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(dòng)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(xì)胞形成“氣味受體”生物傳感器而實(shí)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(duì)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(duì)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(jī)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(xì)胞膜包覆的細(xì)胞。膜蛋白組織分布在整個(gè)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(huì)形成小孔，如果在細(xì)胞膜的內(nèi)外設(shè)置電位差，則細(xì)胞周圍的離子就會(huì)流過小孔（圖1（b））。膜蛋白即使只附著一個(gè)氣味物質(zhì)也會(huì)變形，而離子流過小孔的速度達(dá)到每秒約107個(gè)，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(xì)胞實(shí)現(xiàn)該氣味受體的同時(shí)，還使膜蛋白能對(duì)氣體中的氣味物質(zhì)做出反應(yīng)。

　　細(xì)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(jìn)行克隆。不過，這樣培養(yǎng)出的氣味受體只對(duì)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(jìn)入球狀體周圍的液體中，就會(huì)在液體內(nèi)形成離子，對(duì)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(xì)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(dòng)。（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(gè)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(duì)氣味物質(zhì)做出反應(yīng)后，帶正電荷的離子會(huì)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(duì)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(dòng)物的鼻子相似。另外，動(dòng)物的氣味受體有100～1000個(gè)。通過組合各種氣味受體，有望再現(xiàn)人和犬等多種動(dòng)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(xì)胞系統(tǒng)小組，推進(jìn)人工再現(xiàn)氣味受體功能的研究。

　　該小組制作了人工細(xì)胞膜（脂質(zhì)雙層膜），其中嵌入了能對(duì)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(gè)水滴接觸，其表面就會(huì)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(gè)水滴接觸時(shí)。（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(shí)，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(tái)式的。

　　此次利用MEMS（微電子機(jī)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(jī)等的面向個(gè)人用途的氣味傳感器。

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