受昆虫启发的嗅觉传感器：石墨烯芯片+昆虫嗅觉受体
2026-07-31 17:33:26 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项受昆虫启发的嗅觉传感器研究工作为构建受自然启发的、基于半导体的生物化学传感系统开辟了新道路，有望应用于医疗保健、环境监测、食品品质检测、农业以及生物防御等领域。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）研究人员将一种名为“跳石蛃（jumping bristletail）”的昆虫嗅觉受体，集成到由石墨烯制成的半导体芯片中，成功研制出一种新型仿生嗅觉传感器，能够探测多种小分子有机化合物。这种仿生生物电子传感器可检测并区分传统电子传感器难以分辨的分子。这项研究工作为构建受自然启发的、基于半导体的生物化学传感系统开辟了新道路，有望应用于医疗保健、环境监测、食品品质检测、农业以及生物防御等领域。
相关研究论文以“Graphene Nanosensor for the Detection of Small Organic Compounds Using an Insect Olfactory Receptor”为题，发表于Advanced Materials期刊。加州大学圣地亚哥分校详细介绍了一种可规模化制备昆虫赫拉贝石蛃（Machilis hrabei）MhOR5嗅觉受体的方法，并将纯化后的MhOR5蛋白通过化学方法集成到高性能石墨烯场效应晶体管（gFET）上。gFET是一种依赖石墨烯替代硅作为导电材料的半导体器件，对分子层面的变化具有极高的灵敏度。
注：受体是一种能够特异性识别并结合细胞外信号分子（称为配体，例如激素、神经递质、药物等）的活性蛋白质，它能将外部信号转导至细胞内部，从而引发特定的生物学效应。
上方为gFET传感器芯片封装之后的示意图；下方为gFET传感器芯片架构的原理图
研究人员利用MhOR5功能化的gFET传感器，在不同浓度下对包括避蚊胺（DEET）、己醇（hexanol）和丁香酚（eugenol）在内的16种化学结构各异的化合物进行了测试。该传感器对16种化合物均产生了随浓度变化的电信号响应。
加州大学圣地亚哥分校生物工程系教授、该研究论文的通讯作者Kiana Aran表示：“工程学、生物学、生物制造和半导体技术的进步，使得我们如今能够重现其它生物卓越的嗅觉感知能力，并将其直接与可规模化生产的半导体芯片相集成。我们不再仅仅停留于生物学研究层面，而是开始以可规模化制造的方式，将生物功能与半导体技术进行整合。”
为了制造、纯化并将MhOR5蛋白集成到gFET传感器芯片中，研究人员提取了该嗅觉受体的基因序列，进行合成后转染至哺乳动物细胞中。他们从细胞膜中纯化出MhOR5蛋白，并发现其四聚体形式在-80°C（-112°F）下储存3个月后依然稳定。研究团队制造的MhOR5蛋白在经历数次冻融循环后同样保持稳定。
随后，研究团队使用碳二亚胺交联剂反应化学以及PBASE分子，将纯化后的MhOR5蛋白通过化学方法连接到gFET传感器平台的石墨烯表面。PBASE分子能够将包括蛋白质在内的分子与石墨烯等碳基纳米材料连接起来。
这是首次将MhOR5嗅觉受体直接集成到gFET传感器芯片上，以实现对小分子有机化合物的选择性、无标记检测。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74079
延伸阅读：
上一篇：智能手机辅助的呼气检测仪，实现居家监测脂肪代谢状态
下一篇：最后一页