让电脑拥有敏锐的嗅觉——研究人员创造了一种生物混合嗅觉传感器

VOC传感器设计

VOC传感器的管道和通道网络示意图。资料来源:©2020 AAAS/Takeuchi等。

敏锐的嗅觉是许多生物共有的一种强大的能力。然而,事实证明,它很难通过人工手段复制。研究人员将生物和工程元素结合起来,创造出所谓的生物杂交成分。其挥发性有机化合物传感器能有效检测气体形式的气味。他们希望完善这一概念,用于医疗诊断和有害物质的检测。

诸如照相机、麦克风和压力传感器等电子设备使机器能够从光学、声学和物理上感知和量化环境。然而,尽管我们的嗅觉是自然界最原始的感官之一,但事实证明,人工复制嗅觉是非常困难的。经过数百万年的进化,这种感觉已经得到了完善,研究人员正在努力追赶。


敏锐的嗅觉是许多生物共有的一种强大的能力。然而,事实证明,它很难通过人工手段复制。研究人员将生物和工程元素结合起来,创造出所谓的生物杂交成分。其挥发性有机化合物传感器能有效检测气体形式的气味。他们希望完善这一概念,用于医疗诊断和有害物质的检测。资料来源:©2020 AAAS/Takeuchi等。

“气味,空中化学签名,可以在调查中携带有关环境或样品的有用信息。然而,由于缺乏具有足够敏感性和选择性的传感器,这些信息没有利用得很好,“来自东京大学生物冬小时实验室的Shoji Takeuchi教授说。“另一方面,生物体使用气味信息非常有效。因此,我们决定将现有的生物传感器直接与人工系统结合,以产生高度敏感的挥发性有机化合物(VOC)传感器。我们称之为这些生物淹没传感器。“

Takeuchi和他的团队基本上将一组嗅球受体从昆虫移植到一种对受体中喂养某些气味的装置,并且还阅读受体如何应对这些气味。来自嗅觉受体的电信号的分析表明了哪些分子触发了信号。这种方法产生很大的敏感性,并且由于受体在脂质双层内物理束缚的方式,因此可能是可能的。在以前的实验中,这种方法有限地限制了气味可以传递给受体的方式,但该团队也为此问题创建了有效的解决方案。

VOC传感器细节

VOC传感器和其中一个分子交换装置的近距离照片。资料来源:©2020 AAAS/Takeuchi等。

“受体对液滴中的分子反应,因此主要挑战之一是使一种装置从空气中移植到这些液滴中,”Takeuchi说。“我们在液滴通过以强制这种分子交换的情况下设计和制造的微观狭缝。通过将气体引入微玻璃,我们能够增加气体和液滴之间接触的概率,并有效地将靶分子转移到流体。“

有了这个系统,研究人员能够在测试对象的呼吸中检测到微量的化学物质辛烯醇,也被称为蘑菇醇,这种物质可以吸引蚊子。不仅如此,VOC传感器还可以检测到十亿分之一的浓度。这比狗鼻子的灵敏度要低一千倍,但这仍然是一个令人印象深刻的成就,并激励着团队不断创新。

“我想通过使用某种AI来扩展系统的分析方面。这可以使我们的生物混合传感器检测到更复杂的分子,”Takeuchi说。“这种改进可能有助于我们实现目标,不仅可以测量有害物质和环境危害,甚至可以从患者的呼吸和体味来检测疾病的早期阶段。”

参考:“使用昆虫嗅觉受体的高敏感VOC探测器由Tetsuya Yamada,Hirotaka Sugiura,Hisatoshi Mimura,Koki Kamiya,Toshihisa Osaki和Shoji Takeuchi,13月2021日,科学推进
DOI:10.1126 / sciadv.abd2013

本研究部分由JSPS Kakenhi Grant Number JP16H06329的新能源和工业技术开发组织(NEDO)由JSPS Kakenhi Grant Number JP16H06329提供部分支持。

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