非侵入式纳米纤维基比色传感器的研究进展

李志辉，郁 娟，李 彦，b，王 璐，b

(东华大学 a.纺织学院;b.纺织面料技术教育部重点实验室, 上海 201620)

随着生活水平的不断提高,人们的健康意识和保健需求也逐渐加强,不论是正常人群还是亚健康或患病群体,都希望能及时了解与健康、疾病发展密切相关的体内生物指标变化[1]。Mordor Intelligence的市场调研报告[2]显示,2016年监测、诊断设备及服务的市场约达77.1亿美元,近5年来该市场以46%的年复合增长率不断扩张。然而,传统疾病诊断方式多受限于专业人员人数及高精密仪器等,不仅诊断效率低,还给患者带来一定的经济负担,这也促使人体自主健康监测向携带方便、操作简单、结果即时可得的方向发展。比色传感器是一种以颜色变化为分析基础,通过裸眼观察或智能识别颜色,直接或间接实现对引起颜色变化的目标物进行定性、定量检测的手段[3]。具有非侵入性健康监测功能的比色传感器也是体外诊断中即时检测(point-of-care testing, POCT)的重要形式[4],在实现个性化医疗服务方面具有很大的潜力[5],这种传感器可对一些无创收集的体液(唾液[6]、尿液[7])和呼吸气体进行连续监测,使用人员也无需过多的专业知识积累。这种POCT手段对实现个性化医疗服务而言非常重要,可帮助人们对自身不利条件或疾病进行早期预测和诊断,从而实现更快、更有效的治疗。

目前,比色传感器正朝着简单、成本低、响应快速等方向发展[8],这些都在一定程度上依赖于传感材料自身的性能。静电纺纳米纤维膜具有孔隙率高、柔韧性好和比表面积大的特点,是设计高灵敏度、快速响应和用户友好的传感器的理想材料。纳米纤维不仅可以直接作为比色传感器使用,还可以结合到各种检测平台上作为传感器的载体,包括侧流层析(lateral flow assays,LFA)平台及微流控芯片,其作为基于颜色反应的光学传感器检测平台,与精密的实验室诊断技术相比,具有小型化、便捷、低成本、易操作等特点。这也使得这些传感器检测平台更契合普通百姓的日常诊断需求,在POCT应用方面受到了极大的关注。本文旨在研究纳米纤维在比色传感器中不同的构建方式以及其发挥的作用,通过静电纺丝技术将比色功能元件集成到纳米纤维膜中实现比色功能,也可以利用纳米纤维膜的结构和性能优势作为LFA平台和微流控芯片的载体,并展望了纳米纤维基比色传感器在实现个性化医疗服务方面的应用。

1 纳米纤维基比色传感器的构建

1.1 比色元件

比色分析的机理主要依赖于比色元件,这些元件会与目标物发生化学或生物反应而显色,信号读取可直接肉眼识别或借助仪器进行颜色信号处理。已有不同的指示剂染料(酚红、甲基红、溴百里酚蓝(BTB)、酚酞等)、金属离子、酶、纳米颗粒、共轭高分子和杂环化合物等材料作为比色信号元件被用于设计比色传感器[9]。基于pH指示剂法,即在特定的pH值内可使指示剂显示不同的颜色,例如:BTB和甲基红是2种酸碱指示剂,前者的pH变色范围为6.0(黄)～7.6(蓝),中性条件下呈浅绿色,后者的pH变色范围为4.4(红)～6.2(黄)。金属离子可以和配体发生络合反应,形成显色的络合物,因此金属离子也可做为比色元件识别目标物。基于生物酶的天然催化性能或纳米材料自身具有的过氧化物模拟酶活性和催化性,可通过催化显色底物实现目标物的分析检测,例如葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOx)可以催化葡萄糖并释放过氧化氢,随后辣根过氧化物酶可以催化3,3′5,5′-四甲基联苯胺形成氧化物而显蓝色[10]。基于纳米材料的聚集或分散状态引起的颜色变化,也可实现目标物的分析检测,以金纳米颗粒(aurum naoparticles,AuNPs)为代表的贵金属纳米材料具有强的等离子体共振效应,分析物会诱导AuNPs的聚集,致使等离子体激元带加宽和移动从而产生颜色变化[11]。共轭高分子在构象改变时会改变颜色,利用其合成的各种衍生物可以检测蛋白质、DNA和细胞等生物分子。一些杂环化合物,比如卟啉或经过修饰的卟啉具有较大的共轭环结构,可以通过轴向配位、氢键和静电相互作用等分子间相互作用与多种物质结合,卟啉化合物与目标化合物的结合会导致不同的颜色变化。这使上述比色元件成为产生有用的比色传感方法的极佳选择,因此,可根据不同的显色机制构建不同类型的比色传感器。

1.2 载体元件

在比色检测的基质环境中,载体元件可分为固相载体和液相载体,然而在液相环境中进行比色检测往往需要更烦琐的步骤,检测结果不直观,需要借助仪器对结果进行分析,设备成本较高。而常见的固相载体包括硝化纤维素(nitrocellulose,NC)拉伸平板膜、聚苯乙烯(PS)膜、96孔板、纤维素滤纸等,要求固相载体牢固地结合显色元件或以较大的容量吸附识别元件,并且在固相载体中进行比色分析的操作简单,检测结果直观,成本较低。静电纺丝制备的纳米纤维膜因其独特的纤维形态、比表面积、多孔性、柔韧性和易于功能化等特点,成为各种生物分子比色检测的极佳平台[12],这也使得纳米纤维膜成为替代传统固相载体的合适候选者。

纳米纤维的特性使得其已被用于具有更高负载能力、更好灵敏度和更快响应时间的传感器载体元件[13]。静电纺纤维膜作为LFA平台的反应垫,可实现目标物与分析物之间的颜色反应。微流控芯片以纳米纤维膜为载体,纤维膜上的微流控通道可使目标物与分析物结合,从而实现微流控检测。基于纳米纤维膜的LFA平台和微流控芯片都因纳米纤维膜的高负载能力、多孔结构和多活性位点等而具有更高的灵敏度。

1.3 比色量化

比色量化是一种将颜色主观分析转化为量化分析的一种方法,即利用图像分析软件将颜色信息转换为一定颜色空间下的数字信号,以探索量化后的数字信号与分析物浓度之间的相关性[14]。使用数码相机或智能手机在获得高质量的图像后,利用Image J、Adobe Photoshop、Image Color Picker、Color Grab等软件对数字图像进行数据处理,提取图像的色度值(包括RGB值、HSV值、灰度值或吸光度)后,研究色度值或其函数与分析物浓度的相关性,再进行线性拟合,从而建立相关的标准曲线。将构建的被测分析物浓度的色度数学模型存储在应用程序中,由智能手机读取色度值后即可得到分析物的浓度值。值得注意的是,采用不同的颜色通道值进行线性拟合时,拟合程度往往不同,应该遵循提供最大动态范围的通道[15],根据该通道值进行分析物浓度与函数关系的拟合,由此达到最接近线性拟合的效果。Dutta等[16]开发了一个基于智能手机的传感平台,只需拍摄经过特定试剂处理的样本照片,将HSV颜色空间的V通道作为检测参数,绘制了V通道的变化与分析物浓度的关系图,经线性拟合可知,牛血清白蛋白和过氧化氢酶的线性拟合度分别为0.992和0.978,具有最佳的线性拟合效果,因此可以估计生物分子浓度。Mahato等[17]利用碱性磷酸酶对5-溴-4-氯-3-吲哚基磷酸的催化作用,产生蓝绿色沉淀物,将其作为分析信号,使用智能手机摄像头捕捉蓝绿复合体,在用不同的RGB值进行线性拟合分析时,发现R值(RGB色彩模式中的R值)具有最高的灵敏度,基于比色定量分析,碱性磷酸酶检测的动态范围为10～1 000 U/mL,检出限为(0.87±0.07)U/mL。基于智能手机的比色定量检测正在助力比色传感器成为一种更为强大、快速和准确的普适性的诊断工具,当然在具体分析时也要进行相应的验证,然后选取最佳的颜色通道值进行量化分析。

2 典型纳米纤维基比色传感器

2.1 纳米纤维基比色膜

将比色功能引入纳米纤维为分析物相互作用或信号转导提供机会,可利用掺杂纳米纤维、功能化聚合物或表面改性处理方式实现在纤维中引入功能元件,其3种方式如图1所示。

图1 纳米纤维基比色膜的3种不同构建方式Fig.1 Three different binding modes of nanofibers-based colorimetric mats

掺杂是将功能元件结合到纳米纤维中以制造比色纳米纤维传感器,通过添加染料或金属纳米颗粒来生产掺杂比色纳米纤维,染料或纳米粒子在所应用的聚合物溶液体系中能很好地溶解或均匀地分散,则掺杂染料或纳米粒子的纳米纤维膜可以直接制备,常用的聚合物有聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺66(PA 66)、聚氧化乙烯(PEO)、聚己内酯(PCL)、聚氨酯(PU)等,这种掺杂染料或纳米粒子被包裹在纳米纤维聚合物网络中。Arafat等[18]成功地将BTB吸附到聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)纳米纤维膜中,pH值低于6.0时,BTB呈微黄色,当pH值逐渐升高时,BTB颜色逐渐从黄色变为绿色再变为蓝色。将金属纳米颗粒固定在载体上,存在目标物质时可诱导纳米颗粒聚集,从而产生不同的颜色变化。Rostami等[19]将AuNPs固定在静电纺丝纳米纤维膜的表面上,以获得一种新的杂化材料,用于尿液中多巴胺的检测。

除此之外,还可将官能团共价连接到聚合物主链或侧链上实现功能化聚合物,该方法可有效固定显色元件。针对功能化聚合物这一策略,一些共轭聚合物如聚噻吩类、聚苯胺、聚吡咯类等,它们的共轭主链具有固有的比色性能,这些共轭聚合物可用来制造纳米纤维,但是如果聚合物缺乏机械灵活性、稳定性和溶解性,可以通过添加可纺性好的聚合物(例如PEO和PVA)来进行共混静电纺丝。Lv等[20]合成了一种卟啉染料并与4,4′-六氟异丙二苯酸酐和氧基二苯胺反应生成了聚酰亚胺(PI),其中的卟啉衍生物被引入到聚合物的主链上,将含卟化的PI进行静电纺丝形成比色纳米纤维膜,共价偶联结合不仅阻碍了染料的释放,而且阻止了卟啉化合物的聚集,稳定性得到了大大提高。对于纳米纤维膜的表面修饰,可将纳米纤维膜浸泡在溶液中,通过物理吸附或化学反应进行表面功能化处理,如在膜表面进行共价接枝或等离子体处理,这一过程比较侧重于后处理工艺。Afshari等[21]利用空气等离子体对PVA/丙二酸纳米纤维进行了表面处理,提升了GOx对纳米纤维的固定化和活性,空气等离子体处理的纳米纤维的活性是未经处理的纳米纤维的2.5倍,相较未处理的纳米纤维膜提升了显色效果。

除纳米纤维膜的形式外,还可通过静电纺丝技术以纳米纤维纱线的形式进行比色检测。纱线本身是织物材料,具有柔软性好、成本低、质量轻和力学强度高等特点,可作为非侵入式比色传感器的合适基质接触皮肤,用于电解质、代谢物、蛋白质或多肽的广泛检测。纳米纤维纱线的微观结构易使生物标志物发生活性化学反应,将纱线应用于纺织品,可开发智能织物比色传感器。Kim等[22]报道了一种基于复合纳米纤维纱线的比色传感器,该复合纳米纤维纱线以离子液体为目标物的吸附剂,醋酸铅为比色染料,实现了对H2S气体的比色检测。值得注意的是,醋酸铅有毒,可刺激皮肤、黏膜和眼睛,在作为染料掺杂在纱线中时存在一定的隐患,使用时需对其安全性进行有效的评估。

2.2 纳米纤维基LFA平台

LFA平台作为一种低成本、简单、便携和一次性的体外诊断产品,被广泛应用于POCT检测。通常LFA平台由样品垫、结合垫、层析膜和吸水垫组成[23],如图2(a)所示。样品垫用于吸收待检样品。结合垫吸附有标记的生物活性材料,它可与待检样品中的检测靶标结合形成肉眼可见的免疫复合物。层析膜是LFA平台的关键材料,其作为载体提供了分析物之间的反应,其上固定有2条或多条不同生物活性物质(如抗原或抗体)喷印的检测(T)线和质控(C)线,用于拦截带标记的免疫复合物,并可直观地显示检测结果。吸水垫为吸水纸板,用于吸收流过层析膜的待检样品。

图2 LFA平台的基本结构及纳米纤维膜的作用形式Fig.2 Basic structure of LFA platform and function form of nanofiber membrane

样品、缓冲液和分析试剂通过毛细作用力在LFA平台中进行传输,膜的孔径和芯吸时间为流体运输机理的主要参考参数。可通过调节膜孔径、孔隙率和形貌,获得低流量、高蛋白载量的免疫层析条带,从而提高检测灵敏度。层析膜发挥了反应载体、固定探针的作用,所以要求其首先具有蛋白吸附能力,其次具有亲疏水性。亲水聚合物可直接纺丝,疏水聚合物需通过亲水改性处理,同时在改性过程中不能破坏聚合物原有的蛋白吸附能力。一些含有羧基(─COOH)、羟基(─OH)、氨基(─NH2)和甲基(─CH3)等基团的聚合物对蛋白质的固定具有协同作用,常用的聚合物如PEO、聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)等。随着静电纺丝技术的日益成熟以及纳米纤维膜无可比拟的优势,用纳米纤维膜取代传统的NC膜作为反应垫已成为可能,现有研究可采用两种实现方式。第一种方式,使用纳米纤维膜作为LFA平台的层析膜,可改善层析膜的结构和性质,如图2(b)所示。Wang等[24]用静电纺纳米纤维膜取代NC膜,通过调节静电纺丝参数,增加膜的孔隙率和比表面积,建立了一种简便、灵敏的人绒毛膜促性腺激素(HCG)的比色测定方法,在最优条件下的检测限为10 mIU/mL,并且不会产生假阳性结果,大大提高了检测的灵敏度和可信度。Yew等[25]直接将静电纺PCL纳米纤维膜作为LFA平台的层析膜,纳米纤维膜的多孔结构和优异的吸附性能可大大提高检测平台的灵敏度。第二种方式,将纳米纤维整合到NC膜上,对NC膜进行改性处理,如图2(c)所示,该方式也可提高LFA平台的灵敏度。Tang等[26]通过将纤维素纳米纤维结合到NC膜中改变纸载体的性质,提高核酸LFA平台的灵敏度。该方法改变了纸载体的孔径、孔隙率、表面基团和表面积,增加了生物分子在纸载体上的吸附能力,所制备的试纸在金黄色葡萄球菌检测中的敏感性相比未改性的NC膜提高了20倍。与传统的基于试纸的LFA平台相比,基于纳米纤维的LFA平台在提高灵敏度以及降低检测限和成本等方面具有更多优势。

2.3 纳米纤维基微流控芯片

微流控芯片(又称芯片实验室)是一种在微米尺度空间对流体进行操控的技术平台,其将化学和生物实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上,使流体在固体基质的微通道中实现微分析,因此在生物医用领域具有广阔的应用前景[27]。通过微细加工方法在固体基质上形成具有液体操纵功能的微流控网络,将静电纺纳米纤维膜用作微流控芯片的衬底,以增加可用于固定大分子的表面,从而获得更高的灵敏度,在疏水性通道的衬底中,所选聚合物应满足生物相容性好、无毒、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。微流控系统的基本结构如图3(a)所示,其与酶联免疫吸附试验(enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)的形式相同,即首先将捕获试剂固定在固体底物上,然后使捕获试剂与分析物结合、分析物与标记的检测试剂结合,最后根据颜色信号对结果进行判读。在进行免疫分析时固体底物对蛋白质的吸附能力可以决定这些检测的灵敏度[28]。

图3 微流控芯片结构及流动方向Fig.3 Structure and flow direction of microfluidic chip

纳米纤维膜具有较高的孔隙率和高比表面积,可高效地吸附大分子物质。Yang等[29]以静电纺PC纳米纤维膜(ESPC)为吸附蛋白的固体基质,将其固定在玻璃片上,纳米纤维膜夹在具有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和玻璃片之间,这样就形成了以纳米纤维膜为基底的封闭的微通道结构,流体流动方向如图3(b)所示,膜上吸附有荧光素标记的抗体,ESPC的荧光强度是普通PC薄膜的10倍以上,该方法大大提高了检测的灵敏度,为疾病的诊断提供了潜在的研究价值。Liu等[30]使用高比表面积的静电纺聚偏二氟乙烯纳米纤维膜(ESPVDF)作为微流控芯片的衬底吸附蛋白质,用于固定化免疫分析,该纤维膜的堆叠结构如图3(c)所示,结果显示ESPVDF对蛋白质的吸附能力是传统PC薄膜的8倍左右,表明以ESPVDF为蛋白质吸附底物的芯片的灵敏度得到了提高。该芯片的组装方案可应用于以PDMS、玻璃片等聚合物膜为衬底的微流控芯片,纳米纤维膜可以改善蛋白质的固定化性能,从而增强免疫分析信号。

此外,还可将亲水性的纳米纤维与疏水性的微流体屏障相结合以形成微通道,使样品通过毛细管作用沿着亲水性通道进入反应区。例如,Pimentel等[31]用静电纺左旋聚乳酸(PLLA)膜替代传统纸基微流体底物,并通过等离子体处理使PLLA膜具有超亲水性,通过控制处理工艺参数来调整毛细管流速,实现控制反应时间。该材料还具有良好的可降解性、高储存稳定性、高湿强度,而这些要求是目前市售纸质基材难以获得的。静电纺纳米纤维膜在制造便携式、一次性、环保性和高灵敏度的微流体系统方面具有应用潜力,这些微流体系统具有可控的性能,可根据特定的生物技术应用要求进行定制,是替代传统纸质基材的理想材料。

3 纳米纤维基比色传感器在医疗诊断中的应用

近年来,越来越多的研究致力于预防疾病、监测代谢功能和检测细菌感染等方面。对生物液体样本和呼出气体中标志物浓度进行测定可使患者自行评估健康状况,因此,针对此类生物样本的无创分析对于个人健康监测具有重要意义。近年来不同类型纳米纤维基比色传感器在体液和呼吸气体检测方面的研究进展汇总如表1所示。

表1 近几年不同类型纳米纤维基比色传感器用于非侵入检测的研究进展Table 1 Recent advances in non-invasive detection of different types of nanofibers-based colorimetric sensors

3.1 体液检测

3.1.1 唾液

唾液可以反映人身体的健康和生理状况,例如:唾液pH是牙釉质脱钙的一个重要因素,亚硝酸盐和葡萄糖可分别用作牙周病和糖尿病的标志物[41]。唾液中皮质醇和睾酮浓度可以反映人体的疲劳状态或心血管功能,唾液中尿酸水平可作为判断肾透析患者血液透析效果的指标;此外,用于唾液分析的生物标志物除了一些固有的人体代谢物成分,还包括细菌、病毒或其他炎症检测物等。He等[42]开发了一种以纳米颗粒为发光探针的侧流层析平台,用于同时检测唾液中的3种牙周炎生物标志物,即基质金属蛋白酶-8、白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子-α,检测限分别为5.455、0.054和4.439 ng/mL。Sadir等[43]介绍了一种基于纳米纤维的ELISA试验,用静电纺纳米纤维膜来检测C-反应蛋白(CRP)水平,将生物素标记的抗CRP抗体固定在纳米纤维膜上,样品中抗原与标记的链霉亲和素荧光检测抗体偶联,偶联物与纳米纤维膜上的抗CRP抗体结合显色,该检测灵敏度为13.00 pg/mL,检测限低于常规ELISA法。基于纳米纤维膜的ELISA法的比色分析结果表明,纳米纤维基比色传感器是一种成本低、灵敏度高的护理设备,能够监测唾液中的CRP水平,可用于心血管疾病的检测。在进行唾液分析时,唾液标志物的浓度通常低于血液和其他非侵入性生物液体。此外,唾液样本中的食物颗粒、细菌和其他污染物也可能限制唾液诊断的性能,这需要对样品进行预处理或对传感器进行一定的特异性检测。

3.1.2 尿液

尿液是一种由肾脏分泌的代谢物,是血液过滤的直接产物,含有与身体健康状况相关的生物标志物。通过尿液排出的废物包括尿素、肌酐、尿酸(UA)和氨等非蛋白氮化合物、盐和离子等。尿液分析可获得一些与身体状况相关的关键信息,还可以从尿液中筛查出药物滥用的生物标记物。尿液检测量包括pH值以及葡萄糖、蛋白质、酮、肌酐、药物、无机离子、乳酸、亚硝酸盐和抗坏血酸的浓度等。其中:尿液的pH值分析可用于监测肾功能、肾小管酸中毒或其他与尿路感染有关的问题;尿白蛋白可以提供肾功能的相关信息,被认为是糖尿病和高血压患者肾病的早期预测因子;尿肌酐水平通常被用来确定肾小球滤过率,这是肾功能障碍的重要指标;UA是人体嘌呤代谢的产物,是尿液中的一种主要含氮化合物,与尿路结石和痛风等许多临床疾病有关。

Clinton等[44]制备了一种填充有AuNPs的PA6纳米纤维膜,用于比色检测人尿液中致癌化合物PAHs相关的生物标志物1-羟基芘,原纤维膜为红白色,当与生物标志物的标准溶液接触时,该纤维膜变成紫色/蓝色,且灵敏度达到100 ng/mL。同样,Mudabuka等[32]将铜金合金纳米颗粒固定在静电纺PA6纳米纤维中,用于检测尿液中的抗坏血酸水平,由于抗坏血酸可在pH值为2～7条件下诱导铜金合金纳米颗粒聚集,导致纳米纤维由白色变化为蓝色,灵敏度为1.76×10-2mg/L,检测范围为1.76×10-5～1.76×10-2mg/L。

3.1.3 汗液

汗液是由汗腺分泌的液体,其中含有电解质(如Na+、K+、Ca2+等)、代谢物(如乳酸和丙酮酸)、含氮物质(如氨基酸和蛋白质)、营养素(如葡萄糖和维生素)以及各种疾病生物标志物,它们的浓度可以提供与人体生理状态以及相关疾病的重要信息。例如:可通过汗液的pH值来表征代谢性碱中毒;葡萄糖浓度会随着饮食和运动而变化,可用于检测糖尿病状况和运动表现的信息;氯化物的浓度可用于检测囊性纤维化;乳酸盐浓度可作为肌肉疲劳的指标;皮质醇(一种应激激素)可用于评估情绪压力以及代谢和免疫功能[45]。Zhang等[40]开发了一种可伸展的传感贴片,在超疏水基质上组装热塑性PU纳米纤维垫,将不同指示剂溶液滴在纳米纤维垫上的不同区域,集成了多个检测区,可用于同时检测pH和离子浓度,该贴片支持多路传感化学;通过智能手机对获取的图像进行比色量化,分析得出pH值范围为5.9～7.6,钙离子浓度为0.95～6.50 mmol/L,氯离子浓度为24.50～70.00 mmol/L。该项研究展示的纳米纤维垫具有多通道检测功能,有望在个人健康监测领域大放异彩。汗液分析的局限性包括汗液分泌的变化,这取决于天气、高温、体力活动、压力和化学刺激。此外,样本蒸发、出汗率和皮肤表面污染也可能是汗液收集和分析的额外限制[46]。目前报道的文献研究中,汗液比色传感器的类型以贴片式为主,可将贴片直接贴在皮肤上,也可织入到织物中进行检测。

3.2 呼吸气体检测

呼吸气体中的挥发性有机化合物(VOCs)可用作各种疾病诊断的潜在生物标志物,VOCs在细胞代谢过程中释放,通过血液循环到肺部,最后由气体/血液交换呼出[47]。呼出的VOCs浓度的变化可以作为特定疾病的生物标志物,可以用作区分健康人和病人的临床信息,如:糖尿病患者呼气中的丙酮含量会明显增大,终末期肾病患者呼气中的氨气浓度也会增高[48],过量的甲胺也可以用来检测肝脏和肾脏疾病,一氧化氮水平可以用来诊断哮喘[49]。通过将响应指示剂集成到纳米纤维膜中,VOCs可与指示剂结合发生颜色反应,从而实现VOCs的比色检测。Song等[50]通过将荧光染料(姜黄素衍生物BFCUR)掺入到具有大比表面积的静电纺丝聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维(BFCUR-ENF)中,获得的呼吸荧光传感器BFCUR-ENF,可检测人体呼吸气体中的氨气,检测限为22 mL/m3,同时BFCUR-ENF具有良好的光稳定性和可回收性。

4 结论和展望

随着微纳技术的飞速发展以及对传感器小型化、高性能要求的不断提高,小尺寸、高灵敏度、快速响应、高选择性、低检测限的比色传感器已成为传感系统的发展趋势。越来越多的研究表明,纳米纤维膜具有高比表面积、多孔隙结构、可调的表面功能等诸多优点,可有效地固定受体,确保目标物检测具有良好的灵敏度和选择性,因此,非侵入式纳米纤维基比色传感器已成为替代复杂侵入式监测的研究热点。虽然目前仍面临许多挑战,但纳米纤维膜在比色传感领域已展现出无可比拟的优势,但仍需推进以下相关探索:

1)稳定性。需要设计更优化的静电纺丝工艺参数和表面改性方法控制以提升传感器的稳定性。

2)精确定量化。进行比色量化时,需要优化相关软件的性能以提供更精确的量化信息。

3)多目标物检测。目前所开发的纳米纤维基传感器大多针对单一生物标志物的检测,虽然有不少纳米纤维基比色阵列传感器用于多重标志物检测,但往往存在稳定性不强和灵敏度不高的问题,开发比色阵列传感器仍存在一些挑战。

4)准确性。需开发更稳定的信号探针,将其与传感器结合用于检测特殊的生物标志物,从而使传感器在检测时不受其他物质的干扰。

随着静电纺丝技术和比色检测技术的不断成熟,纳米纤维基比色传感器有望大规模助力下一代的健康监测、早期疾病预警,以进一步提高人们的生活质量。