- 細胞生物傳感器助力超高靈敏度“人工鼻”實現
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/9/10
東京大學生產技術研究所教授竹內昌治等人的研究小組開發出了利用與動物鼻子相似的原理檢測氣味物質的技術（圖1）。這是通過培養細胞形成“氣味受體”生物傳感器而實現的。
以前已有研究人員開發出了基于氣味受體的傳感器，但只能對液體中的氣味物質做出反應。此次是首次開發出了能對氣體中的氣味物質做出反應的傳感器。由于能在接近人類生活的環境中使用，所以可用于機器人等廣泛領域。
始終以液體包覆傳感器
開發關鍵的氣味受體，是用名為“脂質雙層膜”（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結合變形的性質，與哪種氣味物質結合取決于膜蛋白的種類。變形后，脂質雙層膜上會形成小孔，如果在細胞膜的內外設置電位差，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，竹內教授的研發小組在利用培養的細胞實現該氣味受體的同時，還使膜蛋白能對氣體中的氣味物質做出反應。
細胞培養采用生物領域常用的方法，也就是從昆蟲的氣味受體基因進行克隆。不過，這樣培養出的氣味受體只對液體中的氣味物質有反應。
因此，研究人員設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））。氣體中的氣味物質一旦進入球狀體周圍的液體中，就會在液體內形成離子，對膜蛋白發生反應。
圖1：利用昆蟲的氣味受體制作傳感器
（a）人工培養昆蟲的氣味受體（氣味檢測蛋白質），構成球狀的立體構造細胞集合體。為了使其作為氣味受體發揮作用，將其收納在含有水的微型容器內，使其表面保持濕潤狀態。（b）氣味受體的基礎—膜蛋白的工作原理。與特定的氣味物質發生反應并變形，控制離子的流動。（圖：東京大學）
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，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。微型容器利用易于包含水凝膠液體的海綿狀物質制作。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。
構成球狀體的氣味受體對氣味物質做出反應后，帶正電荷的離子會流入各自的脂質雙層膜內，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做出了反應。
被薄薄的液體包覆住表面的氣味受體球狀體的構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，有望再現人和犬等多種動物的鼻子的功能。
還開發了便攜式氣味傳感器
竹內教授還在東京大學和慶應義塾大學的協助下，通過由其擔任組長的神奈川科學技術院（KAST）人工細胞系統小組，推進人工再現氣味受體功能的研究。
該小組制作了人工細胞膜（脂質雙層膜），其中嵌入了能對氣味物質發生反應的膜蛋白。制作方法是，在含有脂質的油中滴入少量水形成水滴，則水滴被單層脂質包覆，使兩個水滴接觸，其表面就會形成脂質雙層膜（圖2），然后在脂質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—脂質雙層膜的方法。（a）使在油中滴入水滴形成的水泡接觸。表面像脂質雙層膜一樣工作。（b）使兩個水滴接觸時。（c）在脂質雙層膜中嵌入膜蛋白的方法。（圖和照片由東京大學提供）
圖3：以人工方式再現氣味受體的便攜式氣味傳感器）
此次開發的是可檢測氣味物質的便攜式裝置（圖3）。以前在檢測脂質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，以前的測量系統一般都是臺式的。
此次利用MEMS（微電子機械系統）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的美國Tecella公司開發的器件（膜片鉗放大器）。
研究人員利用試制的系統在環境惡劣的富士山頂測量了氣味受體的電流變化。今后，竹內等人將利用該技術開發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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