含量會明顯增大,終末期腎病患者呼氣中的氨氣濃度也會增高[48],過量的甲胺也可以用來檢測肝臟和腎臟疾病,一氧化氮水平可以用來診斷哮喘[49]。通過將響應指示劑集成到納米纖維膜中,VOCs可與指示劑結合發生顏色反應,從而實現VOCs的比色檢測。Song等[50]通過將熒光染料(姜黃素衍生物BFCUR)摻入到具有大比表面積的靜電紡絲聚乙烯吡咯烷酮納米纖維(BFCUR-ENF)中,獲得的呼吸熒光傳感器BFCUR-ENF,可檢測人體呼吸氣體中的氨氣,檢測限為22 mL/m3,同時BFCUR-ENF具有良好的光穩定性和可回收性。

4 結論和展望

隨著微納技術的飛速發展以及對傳感器小型化、高性能要求的不斷提高,小尺寸、高靈敏度、快速響應、高選擇性、低檢測限的比色傳感器已成為傳感系統的發展趨勢。越來越多的研究表明,納米纖維膜具有高比表面積、多孔隙結構、可調的表面功能等諸多優點,可有效地固定受體,確保目標物檢測具有良好的靈敏度和選擇性,因此,非侵入式納米纖維基比色傳感器已成為替代復雜侵入式監測的研究熱點。雖然目前仍面臨許多挑戰,但納米纖維膜在比色傳感領域已展現出無可比擬的優勢,但仍需推進以下相關探索:

1)穩定性。需要設計更優化的靜電紡絲工藝參數和表面改性方法控制以提升傳感器的穩定性。

2)精確定量化。進行比色量化時,需要優化相關軟件的性能以提供更精確的量化信息。

3)多目標物檢測。目前所開發的納米纖維基傳感器大多針對單一生物標志物的檢測,雖然有不少納米纖維基比色陣列傳感器用于多重標志物檢測,但往往存在穩定性不強和靈敏度不高的問題,開發比色陣列傳感器仍存在一些挑戰。

4)準確性。需開發更穩定的信號探針,將其與傳感器結合用于檢測特殊的生物標志物,從而使傳感器在檢測時不受其他物質的干擾。

隨著靜電紡絲技術和比色檢測技術的不斷成熟,納米纖維基比色傳感器有望大規模助力下一代的健康監測、早期疾病預警,以進一步提高人們的生活質量。