仿生生物嗅觉传感器研究进展

作为自然界中最灵敏的化学感知能力之一，生物嗅觉可以实现痕量气味分子的检测和识别，并在不同生物体的生命周期中发挥举足轻重的作用。目前，通过训练狗、鼠及蜜蜂等动物，已经实现了对爆炸物、毒品及疾病标志物的检测。受此卓越嗅觉感知能力的启发，人们研究并开发了与不同嗅觉生物材料或仿生元件集成的物理化学传感器，这些传感器统称为嗅觉生物传感器。

昆虫的嗅觉器官主要包括有触角、下颚须和下唇须等，其具有极为敏感的嗅觉感知能力，可以在复杂的化学环境中以极低的浓度检测和区分不同来源的大量气味分子。这些化学气味分子所代表的信息可以帮助其定位食物、寻找配偶、选择产卵地点和躲避捕食者等。因此，利用昆虫高灵敏的嗅觉系统来构建传感器是解决气味分子检测重要手段之一。  

近日，浙江大学刘清君教授团队详细综述了昆虫嗅觉系统对气味分子的感知过程及能力，对嗅觉器官、嗅觉细胞、气味结合蛋白、嗅觉受体、特异性多肽分子等嗅觉生物敏感元件特征及传感器构建方法进行了系统的回顾，介绍了不同类型嗅觉生物传感器在疾病诊断、环境监测，及食品分析等领域中的气味检测应用实例，全面总结了不同嗅觉生物敏感元件的发展现状和气味检测优势，最后从灵敏度、特异性及实用性等角度讨论了嗅觉生物传感的发展趋势和应用前景。 

 

基于天然嗅觉敏感材料的生物传感器

一般而言，气味分子在进入嗅觉器官后会与淋巴液中的气味结合蛋白（OBPs）相结合，然后气味结合蛋白将其运输至嗅觉神经元细胞表面的嗅觉受体（ORs），气味分子与嗅觉受体结合之后引发嗅觉感知。因此，可以结合气味分子的天然嗅觉敏感元件有气味结合蛋白、嗅觉受体以及嗅觉神经元等。

作为一种细胞外蛋白，气味结合蛋白凭借其易于合成、稳定性好等优势而广泛用于嗅觉生物传感器的研究。昆虫气味结合蛋白的结构一般呈现6个α螺旋，其与气味分子的结合位点位于结构中心的输水腔（图1a）。当目标分子与气味结合蛋白相结合时，蛋白构象会发生改变。研究者利用中华蜜蜂气味结合蛋白、桔小实蝇气味结合蛋白，以及人气味结合蛋白的特性，结合电化学阻抗传感器，实现了花香气味及食源性气味等分子的传感检测（图1b）。  



图 1 昆虫气味结合蛋白

非天然嗅觉敏感材料的筛选与应用  

在天然嗅觉蛋白的研究基础上，研究学者根据气味分子与嗅觉蛋白的结合特性，通过对天然蛋白进行突变设计和表达，构建了改性的嗅觉蛋白，以此进一步提高其对目标分子的传感特性。此外，为了快速获取嗅觉生物材料，也有研究学者针对目标检测物质的特性，通过噬菌体展示技术筛选和制备高特异性的多肽链，以期解决嗅觉蛋白表达过程繁琐，稳定性不强等问题。目前，已有不同的多肽序列被成功合成并用于气味分子的传感检测。图2展示了一种多肽链耦合二维纳米材料对三硝基甲苯（TNT）的传感检测。  

图 2 多肽传感器用于三硝基甲苯的检测

利用天然嗅觉细胞及蛋白等敏感元件，结合二级换能器来构建生物传感器是人类向自然生物体学习的一种可行技术，是实现气味检测的一种有效手段。在此基础上，结合蛋白表达与纯化，计算机辅助的设计和筛选等技术，可以针对性合成突变蛋白及非天然多肽链，以此构建新型嗅觉生物传感器及检测技术。

可以预见，随着生物合成技术、检测技术、数据分析和人工智能的不断发展，嗅觉生物敏感材料的稳定性、特异性及灵敏性将进一步提升，仿生嗅觉传感器可能会显示出超出自然感知能力的气味分子检测潜力，并在疾病诊断、环境监测、食品分析等领域获得前所未有的应用。

审核编辑：刘清