依靠细胞生物传感器实现超高灵敏度“人工鼻”
2014-09-08 15:10:35   来源：微迷   评论：0   点击：

东京大学生产技术研究所教授竹内昌治等人的研究小组开发出了利用与动物鼻子相似的原理检测气味物质的技术。这是通过培养细胞形成“气味受体”生物传感器而实现的。

以前已有研究人员开发出了基于气味受体的传感器，但只能对液体中的气味物质做出反应。此次是首次开发出了能对气体中的气味物质做出反应的传感器。由于能在接近人类生活的环境中使用，所以可用于机器人等广泛领域。

始终以液体包覆传感器

开发关键的气味受体，是用名为“脂质双层膜”（lipid bilayer membrane）的细胞膜包覆的细胞。膜蛋白组织分布在整个膜中，膜蛋白具备可与特定气味物质结合变形的性质，与哪种气味物质结合取决于膜蛋白的种类。变形后，脂质双层膜上会形成小孔，如果在细胞膜的内外设置电位差，则细胞周围的离子就会流过小孔（图1（b））。膜蛋白即使只附着一个气味物质也会变形，而离子流过小孔的速度达到每秒约107个，因此能高灵敏度检测。

图1 利用昆虫的气味受体制作传感器

此次，竹内教授的研发小组在利用培养的细胞实现该气味受体的同时，还使膜蛋白能对气体中的气味物质做出反应。

细胞培养采用生物领域常用的方法，也就是从昆虫的气味受体基因进行克隆。不过，这样培养出的气味受体只对液体中的气味物质有反应。

因此，研究人员设法使这种气味受体集合成球状组织，在其周围薄薄地包覆一层液体（图1（a））。气体中的气味物质一旦进入球状体周围的液体中，就会在液体内形成离子，对膜蛋白发生反应。

收纳在海绵状容器中

为了使球状体周围一直保持湿润状态，将每个球状体收纳在尺寸正合适的微型湿润容器（微腔体）内。微型容器利用易于包含水凝胶液体的海绵状物质制作。制作方法是，以光硬化性树脂PDMS为模，向其中浇注琼脂糖水凝胶。

构成球状体的气味受体对气味物质做出反应后，带正电荷的离子会流入各自的脂质双层膜内，球状体的表面呈阴性。通过读取这种表面电位的变化，可检测出气味受体是否对气味物质做出了反应。

被薄薄的液体包覆住表面的气味受体球状体的构造与动物的鼻子相似。另外，动物的气味受体有100～1000个。通过组合各种气味受体，有望再现人和犬等多种动物的鼻子的功能。

还开发了便携式气味传感器

竹内教授还在东京大学和庆应义塾大学的协助下，通过由其担任组长的神奈川科学技术院（KAST）人工细胞系统小组，推进人工再现气味受体功能的研究。

该小组制作了人工细胞膜（脂质双层膜），其中嵌入了能对气味物质发生反应的膜蛋白。制作方法是，在含有脂质的油中滴入少量水形成水滴，则水滴被单层脂质包覆，使两个水滴接触，其表面就会形成脂质双层膜（图2），然后在脂质双层膜中嵌入膜蛋白，就能作为气味受体使用了。

图2 人工制作气味受体

此次开发的是可检测气味物质的便携式装置（图3）。以前在检测脂质双层膜的电位变化时，必须使用屏蔽装置去除周围噪声。而且，以前的测量系统一般都是台式的。

图3 以人工方式再现气味受体的便携式气味传感器

此次利用MEMS（微电子机械系统）将气味受体制成了芯片，将该芯片安装在小型放大器上。放大器采用的是拥有低噪声、高灵敏度放大器技术的美国Tecella公司开发的器件（膜片钳放大器）。

研究人员利用试制的系统在环境恶劣的富士山顶测量了气味受体的电流变化。今后，竹内等人将利用该技术开发可配备于智能手机等的面向个人用途的气味传感器。