科研快讯 | 幽门螺杆菌无创检测新方法：基于氨气传感的低成本解决方案
幽门螺杆菌（Hp）感染的早期发现与治疗对预防消化性溃疡和胃癌具有重要意义。尿素呼气试验（UBT）是目前广泛使用的非侵入性诊断手段，但依赖同位素标记尿素及相应的质谱或红外检测设备，成本较高且需专业操作。
近期一项研究提出了一种基于呼出气中氨气（NH₃）检测的替代性诊断策略，具备良好的用户友好性与经济性。该研究通过在商用一次性pH试纸上修饰羧甲基纤维素钠，显著提升了其在气态环境中的稳定性与响应性能。功能化后的传感器可同时响应酸性气体（如HCl、CH₃COOH）和碱性气体（如NH₃），并展现出连续72小时监测鱼类腐败产氨过程的可靠性能，验证了其在实时气体监测中的应用潜力。
经体外实验及初步临床研究验证，该改性pH试纸传感器用于幽门螺杆菌感染检测表现出良好的可行性。研究表明，这一简易传感平台可作为现行C-13尿素呼气试验（UBT）的有效补充和替代方案，尤其适用于资源有限或现场快速筛查的场景。
本研究为推动Hp感染的低成本、高效率筛查提供了新的技术路径，具有显著的临床应用与转化前景。
一、引言
呼出气中氨（NH₃）浓度的监测已成为一种具有潜力的疾病无创诊断策略。健康人呼出气中NH₃的平均浓度约为0.83 ppm，而在肾脏疾病或消化性溃疡患者中，该浓度可升高至0.82–14.7 ppm（平均值为4.88 ppm）。此外，NH₃呼气检测正逐步作为尿素呼气试验（UBT）的替代方法，用于幽门螺杆菌（H. pylori）感染的诊断。幽门螺杆菌是一种微需氧、革兰阴性、螺旋状带鞭毛的细菌，定植于胃和十二指肠区域。据估计，全球约50%人口存在幽门螺杆菌感染，其中超过80%的感染者无临床症状，但其感染与慢性胃炎、消化性溃疡及胃癌的发生密切相关。
幽门螺杆菌可分泌尿素酶，将胃内尿素分解为氨（NH₃）和二氧化碳（CO₂）。因此，感染者摄入尿素后，呼出气中NH₃和CO₂水平显著升高。目前，美国FDA已批准使用C13-或C14-标记尿素进行UBT检测，通过测量呼出中同位素标记的CO₂以实现幽门螺杆菌感染的无创诊断。尽管该方法准确性较高，但C13-尿素成本昂贵，C14-尿素则涉及放射性且需依赖专用检测设备，限制了其广泛应用。因此，开发一种经济、便捷的幽门螺杆菌呼气检测手段具有重要现实意义。
在呼气NH₃检测方面，已有多种技术被报道，包括化学传感器、光谱法、气相色谱-质谱联用（GC–MS）及激光光谱技术等。然而，光谱与GC–MS等方法因设备复杂、成本较高，难以广泛应用于临床常规筛查。相比之下，基于pH传感的NH₃检测方法因操作简便、灵敏可靠而显示出良好的应用潜力。目前，已有多种NH₃化学传感器被开发，如金属氧化物半导体（如SnO₂、TiO₂、WO₃）电阻型传感器，以及基于量子点与碳纳米管的场效应晶体管类传感器。这类传感器覆盖从ppb至ppm级的检测范围，但目前真正应用于人呼气NH₃分析的研究仍较为有限。
本研究团队前期工作表明，一次性pH试纸在电位滴定中表现出与常规玻璃电极相当的连续pH监测能力。在此基础上，提出一种经羧甲基纤维素钠（CMC）改性的一次性pH试纸传感器，用于通过检测人呼气中的NH₃以诊断幽门螺杆菌感染。CMC具有良好的生物相容性、可降解性和优异的成膜性能，已被用作聚电解质修饰电极，其强亲水特性也有利于极性气体分子（如NH₃、乙酸和HCl）的吸附。本研究首先评估了该传感器对酸性和碱性气体的响应性能，进而通过体外实验及初步临床试验验证其在幽门螺杆菌感染诊断中的可行性。
二、材料与方法
2.1 化学试剂与仪器
羧甲基纤维素钠（CMC，平均分子量 ~90,000）和刀豆尿素酶（EC 3.5.1.5）。标准pH缓冲液（pH 2、4、7、12），pH 10缓冲液。盐酸（36.5%–38.0%，ACS级）和冰乙酸（ACS级）；氨水（28–30%，CICA试剂）。尿素（>99%）和氯化钾。所有化学品均直接使用，未经进一步纯化。C-13尿素试剂盒（含5 g Proto C-13尿素，其中包括75 mg C-13尿素及调味剂，附两支呼气采样管）。实验中采用Humming Probe® UH2 pH试纸和UX100 pH计。
2.2 气体传感器制备（电极表面修饰）
将0.4%（w/w）羧甲基纤维素钠（CMC）溶于蒸馏水中，置于60℃恒温水浴中持续搅拌至完全溶解。取7 μL该溶液滴涂于电极表面，于室温（27 ± 1℃）条件下自然干燥。
2.3 基于尿素-尿素酶系统的传感器可行性验证
为评估传感器在幽门螺杆菌感染检测中的可行性，首先采用尿素-尿素酶反应体系模拟人体内尿素分解过程。幽门螺杆菌分泌的尿素酶可催化尿素水解为NH₃和CO₂，通过监测气体出口处NH₃释放量进行检测。具体步骤如下：(1) 将不同酶活单位尿素酶与磷酸盐缓冲液（PBS，30 mL，0.02 M，pH 7）置于锥形瓶中，持续通气3分钟，记录该阶段电位值作为背景；(2) 暂停通气，迅速加入尿素溶液（22.5 mg溶于1 mL PBS），混匀后恢复通气，该过程耗时约1分钟；(3) 在40分钟内持续监测并记录NH₃的累积释放量。
2.4 临床试验设计与样本检测
为验证改性UH2 pH试纸在真实临床样本中检测幽门螺杆菌感染的可行性，本研究开展了一项初步临床试验。以胃黏膜组织病理学结果和呼气试验结果为参照，对该方法进行比较评估。所有参与患者在签署知情同意书后按以下流程操作：胃镜检查前夜及当天需禁食，胃镜检查同时采集胃黏膜活检样本。术后患者首先向PIITC 1号管吹气（用于CO₂检测）和1号气袋吹气（用于改性UH2 pH试纸检测，标记为“前”值）；随后饮用含50 mL水的C-13尿素试剂溶液；15分钟后，再次向2号气袋和PIITC 2号管吹气（标记为“后”值）。PIITC采样管送交进行气相色谱-质谱（GC-MS）CO₂分析；气袋中的气体则通过改性UH2 pH试纸现场实时检测。
胃黏膜组织同时进行快速尿素酶（CLO）试验：将组织样本置于含尿素、酚红及缓冲液的培养基中，若存在幽门螺杆菌，其尿素酶分解尿素产氨导致培养基在20分钟内变为粉红色，24小时不变色则判为阴性。
三、结果与讨论
3.1 UH2 pH试纸的气体检测适应性改进
UH2 pH试纸为已获专利的一次性商用传感器，其集成工作电极（含对乙酰氨基酚或偶氮苯敏感层）、参比电极及温度传感器，无需校准即可用于液相pH测量。本研究将其通过羧甲基纤维素钠（CMC）改性拓展至气体检测。CMC为亲水性聚合物，可吸附水分子及极性气体（如NH₃、乙酸和HCl），气体解离后释放的H⁺被底层pH敏感层捕获，引起电位变化（下图a）。
将改性传感器置于不同挥发性溶液上方进行测试（下图b）。在浓乙酸和盐酸蒸气中，电位分别上升至约750 mV和950 mV；置于氨水溶液上方时电位显著下降，而对照缓冲液（pH 7）保持约650 mV稳定电位，表明改性试纸可灵敏响应酸性与碱性气体。
3.2 氨气定量检测性能
通过标准浓度氨气生成系统（下图a）测试传感器性能。氨气浓度经滴定法定标，并按理想气体定律计算袋中气体浓度。传感器在15–30分钟内对0–5.76 ppm的NH₃呈现持续响应（下图b），响应值与浓度呈线性关系（下图c），重复测试精密度为0.6%–6%。以3倍空白信号标准差计算，检测限为0.2–0.3 ppm，满足临床呼气NH₃检测需求。
3.3 幽门螺杆菌检测可行性
采用尿素-尿素酶系统模拟人体内反应。随尿素酶量（4–50 U）增加，NH₃累积释放量上升，传感器响应显著提高（下图），表明其通过检测NH₃以替代C13-UBT的可行性。
3.4 选择性评估
呼气中常见干扰物如丙酮（最高约2500 ppb）和乙醇（13–1000 ppb）在0.1%–0.5%浓度下未引起显著响应。NH₃与0.1%乙醇或丙酮混合时，响应无统计学差异（p > 0.05，t检验），证明传感器具有良好的选择性。
3.5 临床样本测试与对比
以GC–MS测定C13-CO2/12CO2比值计算DOB值（DOB ≥ 4%为阳性），CLO试验为参照，对比改性UH2试纸检测结果（下表）。发现一例假阴性，归因于CO₂共生成及呼出CO₂（4%–5%）溶解产生的H⁺部分中和NH₃，导致信号降低。可通过增加尿素用量以提高NH₃产量克服此问题。当前工艺下，设定响应变化阈值ΔE ≥ 75 mV（基于空白标准差25 mV）可区分感染状态。
本研究传感器在成本、便携性和实时性方面优于光声激光光谱等现有技术，虽重复性与选择性需进一步优化，但显示出良好的临床转化潜力。
四、结论
本研究发展了一种基于商用Humming Probe UH2 pH试纸的气体传感方法，通过羧甲基纤维素钠（CMC）改性实现其对呼气中氨气（NH₃）的检测，为幽门螺杆菌感染诊断提供了新型无创检测策略。该传感器利用CMC层的吸湿性与离子导电特性，在气态环境中实现对HCl、CH₃COOH及NH₃等多种极性气体的稳定响应，展现出良好的多功能性与环境适应性。
改性传感器在气态NH₃检测中表现出较高的灵敏度与实时监测能力，不仅成功应用于鱼类腐败过程中NH₃释放的动态监测，也在尿素酶-尿素反应体系中实现对NH₃生成的定量跟踪。其对丙酮、乙醇等常见呼气干扰物的抗干扰性能良好，进一步支持其在幽门螺杆菌感染检测中替代C-13尿素呼气试验的潜力。
尽管当前传感器在电极工艺一致性与临床适用性方面仍需进一步优化，但其以非同位素尿素作为底物，显著降低了检测成本与设备依赖。本研究提出的传感器与气体采样袋集成策略，为开发经济、便捷且适用于床旁诊断的幽门螺杆菌感染检测方法提供了新路径。
