锌在人体中含量丰富，对精子的生物合成和活力有直接影响，因此可以作为男性不育和性侵犯法医调查的生物标志物。传统的锌检测方法包括使用1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚（PAN）作为显色剂的分子吸收分光光度法，但这些方法存在操作复杂、灵敏度低等问题。

 

因此，目前亟待解决包括提高检测灵敏度、增强传感器的选择性、评估实际应用中的稳定性、研究传感器的重复使用性以及扩大应用范围等问题。

 

针对此，来自巴西巴伊亚联邦大学化学研究所的L. A. Mercante和R. M. M. Santana团队提出了一种基于溶液吹纺技术的新型固态比色传感器，用于精液中的锌检测。该传感器具有便携、操作简单、灵敏度高和选择性好的优点，有望在临床和法医领域得到广泛应用。相关研究以“Blown spun fibers-based colorimetric sensor for detecting trace zinc in seminal fluid”为题发表在《Biosensors and Bioelectronics》上。

 

这篇文章是一篇关于基于吹纺纤维的比色传感器检测精液中的微量锌的科研论文，主要介绍了利用溶液吹纺技术制备的比色传感器在精液锌检测中的应用。以下是对本研究创新点的简要概述：

 

（1）使用溶液吹纺技术制备固态比色传感器：本研究首次将溶液吹纺技术应用于制备用于锌检测的固态比色传感器。这种技术能够快速、简便且低成本地制造高孔隙率和亲水性的纤维膜，提高了传感器的性能。    

 

（2）开发了基于PLA/PEO@PAN膜的定量点状检测法：通过数字图像比色法(DIC)，实现了对精液中的锌进行高灵敏度和高选择性的定量检测。这种方法具有操作简便、成本低廉和便携等优点，适用于现场分析。

 

（3）设计了用于精液斑定性检测的纤维拭子：研究开发了一种基于PLA/PEO@PAN纤维膜的拭子，用于精液斑的裸眼初步检测。这种拭子具有高灵敏度和高特异性，能够在法医调查中快速识别精液痕迹。

 

这篇文章为临床和法医应用中锌作为生物标志物的现场、成本效益分析提供了新的解决方案，并通过溶液吹纺技术实现了高效、灵敏的锌检测。

 

1.溶液吹纺技术制备PLA/PEO@PAN纤维膜

 

溶液吹纺技术是一种快速、简便且成本效益高的方法，用于制备具有高孔隙率和亲水性的PLA/PEO@PAN纤维膜。

 

在这项研究中，通过将PLA和PEO聚合物溶解在氯仿中，然后加入PAN并在室温下磁力搅拌1小时，制备了PLA/PEO@PAN溶液。使用自制的溶液吹纺设备，在特定的工艺参数下（如喷射速率10 mL h⁻¹，空气压力3 bar，工作距离30 cm，收集器转速180 rpm）将溶液吹纺成纤维膜。

 

这些纤维膜随后被用于制备圆盘和拭子，以进行Zn²⁺的定量和定性检测。  

图1 PLA/PEO@PAN膜的制备及其在Zn²⁺检测中的应用

 

2.纤维膜的物理化学表征

 

纤维膜的物理化学表征通过多种技术进行，以全面了解其结构和性能。

 

首先，使用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维膜的形态，结果显示膜具有随机取向的平滑纤维表面。其次，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，确认了PLA/PEO聚合物混合物和PAN的成功结合。此外，接触角测量结果表明，PEO的加入显著提高了膜的亲水性，使其更适合于与水性介质中的分析物相互作用。

 

这些表征数据共同证明了所制备的PLA/PEO@PAN纤维膜具有良好的物理和化学性能，为后续的传感应用提供了坚实的基础。    

 

图2 PLA/PEO@PAN膜的FTIR光谱和接触角测量

 

3.PLA/PEO@PAN膜对Zn²⁺的定量检测

 

PLA/PEO@PAN膜对Zn²⁺的定量检测通过数字图像比色法（DIC）进行。

 

首先，将制备的膜切割成直径为6毫米的圆盘，并将其浸入含有不同浓度Zn²⁺溶液的聚丙烯支撑中。在优化条件下（如pH 9.5，溶液体积100微升），膜圆盘在15分钟内与Zn²⁺反应，导致颜色从橙色变为红色。通过USB台式数字显微镜采集反应前后的数字图像，并使用ImageJ软件分析RGB颜色变化。结果表明，PLA/PEO@PAN膜在0.06至15 mg L⁻¹的范围内表现出良好的线性响应，检测限（LOD）为0.06 mg L⁻¹。此外，该方法在重复性测试中显示出低于1%的相对标准偏差（RSD），证明了其高精度和可靠性。

 

这些数据表明，PLA/PEO@PAN膜适用于精液等复杂生物样品中Zn²⁺的定量分析。    

图3 PLA/PEO@PAN膜对Zn²⁺的响应

 

4.纤维拭子在精液斑定性检测中的应用

 

纤维拭子在精液斑定性检测中的应用展示了其作为初步筛查工具的潜力。研究通过将不同量的精液涂抹在棉布上，并使用PLA/PEO@PAN拭子进行擦拭和检测。结果表明，即使精液斑中仅含有0.11微克的锌，拭子也能产生明显的颜色变化，从而实现视觉上的定性检测。此外，通过盲测实验，非专业人员在识别精液斑方面表现出高达87%的一致性率，证明了该方法的可靠性和实用性。这些结果强调了PLA/PEO@PAN拭子在法医鉴定和性侵犯案件调查中的潜在应用价值。    

图4 PLA/PEO@PAN拭子的精液斑检测

 

5. PLA/PEO@PAN膜与Zn²⁺的反应机制

 

PLA/PEO@PAN膜与Zn²⁺的反应机制主要通过光谱分析和形态学观察进行研究。漫反射光谱（DRS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，PAN与Zn²⁺形成配合物，导致膜的颜色从橙色变为红色。具体来说，PAN在463 nm处有强吸收峰，与Zn²⁺反应后在560 nm处出现新的吸收峰，这是由于形成了Zn(PAN)₂配合物。SEM图像显示，膜纤维表面在反应后出现了结晶结构，这可能是Zn(PAN)₂配合物的形成所致。这些结果共同揭示了PLA/PEO@PAN膜与Zn²⁺之间的反应机制，即PAN中的氮原子和萘酚环中的氧原子与Zn²⁺配位形成稳定的配合物，从而实现Zn²⁺的检测。

图5 PLA/PEO@PAN膜与Zn²⁺的相互作用

 

综上所述，本文介绍了一种基于溶液吹纺技术制备的PLA/PEO@PAN纤维膜，用于精液中的锌离子检测。通过将PLA、PEO和PAN结合，利用溶液吹纺技术制备了高孔隙率和亲水性的纤维膜。这些膜被制成圆盘和拭子，分别用于Zn²⁺的定量和定性检测。定量检测通过数字图像比色法实现，显示出良好的线性响应和低检测限。定性检测通过拭子对精液斑进行视觉检测，表现出高灵敏度和特异性。此外，纤维膜的物理化学表征和反应机制研究进一步证实了其在锌离子检测中的有效性和可靠性。总体而言，这种基于PLA/PEO@PAN纤维膜的传感器为临床和法医应用提供了一种简便、低成本且高效的检测方法。

 

未来，这种基于PLA/PEO@PAN纤维膜的传感器有望在男性不育诊断和性侵犯调查中发挥重要作用。通过进一步优化膜的性能和提高检测的准确性，这种传感器可以成为临床和法医实验室的常规工具。此外，该技术还可以扩展到其他金属离子的检测，以及在环境监测和食品安全等领域的应用。

 

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116943    

来源：Internet

关键词： 锌 比色传感器