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- 細胞生物傳感器助力超高靈敏度“人工鼻”實現(xiàn)
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/9/10
東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所教授竹內(nèi)昌治等人的研究小組開發(fā)出了利用與動物鼻子相似的原理檢測氣味物質(zhì)的技術(shù)（圖1）。這是通過培養(yǎng)細胞形成“氣味受體”生物傳感器而實現(xiàn)的。
以前已有研究人員開發(fā)出了基于氣味受體的傳感器，但只能對液體中的氣味物質(zhì)做出反應(yīng)。此次是首次開發(fā)出了能對氣體中的氣味物質(zhì)做出反應(yīng)的傳感器。由于能在接近人類生活的環(huán)境中使用，所以可用于機器人等廣泛領(lǐng)域。
始終以液體包覆傳感器
開發(fā)關(guān)鍵的氣味受體，是用名為“脂質(zhì)雙層膜”（lipid bilayer membrane）的細胞膜包覆的細胞。膜蛋白組織分布在整個膜中，膜蛋白具備可與特定氣味物質(zhì)結(jié)合變形的性質(zhì)，與哪種氣味物質(zhì)結(jié)合取決于膜蛋白的種類。變形后，脂質(zhì)雙層膜上會形成小孔，如果在細胞膜的內(nèi)外設(shè)置電位差，則細胞周圍的離子就會流過小孔（圖1（b））。膜蛋白即使只附著一個氣味物質(zhì)也會變形，而離子流過小孔的速度達到每秒約107個，因此能高靈敏度檢測。
此次，竹內(nèi)教授的研發(fā)小組在利用培養(yǎng)的細胞實現(xiàn)該氣味受體的同時，還使膜蛋白能對氣體中的氣味物質(zhì)做出反應(yīng)。
細胞培養(yǎng)采用生物領(lǐng)域常用的方法，也就是從昆蟲的氣味受體基因進行克隆。不過，這樣培養(yǎng)出的氣味受體只對液體中的氣味物質(zhì)有反應(yīng)。
因此，研究人員設(shè)法使這種氣味受體集合成球狀組織，在其周圍薄薄地包覆一層液體（圖1（a））。氣體中的氣味物質(zhì)一旦進入球狀體周圍的液體中，就會在液體內(nèi)形成離子，對膜蛋白發(fā)生反應(yīng)。
圖1：利用昆蟲的氣味受體制作傳感器
�。╝）人工培養(yǎng)昆蟲的氣味受體（氣味檢測蛋白質(zhì)），構(gòu)成球狀的立體構(gòu)造細胞集合體。為了使其作為氣味受體發(fā)揮作用，將其收納在含有水的微型容器內(nèi)，使其表面保持濕潤狀態(tài)。（b）氣味受體的基礎(chǔ)—膜蛋白的工作原理。與特定的氣味物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并變形，控制離子的流動。（圖：東京大學(xué)）
收納在海綿狀容器中
為了使球狀體周圍一直保持濕潤狀態(tài)，將每個球狀體收納在尺寸正合適的微型濕潤容器（微腔體）內(nèi)。微型容器利用易于包含水凝膠液體的海綿狀物質(zhì)制作。制作方法是，以光硬化性樹脂PDMS為模，向其中澆注瓊脂糖水凝膠。
構(gòu)成球狀體的氣味受體對氣味物質(zhì)做出反應(yīng)后，帶正電荷的離子會流入各自的脂質(zhì)雙層膜內(nèi)，球狀體的表面呈陰性。通過讀取這種表面電位的變化，可檢測出氣味受體是否對氣味物質(zhì)做出了反應(yīng)。
被薄薄的液體包覆住表面的氣味受體球狀體的構(gòu)造與動物的鼻子相似。另外，動物的氣味受體有100～1000個。通過組合各種氣味受體，有望再現(xiàn)人和犬等多種動物的鼻子的功能。
還開發(fā)了便攜式氣味傳感器
竹內(nèi)教授還在東京大學(xué)和慶應(yīng)義塾大學(xué)的協(xié)助下，通過由其擔(dān)任組長的神奈川科學(xué)技術(shù)院（KAST）人工細胞系統(tǒng)小組，推進人工再現(xiàn)氣味受體功能的研究。
該小組制作了人工細胞膜（脂質(zhì)雙層膜），其中嵌入了能對氣味物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的膜蛋白。制作方法是，在含有脂質(zhì)的油中滴入少量水形成水滴，則水滴被單層脂質(zhì)包覆，使兩個水滴接觸，其表面就會形成脂質(zhì)雙層膜（圖2），然后在脂質(zhì)雙層膜中嵌入膜蛋白，就能作為氣味受體使用了。
圖2：人工制作氣味受體
人工制作氣味受體的基礎(chǔ)—脂質(zhì)雙層膜的方法。（a）使在油中滴入水滴形成的水泡接觸。表面像脂質(zhì)雙層膜一樣工作。（b）使兩個水滴接觸時。（c）在脂質(zhì)雙層膜中嵌入膜蛋白的方法。（圖和照片由東京大學(xué)提供）
圖3：以人工方式再現(xiàn)氣味受體的便攜式氣味傳感器）
此次開發(fā)的是可檢測氣味物質(zhì)的便攜式裝置（圖3）。以前在檢測脂質(zhì)雙層膜的電位變化時，必須使用屏蔽裝置去除周圍噪聲。而且，以前的測量系統(tǒng)一般都是臺式的。
此次利用MEMS（微電子機械系統(tǒng)）將氣味受體制成了芯片，將該芯片安裝在小型放大器上。放大器采用的是擁有低噪聲、高靈敏度放大器技術(shù)的美國Tecella公司開發(fā)的器件（膜片鉗放大器）。
研究人員利用試制的系統(tǒng)在環(huán)境惡劣的富士山頂測量了氣味受體的電流變化。今后，竹內(nèi)等人將利用該技術(shù)開發(fā)可配備于智能手機等的面向個人用途的氣味傳感器。
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