新型可穿戴荧光传感器：快速检测导尿管袋中大肠杆菌，助力尿路感染诊断

尿路感染是全球范围内常见的细菌感染疾病，严重影响着人们的健康，每年导致大量急诊和住院病例，耗费巨额医疗成本。CAUTI 作为 UTI的常见类型，占医院获得性感染的一半以上。大肠杆菌是引发 UTI 的主要病菌，约占病例的 85%-90%，在 CAUTI 病例中也超过 20%。传统的诊断方法，如尿液分析和尿培养，存在明显缺陷。尿液分析虽快速，但灵敏度欠佳；尿培养虽准确，却需长达两天时间才能出结果。聚合酶链反应（PCR）虽能在5小时内给出高精度结果，但操作要求专业人员执行，限制了其广泛应用。

这款新型可穿戴传感器巧妙地解决了这些难题。它配备灵活的印刷电路板（FPCB），可轻松附着在导尿管袋上。其工作原理基于大肠杆菌特异性酶反应：预先在导尿管袋中添加4-基伞形酮基-β-D-葡萄糖醛酸苷（MUG），大肠杆菌利用β-葡萄糖醛酸酶代谢MUG，代谢产物在紫外线激发下产生荧光。传感器通过多通道颜色传感器，同时检测激发光和发射光，基于两者强度的总对比度来确定大肠杆菌的存在，有效减少外界光照和环境变化的干扰，确保检测结果稳定准确。

图 1：展示可穿戴荧光传感器安装在导尿管袋上的整体外观、各部件结构、手机控制界面及检测部分的布局。

在硬件设计上，该传感器亮点颇多。8 个紫外线发光二极管（LED）环绕传感器，提供均匀的激发光。树莓派 Zero 2 W 充当蓝牙服务器和传感器控制器，不仅提升检测结果的安全性，还让使用更便捷。可充电的 2000 mAh 锂离子电池为设备供电，续航约10小时，满足长时间监测需求，且支持更换不同容量电池，灵活调整使用时长。定制的 3D 打印外壳保护电子元件，FPCB 的 “T” 形设计使 LED 和颜色传感器与导尿管袋充分接触，增强检测效率。

图 2：呈现设备电子单元功能架构、应用界面信号记录过程、信号处理算法流程及传感器信号处理原理。

配套的智能手机应用程序极大地提升了用户体验。通过蓝牙连接，用户能远程控制设备、实时传输数据，并在手机端进行数据分析，无需借助云计算。一旦检测到大肠杆菌，应用会立即发出通知，并根据检测时间估算初始细菌浓度，展示在手机屏幕上。

图 3：反映不同浓度大肠杆菌样本检测时，总对比度随时间的变化、平均检测时间及二者的线性关系。

研究人员对传感器性能进行了全面测试。在检测不同浓度大肠杆菌样本时，该设备表现出色，能在 3.5 小时内检测出浓度为10⁵CFU/mL 的大肠杆菌，9 小时内检测出 1 CFU/mL 的大肠杆菌，检测时间与大肠杆菌浓度的对数呈强线性相关。在特异性测试中，针对多种革兰氏阳性和阴性细菌（如表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌）的测试显示，只有大肠杆菌样本产生阳性结果，充分证明了其高特异性。此外，利用体外膀胱模型和人尿样本的测试表明，该传感器在模拟实际情况下也能稳定准确地检测大肠杆菌，检测时间与静态样本相近。

图 4：对比不同细菌样本检测情况，以及大肠杆菌在不同样本和场景下的检测结果。

该传感器制作成本较低，原型制作成本约 47 美元，每次测试材料成本约 17 美元，具备大规模应用的潜力。不过，研究团队也指出，未来还需进一步完善。一方面，将引入酶促反应动力学建模和试剂扩散动力学分析，优化传感器校准，提升检测时间与细菌浓度关系的解读准确性；另一方面，需要更多临床样本测试和大规模临床试验，验证其在真实临床环境中的适用性、安全性和有效性，推动其融入常规临床实践。

参考文献：Xu W, Althumayri M, Tarman A Y, et al. An Integrated Wearable Fluorescence Sensor for E. coli Detection in Catheter Bags[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2025: 117539.