李志輝，郁 娟，李 彥，b，王 璐，b

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院;b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng),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(fā)展密切相關(guān)的體內(nèi)生物指標(biāo)變化[1]。Mordor Intelligence的市場調(diào)研報(bào)告[2]顯示,2016年監(jiān)測、診斷設(shè)備及服務(wù)的市場約達(dá)77.1億美元,近5年來該市場以46%的年復(fù)合增長率不斷擴(kuò)張。然而,傳統(tǒng)疾病診斷方式多受限于專業(yè)人員人數(shù)及高精密儀器等,不僅診斷效率低,還給患者帶來一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),這也促使人體自主健康監(jiān)測向攜帶方便、操作簡單、結(jié)果即時可得的方向發(fā)展。比色傳感器是一種以顏色變化為分析基礎(chǔ),通過裸眼觀察或智能識別顏色,直接或間接實(shí)現(xiàn)對引起顏色變化的目標(biāo)物進(jìn)行定性、定量檢測的手段[3]。具有非侵入性健康監(jiān)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(shí)現(xiàn)個性化醫(yī)療服務(wù)方面具有很大的潛力[5],這種傳感器可對一些無創(chuàng)收集的體液(唾液[6]、尿液[7])和呼吸氣體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,使用人員也無需過多的專業(yè)知識積累。這種POCT手段對實(shí)現(xiàn)個性化醫(yī)療服務(wù)而言非常重要,可幫助人們對自身不利條件或疾病進(jìn)行早期預(yù)測和診斷,從而實(shí)現(xiàn)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(yīng)快速等方向發(fā)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(diǎn),是設(shè)計(jì)高靈敏度、快速響應(yīng)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(jié)合到各種檢測平臺上作為傳感器的載體,包括側(cè)流層析(lateral flow assays,LFA)平臺及微流控芯片,其作為基于顏色反應(yīng)的光學(xué)傳感器檢測平臺,與精密的實(shí)驗(yàn)室診斷技術(shù)相比,具有小型化、便捷、低成本、易操作等特點(diǎn)。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(yīng)用方面受到了極大的關(guān)注。本文旨在研究納米纖維在比色傳感器中不同的構(gòu)建方式以及其發(fā)揮的作用,通過靜電紡絲技術(shù)將比色功能元件集成到納米纖維膜中實(shí)現(xiàn)比色功能,也可以利用納米纖維膜的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)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(shí)現(xiàn)個性化醫(yī)療服務(wù)方面的應(yīng)用。

1 納米纖維基比色傳感器的構(gòu)建

1.1 比色元件

比色分析的機(jī)理主要依賴于比色元件,這些元件會與目標(biāo)物發(fā)生化學(xué)或生物反應(yīng)而顯色,信號讀取可直接肉眼識別或借助儀器進(jìn)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(lán)(BTB)、酚酞等)、金屬離子、酶、納米顆粒、共軛高分子和雜環(huán)化合物等材料作為比色信號元件被用于設(shè)計(jì)比色傳感器[9]?；趐H指示劑法,即在特定的pH值內(nèi)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(lán)),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(fā)生絡(luò)合反應(yīng),形成顯色的絡(luò)合物,因此金屬離子也可做為比色元件識別目標(biāo)物。基于生物酶的天然催化性能或納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(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(lián)苯胺形成氧化物而顯藍(lán)色[10]?；诩{米材料的聚集或分散狀態(tài)引起的顏色變化,也可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(qiáng)的等離子體共振效應(yīng),分析物會誘導(dǎo)AuNPs的聚集,致使等離子體激元帶加寬和移動從而產(chǎn)生顏色變化[11]。共軛高分子在構(gòu)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(zhì)、DNA和細(xì)胞等生物分子。一些雜環(huán)化合物,比如卟啉或經(jīng)過修飾的卟啉具有較大的共軛環(huán)結(jié)構(gòu),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(zhì)結(jié)合,卟啉化合物與目標(biāo)化合物的結(jié)合會導(dǎo)致不同的顏色變化。這使上述比色元件成為產(chǎn)生有用的比色傳感方法的極佳選擇,因此,可根據(jù)不同的顯色機(jī)制構(gòu)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(zhì)環(huán)境中,載體元件可分為固相載體和液相載體,然而在液相環(huán)境中進(jìn)行比色檢測往往需要更煩瑣的步驟,檢測結(jié)果不直觀,需要借助儀器對結(jié)果進(jìn)行分析,設(shè)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(jié)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(jìn)行比色分析的操作簡單,檢測結(jié)果直觀,成本較低。靜電紡絲制備的納米纖維膜因其獨(dú)特的纖維形態(tài)、比表面積、多孔性、柔韌性和易于功能化等特點(diǎn),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(tǒng)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(fù)載能力、更好靈敏度和更快響應(yīng)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(yīng)墊,可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物與分析物之間的顏色反應(yīng)。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(biāo)物與分析物結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)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(fù)載能力、多孔結(jié)構(gòu)和多活性位點(diǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為一定顏色空間下的數(shù)字信號,以探索量化后的數(shù)字信號與分析物濃度之間的相關(guān)性[14]。使用數(shù)碼相機(jī)或智能手機(jī)在獲得高質(zhì)量的圖像后,利用Image J、Adobe Photoshop、Image Color Picker、Color Grab等軟件對數(shù)字圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)與分析物濃度的相關(guān)性,再進(jìn)行線性擬合,從而建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。將構(gòu)建的被測分析物濃度的色度數(shù)學(xué)模型存儲在應(yīng)用程序中,由智能手機(jī)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(jìn)行線性擬合時,擬合程度往往不同,應(yīng)該遵循提供最大動態(tài)范圍的通道[15],根據(jù)該通道值進(jìn)行分析物濃度與函數(shù)關(guān)系的擬合,由此達(dá)到最接近線性擬合的效果。Dutta等[16]開發(fā)了一個基于智能手機(jī)的傳感平臺,只需拍攝經(jīng)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(shù),繪制了V通道的變化與分析物濃度的關(guān)系圖,經(jīng)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(jì)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(chǎn)生藍(lán)綠色沉淀物,將其作為分析信號,使用智能手機(jī)攝像頭捕捉藍(lán)綠復(fù)合體,在用不同的RGB值進(jìn)行線性擬合分析時,發(fā)現(xiàn)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(tài)范圍為10～1 000 U/mL,檢出限為(0.87±0.07)U/mL。基于智能手機(jī)的比色定量檢測正在助力比色傳感器成為一種更為強(qiáng)大、快速和準(zhǔn)確的普適性的診斷工具,當(dāng)然在具體分析時也要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證,然后選取最佳的顏色通道值進(jìn)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(zhuǎn)導(dǎo)提供機(jī)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(shí)現(xiàn)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(gòu)建方式Fig.1 Three different binding modes of nanofibers-based colorimetric mats

摻雜是將功能元件結(jié)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(chǎn)摻雜比色納米纖維,染料或納米粒子在所應(yīng)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)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(dāng)pH值逐漸升高時,BTB顏色逐漸從黃色變?yōu)榫G色再變?yōu)樗{(lán)色。將金屬納米顆粒固定在載體上,存在目標(biāo)物質(zhì)時可誘導(dǎo)納米顆粒聚集,從而產(chǎn)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(tuán)共價(jià)連接到聚合物主鏈或側(cè)鏈上實(shí)現(xiàn)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(jī)械靈活性、穩(wěn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)行靜電紡絲形成比色納米纖維膜,共價(jià)偶聯(lián)結(jié)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(wěn)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(xué)反應(yīng)進(jìn)行表面功能化處理,如在膜表面進(jìn)行共價(jià)接枝或等離子體處理,這一過程比較側(cè)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(jìn)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(jīng)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(shù)以納米纖維紗線的形式進(jìn)行比色檢測。紗線本身是織物材料,具有柔軟性好、成本低、質(zhì)量輕和力學(xué)強(qiáng)度高等特點(diǎn),可作為非侵入式比色傳感器的合適基質(zhì)接觸皮膚,用于電解質(zhì)、代謝物、蛋白質(zhì)或多肽的廣泛檢測。納米纖維紗線的微觀結(jié)構(gòu)易使生物標(biāo)志物發(fā)生活性化學(xué)反應(yīng),將紗線應(yīng)用于紡織品,可開發(fā)智能織物比色傳感器。Kim等[22]報(bào)道了一種基于復(fù)合納米纖維紗線的比色傳感器,該復(fù)合納米纖維紗線以離子液體為目標(biāo)物的吸附劑,醋酸鉛為比色染料,實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(chǎn)品,被廣泛應(yīng)用于POCT檢測。通常LFA平臺由樣品墊、結(jié)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(jié)合墊吸附有標(biāo)記的生物活性材料,它可與待檢樣品中的檢測靶標(biāo)結(jié)合形成肉眼可見的免疫復(fù)合物。層析膜是LFA平臺的關(guān)鍵材料,其作為載體提供了分析物之間的反應(yīng),其上固定有2條或多條不同生物活性物質(zhì)(如抗原或抗體)噴印的檢測(T)線和質(zhì)控(C)線,用于攔截帶標(biāo)記的免疫復(fù)合物,并可直觀地顯示檢測結(jié)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(jié)構(gòu)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(xì)作用力在LFA平臺中進(jìn)行傳輸,膜的孔徑和芯吸時間為流體運(yùn)輸機(jī)理的主要參考參數(shù)。可通過調(diào)節(jié)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(fā)揮了反應(yīng)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(tuán)的聚合物對蛋白質(zhì)的固定具有協(xié)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(shù)的日益成熟以及納米纖維膜無可比擬的優(yōu)勢,用納米纖維膜取代傳統(tǒng)的NC膜作為反應(yīng)墊已成為可能,現(xiàn)有研究可采用兩種實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)和性質(zhì),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(diào)節(jié)靜電紡絲參數(shù),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(yōu)條件下的檢測限為10 mIU/mL,并且不會產(chǎn)生假陽性結(jié)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(jié)構(gòu)和優(yōu)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(jìn)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(jié)合到NC膜中改變紙載體的性質(zhì),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(tuán)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?jiān)诮瘘S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(tǒng)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(yōu)勢。

2.3 納米纖維基微流控芯片

微流控芯片(又稱芯片實(shí)驗(yàn)室)是一種在微米尺度空間對流體進(jìn)行操控的技術(shù)平臺,其將化學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)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(zhì)的微通道中實(shí)現(xiàn)微分析,因此在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[27]。通過微細(xì)加工方法在固體基質(zhì)上形成具有液體操縱功能的微流控網(wǎng)絡(luò),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(yīng)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(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,其與酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(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(jié)合、分析物與標(biāo)記的檢測試劑結(jié)合,最后根據(jù)顏色信號對結(jié)果進(jìn)行判讀。在進(jìn)行免疫分析時固體底物對蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)。Yang等[29]以靜電紡PC納米纖維膜(ESPC)為吸附蛋白的固體基質(zhì),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(jié)構(gòu),流體流動方向如圖3(b)所示,膜上吸附有熒光素標(biāo)記的抗體,ESPC的熒光強(qiáng)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(jià)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(zhì),用于固定化免疫分析,該纖維膜的堆疊結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示,結(jié)果顯示ESPVDF對蛋白質(zhì)的吸附能力是傳統(tǒng)PC薄膜的8倍左右,表明以ESPVDF為蛋白質(zhì)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(yīng)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(zhì)的固定化性能,從而增強(qiáng)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(jié)合以形成微通道,使樣品通過毛細(xì)管作用沿著親水性通道進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。例如,Pimentel等[31]用靜電紡左旋聚乳酸(PLLA)膜替代傳統(tǒng)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(shù)來調(diào)整毛細(xì)管流速,實(shí)現(xiàn)控制反應(yīng)時間。該材料還具有良好的可降解性、高儲存穩(wěn)定性、高濕強(qiáng)度,而這些要求是目前市售紙質(zhì)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(huán)保性和高靈敏度的微流體系統(tǒng)方面具有應(yīng)用潛力,這些微流體系統(tǒng)具有可控的性能,可根據(jù)特定的生物技術(shù)應(yīng)用要求進(jìn)行定制,是替代傳統(tǒng)紙質(zhì)基材的理想材料。

3 納米纖維基比色傳感器在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用

近年來,越來越多的研究致力于預(yù)防疾病、監(jiān)測代謝功能和檢測細(xì)菌感染等方面。對生物液體樣本和呼出氣體中標(biāo)志物濃度進(jìn)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(chuàng)分析對于個人健康監(jiān)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(jìn)展匯總?cè)绫?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(jìn)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(zhì)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(biāo)志物[41]。唾液中皮質(zhì)醇和睪酮濃度可以反映人體的疲勞狀態(tài)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(biāo);此外,用于唾液分析的生物標(biāo)志物除了一些固有的人體代謝物成分,還包括細(xì)菌、病毒或其他炎癥檢測物等。He等[42]開發(fā)了一種以納米顆粒為發(fā)光探針的側(cè)流層析平臺,用于同時檢測唾液中的3種牙周炎生物標(biāo)志物,即基質(zhì)金屬蛋白酶-8、白細(xì)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(yàn),用靜電紡納米纖維膜來檢測C-反應(yīng)蛋白(CRP)水平,將生物素標(biāo)記的抗CRP抗體固定在納米纖維膜上,樣品中抗原與標(biāo)記的鏈霉親和素?zé)晒鈾z測抗體偶聯(lián),偶聯(lián)物與納米纖維膜上的抗CRP抗體結(jié)合顯色,該檢測靈敏度為13.00 pg/mL,檢測限低于常規(guī)ELISA法。基于納米纖維膜的ELISA法的比色分析結(jié)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(hù)理設(shè)備,能夠監(jiān)測唾液中的CRP水平,可用于心血管疾病的檢測。在進(jìn)行唾液分析時,唾液標(biāo)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(xì)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(jìn)行預(yù)處理或?qū)鞲衅鬟M(jìn)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(chǎn)物,含有與身體健康狀況相關(guān)的生物標(biāo)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(guān)的關(guān)鍵信息,還可以從尿液中篩查出藥物濫用的生物標(biāo)記物。尿液檢測量包括pH值以及葡萄糖、蛋白質(zhì)、酮、肌酐、藥物、無機(jī)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(jiān)測腎功能、腎小管酸中毒或其他與尿路感染有關(guān)的問題;尿白蛋白可以提供腎功能的相關(guān)信息,被認(rèn)為是糖尿病和高血壓患者腎病的早期預(yù)測因子;尿肌酐水平通常被用來確定腎小球?yàn)V過率,這是腎功能障礙的重要指標(biāo);UA是人體嘌呤代謝的產(chǎn)物,是尿液中的一種主要含氮化合物,與尿路結(jié)石和痛風(fēng)等許多臨床疾病有關(guān)。

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(guān)的生物標(biāo)志物1-羥基芘,原纖維膜為紅白色,當(dāng)與生物標(biāo)志物的標(biāo)準(zhǔn)溶液接觸時,該纖維膜變成紫色/藍(lán)色,且靈敏度達(dá)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(dǎo)銅金合金納米顆粒聚集,導(dǎo)致納米纖維由白色變化為藍(lán)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(zhì)(如Na+、K+、Ca2+等)、代謝物(如乳酸和丙酮酸)、含氮物質(zhì)(如氨基酸和蛋白質(zhì))、營養(yǎng)素(如葡萄糖和維生素)以及各種疾病生物標(biāo)志物,它們的濃度可以提供與人體生理狀態(tài)以及相關(guān)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(yùn)動而變化,可用于檢測糖尿病狀況和運(yùn)動表現(xiàn)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(biāo);皮質(zhì)醇(一種應(yīng)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(fā)了一種可伸展的傳感貼片,在超疏水基質(zhì)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(qū)域,集成了多個檢測區(qū),可用于同時檢測pH和離子濃度,該貼片支持多路傳感化學(xué);通過智能手機(jī)對獲取的圖像進(jìn)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(xiàng)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(jiān)測領(lǐng)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(xué)刺激。此外,樣本蒸發(fā)、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(bào)道的文獻(xiàn)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(jìn)行檢測。

3.2 呼吸氣體檢測

呼吸氣體中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)可用作各種疾病診斷的潛在生物標(biāo)志物,VOCs在細(xì)胞代謝過程中釋放,通過血液循環(huán)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(biāo)志物,可以用作區(qū)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(yīng)指示劑集成到納米纖維膜中,VOCs可與指示劑結(jié)合發(fā)生顏色反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性和可回收性。

4 結(jié)論和展望

隨著微納技術(shù)的飛速發(fā)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(yīng)、高選擇性、低檢測限的比色傳感器已成為傳感系統(tǒng)的發(fā)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(jié)構(gòu)、可調(diào)的表面功能等諸多優(yōu)點(diǎn),可有效地固定受體,確保目標(biāo)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(fù)雜侵入式監(jiān)測的研究熱點(diǎn)。雖然目前仍面臨許多挑戰(zhàn),但納米纖維膜在比色傳感領(lǐng)域已展現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢,但仍需推進(jìn)以下相關(guān)探索:

1)穩(wěn)定性。需要設(shè)計(jì)更優(yōu)化的靜電紡絲工藝參數(shù)和表面改性方法控制以提升傳感器的穩(wěn)定性。

2)精確定量化。進(jìn)行比色量化時,需要優(yōu)化相關(guān)軟件的性能以提供更精確的量化信息。

3)多目標(biāo)物檢測。目前所開發(fā)的納米纖維基傳感器大多針對單一生物標(biāo)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(biāo)志物檢測,但往往存在穩(wěn)定性不強(qiáng)和靈敏度不高的問題,開發(fā)比色陣列傳感器仍存在一些挑戰(zhàn)。

4)準(zhǔn)確性。需開發(fā)更穩(wěn)定的信號探針,將其與傳感器結(jié)合用于檢測特殊的生物標(biāo)志物,從而使傳感器在檢測時不受其他物質(zhì)的干擾。

隨著靜電紡絲技術(shù)和比色檢測技術(shù)的不斷成熟,納米纖維基比色傳感器有望大規(guī)模助力下一代的健康監(jiān)測、早期疾病預(yù)警,以進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量。