鋅在人體中含量豐富，對精子的生物合成和活力有直接影響，因此可以作為男性不育和性侵犯法醫(yī)調查的生物標志物。傳統的鋅檢測方法包括使用1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚（PAN）作為顯色劑的分子吸收分光光度法，但這些方法存在操作復雜、靈敏度低等問題。

因此，目前亟待解決包括提高檢測靈敏度、增強傳感器的選擇性、評估實際應用中的穩(wěn)定性、研究傳感器的重復使用性以及擴大應用范圍等問題。

針對此，來自巴西巴伊亞聯邦大學化學研究所的L. A. Mercante和R. M. M. Santana團隊提出了一種基于溶液吹紡技術的新型固態(tài)比色傳感器，用于精液中的鋅檢測。該傳感器具有便攜、操作簡單、靈敏度高和選擇性好的優(yōu)點，有望在臨床和法醫(yī)領域得到廣泛應用。相關研究以“Blown spun fibers-based colorimetric sensor for detecting trace zinc in seminal fluid”為題發(fā)表在《Biosensors and Bioelectronics》上。

這篇文章是一篇關于基于吹紡纖維的比色傳感器檢測精液中的微量鋅的科研論文，主要介紹了利用溶液吹紡技術制備的比色傳感器在精液鋅檢測中的應用。以下是對本研究創(chuàng)新點的簡要概述：

（1）使用溶液吹紡技術制備固態(tài)比色傳感器：本研究首次將溶液吹紡技術應用于制備用于鋅檢測的固態(tài)比色傳感器。這種技術能夠快速、簡便且低成本地制造高孔隙率和親水性的纖維膜，提高了傳感器的性能。    

（2）開發(fā)了基于PLA/PEO@PAN膜的定量點狀檢測法：通過數字圖像比色法(DIC)，實現了對精液中的鋅進行高靈敏度和高選擇性的定量檢測。這種方法具有操作簡便、成本低廉和便攜等優(yōu)點，適用于現場分析。

（3）設計了用于精液斑定性檢測的纖維拭子：研究開發(fā)了一種基于PLA/PEO@PAN纖維膜的拭子，用于精液斑的裸眼初步檢測。這種拭子具有高靈敏度和高特異性，能夠在法醫(yī)調查中快速識別精液痕跡。

這篇文章為臨床和法醫(yī)應用中鋅作為生物標志物的現場、成本效益分析提供了新的解決方案，并通過溶液吹紡技術實現了高效、靈敏的鋅檢測。

1.溶液吹紡技術制備PLA/PEO@PAN纖維膜

溶液吹紡技術是一種快速、簡便且成本效益高的方法，用于制備具有高孔隙率和親水性的PLA/PEO@PAN纖維膜。

在這項研究中，通過將PLA和PEO聚合物溶解在氯仿中，然后加入PAN并在室溫下磁力攪拌1小時，制備了PLA/PEO@PAN溶液。使用自制的溶液吹紡設備，在特定的工藝參數下（如噴射速率10 mL h?¹，空氣壓力3 bar，工作距離30 cm，收集器轉速180 rpm）將溶液吹紡成纖維膜。

這些纖維膜隨后被用于制備圓盤和拭子，以進行Zn²?的定量和定性檢測。  

圖1 PLA/PEO@PAN膜的制備及其在Zn²?檢測中的應用

2.纖維膜的物理化學表征

纖維膜的物理化學表征通過多種技術進行，以全面了解其結構和性能。

首先，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維膜的形態(tài)，結果顯示膜具有隨機取向的平滑纖維表面。其次，通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析，確認了PLA/PEO聚合物混合物和PAN的成功結合。此外，接觸角測量結果表明，PEO的加入顯著提高了膜的親水性，使其更適合于與水性介質中的分析物相互作用。

這些表征數據共同證明了所制備的PLA/PEO@PAN纖維膜具有良好的物理和化學性能，為后續(xù)的傳感應用提供了堅實的基礎。    

圖2 PLA/PEO@PAN膜的FTIR光譜和接觸角測量

3.PLA/PEO@PAN膜對Zn²?的定量檢測

PLA/PEO@PAN膜對Zn²?的定量檢測通過數字圖像比色法（DIC）進行。

首先，將制備的膜切割成直徑為6毫米的圓盤，并將其浸入含有不同濃度Zn²?溶液的聚丙烯支撐中。在優(yōu)化條件下（如pH 9.5，溶液體積100微升），膜圓盤在15分鐘內與Zn²?反應，導致顏色從橙色變?yōu)榧t色。通過USB臺式數字顯微鏡采集反應前后的數字圖像，并使用ImageJ軟件分析RGB顏色變化。結果表明，PLA/PEO@PAN膜在0.06至15 mg L?¹的范圍內表現出良好的線性響應，檢測限（LOD）為0.06 mg L?¹。此外，該方法在重復性測試中顯示出低于1%的相對標準偏差（RSD），證明了其高精度和可靠性。

這些數據表明，PLA/PEO@PAN膜適用于精液等復雜生物樣品中Zn²?的定量分析。    

圖3 PLA/PEO@PAN膜對Zn²?的響應

4.纖維拭子在精液斑定性檢測中的應用

纖維拭子在精液斑定性檢測中的應用展示了其作為初步篩查工具的潛力。研究通過將不同量的精液涂抹在棉布上，并使用PLA/PEO@PAN拭子進行擦拭和檢測。結果表明，即使精液斑中僅含有0.11微克的鋅，拭子也能產生明顯的顏色變化，從而實現視覺上的定性檢測。此外，通過盲測實驗，非專業(yè)人員在識別精液斑方面表現出高達87%的一致性率，證明了該方法的可靠性和實用性。這些結果強調了PLA/PEO@PAN拭子在法醫(yī)鑒定和性侵犯案件調查中的潛在應用價值。    

圖4 PLA/PEO@PAN拭子的精液斑檢測

5. PLA/PEO@PAN膜與Zn²?的反應機制

PLA/PEO@PAN膜與Zn²?的反應機制主要通過光譜分析和形態(tài)學觀察進行研究。漫反射光譜（DRS）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析表明，PAN與Zn²?形成配合物，導致膜的顏色從橙色變?yōu)榧t色。具體來說，PAN在463 nm處有強吸收峰，與Zn²?反應后在560 nm處出現新的吸收峰，這是由于形成了Zn(PAN)?配合物。SEM圖像顯示，膜纖維表面在反應后出現了結晶結構，這可能是Zn(PAN)?配合物的形成所致。這些結果共同揭示了PLA/PEO@PAN膜與Zn²?之間的反應機制，即PAN中的氮原子和萘酚環(huán)中的氧原子與Zn²?配位形成穩(wěn)定的配合物，從而實現Zn²?的檢測。

圖5 PLA/PEO@PAN膜與Zn²?的相互作用

綜上所述，本文介紹了一種基于溶液吹紡技術制備的PLA/PEO@PAN纖維膜，用于精液中的鋅離子檢測。通過將PLA、PEO和PAN結合，利用溶液吹紡技術制備了高孔隙率和親水性的纖維膜。這些膜被制成圓盤和拭子，分別用于Zn²?的定量和定性檢測。定量檢測通過數字圖像比色法實現，顯示出良好的線性響應和低檢測限。定性檢測通過拭子對精液斑進行視覺檢測，表現出高靈敏度和特異性。此外，纖維膜的物理化學表征和反應機制研究進一步證實了其在鋅離子檢測中的有效性和可靠性?？傮w而言，這種基于PLA/PEO@PAN纖維膜的傳感器為臨床和法醫(yī)應用提供了一種簡便、低成本且高效的檢測方法。

未來，這種基于PLA/PEO@PAN纖維膜的傳感器有望在男性不育診斷和性侵犯調查中發(fā)揮重要作用。通過進一步優(yōu)化膜的性能和提高檢測的準確性，這種傳感器可以成為臨床和法醫(yī)實驗室的常規(guī)工具。此外，該技術還可以擴展到其他金屬離子的檢測，以及在環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領域的應用。

文章來源：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116943