基于葡萄糖氧化酶耦合纤维素膜的电化学生物传感器，用于连续监测流动腹腔引流液中的α-淀粉酶

《Biosensors and Bioelectronics》：Electrochemical biosensor based on glucose oxidase-coupled cellulose membrane for continuous monitoring of α-amylase in flowing abdominal drainage fluids

开发一种集成葡萄糖氧化酶修饰纤维素膜、碳屏幕打印电极和微流控通道的电化学生物传感器，实现高危术后胰腺 fistula（POPF）患者腹腔引流液中α-淀粉酶活性的实时、抗干扰连续监测，检测限34.7 U/L，线性范围100-10000 U/L，初步临床验证显示与医院检测结果一致，为临床连续监测提供新方法。

　　

唐晓辉|蔡燕|李宗辉|张敏|梁冰清|刘新宇|陈翔|史楠|谢思佳|陈畅

上海交通大学医学院瑞金医院医学芯片研究所，中国上海200025

摘要

尽管α-淀粉酶检测在诊断术后胰腺瘘方面起着关键作用，但传统的间歇性检测方法存在固有的延迟问题，临床实验室负担过重，且有色素分泌液的干扰。为了解决这些问题，我们开发了一种电化学生物传感器，能够实现对高风险胰腺瘘（POPF）患者腹腔引流液中α-淀粉酶活性的连续床边监测。该系统结合了计时电流法、葡萄糖氧化酶功能化的纤维素纤维膜、碳纳米印刷电极和微流控通道，可在流动的临床样本中进行连续、无色干扰的检测。传感器的检测范围为100-10000 U/L，检测限为34.7 U/L。为确保重复性，采用了单点校准和现场重建方法来最小化批次间的差异。初步验证结果表明，该传感器与医院报告的数值相当，显示出潜在的临床应用价值，尽管还需要更大规模的队列研究来完全确立其准确性和可靠性。总体而言，这项概念验证研究展示了在动态流动条件下对原始引流液中α-淀粉酶的定量检测，为连续监测和临床应用迈出了重要一步。

引言

术后胰腺瘘（POPF）发生在约40%的胰腺手术中，由胰管损伤或吻合口失败引起（图1a），导致富含酶的液体（如α-淀粉酶、脂肪酶和胰蛋白酶等）泄漏，可能引发致命的腹腔感染或出血（Davidson等人，2017；Yang等人，2024）。预防POPF在胰腺手术中至关重要。根据2016年更新的国际胰腺外科研究组（ISGPS）标准，当术后第3天或更晚时，引流液中的α-淀粉酶（DFA）超过正常血清上限的三倍（35-135 IU/L）时，即可临床诊断为POPF，并需要积极的治疗干预（Bassi等人，2017）。值得注意的是，根据欧洲加速康复外科（ERAS）协会的指南，DFA水平达到5000 U/L是POPF的临界诊断阈值（Melloul等人，2020）。因此，DFA检测是实现POPF患者救命手术干预的关键。

然而，其实际应用受到全球胰腺癌发病率上升的严重限制，仅中国每年就有超过118,000例新病例，且医疗资源高度集中在大型专业医疗机构，如上海交通大学医学院瑞金医院（每年超过2000例手术）（Zhan等人，2025）。这种集中趋势反而超出了临床工作能力的承受范围。再加上传统DFA检测耗时较长（在临床实验室中需要长达6小时），在实际操作中很难为每个高风险患者提供及时的生化监测，这迫切需要自动化、床边监测解决方案（Zhao等人，2024）。在这种情况下，绕过测试订购、样本运输和实验室积压等瓶颈，即使进行间断性的每小时测量，也能为POPF提供具有临床意义的诊断信息。

此外，传统的DFA检测依赖于商业检测试剂盒和大型光谱平台，这些设备仅限于集中式实验室使用，根本无法在床边使用（Aykut等人，2019；Jenkins等人，2023）。此外，人体腹腔引流液（ADF）通常由于多种病理生理过程而高度着色（Gluth等人，2024），这种颜色干扰会大大降低光谱测量的准确性。因此，开发不受颜色干扰的DFA监测方法对于及时干预POPF至关重要。

电化学方法提供了可行的替代方案，对复杂生物液体中的颜色干扰具有内在的抗性。与其他检测方法（如石英晶体微天平、液晶检测、微滴系统和侧向流动装置等）不同，电化学系统能够自然适应流动的生物液体，实现无缝的连续信号采集（Bhattacharjee等人，2020；Gibbs等人，2015；Hong和Jang，2021；Zhao等人，2022）。这种内在的流体兼容性便于与临床引流系统直接连接，有可能实现实时生化监测。然而，之前的电化学策略（包括免疫传感器、酶生物传感器和电导平台）主要针对唾液和血液样本，尚未充分探索ADF的直接分析方法，且这些方法并未针对连续监测进行设计（Garcia等人，2018；Guo等人，2016；Mandal等人，2018；Teixeira等人，2016）。此外，这些方法通常需要经过培训的人员手动操作，缺乏连续监测功能，从而增加了人员负担。尽管已有报道使用荧光微流控平台进行连续α-淀粉酶检测，但高昂的成本和可能的颜色干扰可能限制其实际应用。据我们所知，目前还没有任何方法能够同时实现POPF高风险患者的连续床边DFA监测和抗颜色干扰。

在这里，我们展示了一种概念验证的电化学传感设备（ESD），采用流动池配置，能够实现生物液体中α-淀粉酶的连续、无色干扰监测。检测过程包括α-淀粉酶对淀粉的水解、固定在纤维素纤维膜（CFM）上的葡萄糖氧化酶（GOD）对葡萄糖的氧化，以及碳纳米印刷电极（CSPE）对H₂O₂的计时电流检测，从而量化α-淀粉酶的活性。在瑞金医院的六名胰腺手术患者的引流液上进行系统性的表征测试后，证明了该设备用于床边DFA监测的可行性。

材料与试剂

α-淀粉酶（从猪胰腺中提取，比活性：40-60 U/mg蛋白质，生物超纯级，Adamas life，中国）；支链淀粉（(C₆H₁₀O₅)n·xH₂O，来自玉米，Aladdin，中国）；D-(+)-葡萄糖（C₆H₁₂O₆，分子量：180.16 g/mol，超纯级：≥99.5%，Aladdin，中国）；D-(+)-麦芽糖一水合物（C₁₂H₂₂O₁₁·H₂O，分子量：360.31 g/mol，HPLC级：≥98.0%，Aladdin，中国）；葡萄糖氧化酶（GOD，EnzymoPure?级：≥50 U/mg冻干粉，Aladdin，中国）等。

原型工作原理

由于间歇性检测的延迟和有色素分泌液的光学干扰，准确及时的POPF DFA检测仍然具有挑战性（图1a-b）。因此，采用流动池配置的自动化生物传感器可以实现对POPF的连续监测，显著减少人工干预（图1c）。为了验证电化学检测在动态流动样本中的概念验证，制作了如图所示的ESD原型。

结论

在这项工作中，我们提出了一种概念验证的电化学生物传感器，通过整合GOD-CFM和CSPE实现了POPF高风险患者的连续床边DFA监测和抗颜色干扰。以淀粉为底物，该系统通过葡萄糖衍生的H₂O₂氧化来检测α-淀粉酶催化的水解反应。观察到的双线性校准响应范围为10-10000 U/L，其机制通过Damk?hler数分析得到了解释。

CRediT作者贡献声明

刘新宇：研究工作。梁冰清：软件开发。张敏：资源协调、数据分析。陈畅：撰写、审稿与编辑、监督、资金争取。谢思佳：撰写、审稿与编辑、监督、资金争取。史楠：撰写、审稿与编辑、验证、方法学研究。陈翔：研究工作。李宗辉：研究工作、数据管理。蔡燕：资源协调、数据分析、概念构思。唐晓辉：初稿撰写、软件开发、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2025YFC3408600）、“Cultivation Star”项目（编号2024PY034）、瑞金医院-上海交通大学医学院的GuangCi创新技术计划（编号KY2023810）和GuangCi Deep Mind项目，以及上海中医药大学的Putuo医院启动基金（2025-YJRC-03）和华东师范大学-上海普陀区中心的资助。