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科学通报 2007年第12期52卷 1362-1371页

作者：吴春生王丽江刘清君赵鲁杭王平浙江大学生物传感器国家专业实验室生物医学工程教育部重点实验室生物医学工程与仪器科学学院杭州310027 浙江大学医学院生物化学与分子生物学教研室杭州310058

嗅觉对所有动物而言都是一种极其重要的生理感觉.近年来,人们对嗅觉传导机理的研究取得了很大进展,尤其是嗅觉受体基因超家族的突破性发现推动了国际上嗅觉研究的快速发展.随着嗅觉传导机理研究的不断深入,加上仿生嗅觉传感器具有潜在... 详细信息

嗅觉对所有动物而言都是一种极其重要的生理感觉.近年来,人们对嗅觉传导机理的研究取得了很大进展,尤其是嗅觉受体基因超家族的突破性发现推动了国际上嗅觉研究的快速发展.随着嗅觉传导机理研究的不断深入,加上仿生嗅觉传感器具有潜在的商业价值和工业应用前景,对仿生嗅觉传感器的研究也取得了很大进展.同时,该研究对于嗅觉传导机理的研究也具有重要的促进作用.本文综合评述了近年来国际上嗅觉传导机理和仿生嗅觉传感器研究的最新进展.从嗅觉信号传导的神经通路、嗅神经元对气味分子信号的转导机制、嗅球对嗅觉信号的编码和处理、嗅皮层对嗅觉信号的感知以及仿生嗅觉传感器进行了综述.最后也介绍了我们在仿生嗅觉传感器方面的研究进展.

关键词：嗅觉嗅觉传导仿生嗅觉传感器

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仿生嗅觉细胞及受体传感器的研究

仿生嗅觉细胞及受体传感器的研究

引用

作者：吴春生浙江大学

学位级别：博士

生物嗅觉系统可以分辨和识别成千上万种不同的气味分子,具有很高的灵敏度和特异性。随着嗅觉机理研究的不断深入以及现代生物医学传感技术的不断进步,人们模仿嗅觉感知气味的机理,以生物活性材料作为敏感元件,耦合各种二级换能器,构建... 详细信息

生物嗅觉系统可以分辨和识别成千上万种不同的气味分子,具有很高的灵敏度和特异性。随着嗅觉机理研究的不断深入以及现代生物医学传感技术的不断进步,人们模仿嗅觉感知气味的机理,以生物活性材料作为敏感元件,耦合各种二级换能器,构建了多种仿生嗅觉传感器。由于引入了嗅觉受体神经元、天然或异源表达的嗅觉受体蛋白等生物活性材料作为敏感元件,仿生嗅觉传感器获得了部分生物嗅觉系统具有的优点,比如灵敏度高、检测限低、选择性好等,可以广泛应用于生物医学、环境监测、药物开发、食品和水质控制等诸多领域,具有广阔的应用前景以及商业开发潜力。目前,仿生嗅觉传感器的研究在生物、电子、信息、材料等多种学科和技术进步的推动下取得了较快进展,并展现出很大的发展潜力。但是,该研究也面临许多困难,比如如何获得嗅觉相关生物活性材料并验证其功能,如何高通量、多参数、实时地监测生物活性材料对特异刺激的响应,以及如何进一步提高传感器的灵敏度和特异性以拓展其实际应用的领域。基于此,本论文在细胞和分子水平上构建新型仿生嗅觉传感器,并对传感器的性能及其在生物医学中的应用进行了较深入的研究。首先,在细胞水平上,以嗅觉受体神经元（olfactory sensory neurons, OSNs）作为敏感元件,以光寻址电位传感器（light-addressable potentiometric sensor, LAPS）作为二级传感器,构建了一种可用于嗅觉传导机理研究的单细胞传感器。其次,在分子水平上,采用基因工程的方法把线虫嗅觉受体蛋白ODR-10表达于异源细胞系-人胚胎肾（HEK-293）细胞的质膜上,以质量敏感型器件石英晶体微天平（quartz crystal microbalance, QCM）鉴定嗅觉受体蛋白识别气味的功能。为了获得可以稳定表达嗅觉受体蛋白ODR-10的细胞系,本文对ODR-10在人乳腺癌细胞MCF-7的表达做了初步研究,并以含有异源表达的嗅觉受体蛋白ODR-10的细胞质膜作为敏感元件,声表面波（surface acoustic wave, SAW）器件作为二级传感器,构建了基于嗅觉受体的新型气敏生物传感器。最后结合现代微型化技术,对生物微机电系统以及微流控芯片在构建仿生嗅觉传感器方面的应用做了一些初步探讨。本论文的主要内容和贡献在于： 1.在LAPS单细胞传感器的基础上,把嗅觉信号在嗅觉受体神经元内的传导机理应用于仿生嗅觉传感器的研究,利用MDL12330A对嗅觉信号胞内传导通路的抑制作用,证实LAPS芯片记录到的电信号来源于与其表面耦合的嗅觉受体神经元对气味刺激的响应,同时也提示这种仿生嗅觉传感器可以应用于嗅觉信号传导机理的研究。 2.提出一种利用增强剂提高基于嗅觉受体神经元的LAPS单细胞传感器灵敏度的方法。利用LY294002对嗅觉信号传导通路的增强效应,提高嗅觉受体神经元对特异刺激的响应,进而提高传感器的灵敏度。实验结果表明,利用LY294002的增强效应,可以将LAPS单细胞传感器的灵敏度提高约1.5倍,并且提示这种方法也可以应用到其它基于细胞膜电位监测的仿生嗅觉传感器中,比如基于场效应晶体管（field effect transistor, FET）、微电极阵列（microelectrode array, MEA）的仿生嗅觉传感器。 3.利用基因工程技术,把线虫嗅觉受体蛋白ODR-10功能性表达于异源细胞系统-人胚胎肾细胞HEK-293细胞的质膜上,分析ODR-10在异源细胞系统中的表达情况及其亚细胞定位,并用QCM器件鉴定其识别特异气味的功能。结果表明这种异源表达的嗅觉受体蛋白ODR-10仍然具有特异性识别其天然配体丁二酮的功能,适合作为敏感元件用于构建基于嗅觉受体的仿生嗅觉传感器。 4.获得可以稳定表达线虫嗅觉受体蛋白ODR-10的MCF-7细胞系,利用测定胞内钙离子浓度的方法证实其识别气味的功能,并以含有ODR-10的细胞质膜作为敏感元件,SAW器件作为二级传感器构建基于SAW器件的气敏传感器。结果表明这种由嗅觉受体蛋白和SAW器件构成的复合系统可以有效监测嗅觉受体与气味分子的相互作用,实现传感器对特异性气味刺激的检测。

关键词：仿生嗅觉传感器嗅觉受体神经元嗅觉受体光寻址电位传感器石英晶体微天平声表面波器件

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基于嗅觉受体的仿生分子及细胞传感器的研究

基于嗅觉受体的仿生分子及细胞传感器的研究

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作者：杜立萍浙江大学

学位级别：博士

嗅觉对于生物的生存具有极其重要的意义。经过长期的自然进化,生物嗅觉系统具备了人工检测装置所无法比拟的灵敏度和特异性,成为性能最为卓越的化学传感系统,能够从复杂的环境中分辨和识别成百上千种只有痕量水平的各种气体分子。仿生... 详细信息

嗅觉对于生物的生存具有极其重要的意义。经过长期的自然进化,生物嗅觉系统具备了人工检测装置所无法比拟的灵敏度和特异性,成为性能最为卓越的化学传感系统,能够从复杂的环境中分辨和识别成百上千种只有痕量水平的各种气体分子。仿生嗅觉传感器从模拟生物嗅觉系统的角度出发,以嗅觉受体、细胞、组织等生物材料为敏感元件,结合二级传感器实现对气味物质的特异灵敏检测,以期获得类似生物嗅觉系统的检测性能。仿生嗅觉传感器不仅在环境监测、食品安全、农业等多个领域具有广阔的应用前景,而且能为生物嗅觉的基础研究提供了全新的研究平台,具有重要的研究意义和实际应用价值。本论文在对仿生嗅觉传感器的研究现状进行系统评述分析后,以生物嗅觉系统感知机理为研究的理论基础,结合特定类型的二级传感器及系统,分别从分子、细胞和细胞网络三个层面对仿生嗅觉传感器进行了系统深入的研究,开发出基于嗅觉受体的仿生嗅觉分子传感器、基于嗅觉受体细胞的仿生嗅觉细胞传感器,并对细胞网络传感器进行了初步的探讨。本论文的主要内容和创新点在于 1.基于分子克隆技术,成功制备了功能性的嗅觉受体蛋白构建了嗅觉受体蛋白ODR-10的真核表达载体,并将其成功表达在异源细胞系统HEK-293细胞质膜表面。利用RT-PCR、Western blot、细胞免疫荧光、胞内钙离子浓度分析等技术对嗅觉受体蛋白ODR-10的表达、亚细胞定位以及功能进行鉴定。结果表明,异源表达的嗅觉受体蛋白ODR-10具有特异性识别其天然配体丁二酮的功能,适合用于开发仿生嗅觉传感器。 2.研制了基于嗅觉受体蛋白的仿生嗅觉受体分子传感器以嗅觉受体蛋白ODR-10为敏感元件,结合石英晶体微天平作为二级传感器,研制了一种仿生嗅觉受体分子传感器,实现了对气味物质丁二酮的特异灵敏检测。为将嗅觉受体蛋白ODR-10与石英晶体微天平有效耦合,提出一种基于适配体的嗅觉受体蛋白特异性固定方法,在石英晶体微天平表面同时实现了嗅觉受体蛋白的固定与纯化,提高了敏感元件与传感器的耦合效率。结果表明该方法大大改善了仿生嗅觉分子传感器的性能,使该传感器的检测下限达到1.5ppm。 3.基于基因工程化嗅觉受体细胞,研制了一种仿生嗅觉受体细胞传感器基于基因工程的原理,成功制备了一种特异表达嗅觉受体蛋白ODR-10的嗅觉受体细胞。由于该嗅觉受体细胞表面不但具有类型明确的嗅觉受体ODR-10,而且具有内在的电兴奋性,在气味物质刺激后可引发嗅觉受体细胞的动作电位发放。利用该细胞作为气味检测的敏感元件,结合光寻址电位型传感器(light addressable potentiometric sensor, LAPS)独特的光寻址检测能力,成功检测到嗅觉受体细胞在不同气味物质刺激下的电活动。结果表明仿生嗅觉受体细胞传感器对嗅觉受体蛋白ODR-10的天然配体丁二酮具有独特的响应模式,对嗅觉受体细胞的胞外电信号进行时域和频域特征分析后,可以有效地分辨出不同浓度的丁二酮信息。 4.提出了两种体外制备细胞网络的方法嗅觉细胞网络内在的信号处理及信息编码能力是生物嗅觉系统强大的气味识别功能的重要基础,以细胞网络为敏感材料有望大幅提高仿生嗅觉传感器的性能。为解决细胞网络与传感器检测平台有效耦合这一关键问题,我们提出两种体外培养生长模式可控的细胞网络的技术,实现细胞在微电极阵列(microelectrode array, MEA)芯片上的特异性固定与生长。在微电极阵列芯片加工时改变电极位点的排布模式可方便地改变细胞网络的生长模式,为实现体外制备生长模式可控的嗅觉细胞网络奠定了基础。

关键词：仿生嗅觉传感器嗅觉受体蛋白嗅觉受体细胞细胞网络石英晶体微天平适配体光寻址电位型传感器 DNA编码微电极阵列

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基于Labview和主成分分析法的仿生嗅觉系统设计

基于Labview和主成分分析法的仿生嗅觉系统设计

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2019年西南三省一市自动化与仪器仪表学术年会

作者：聂蓉黄杰湖南铁道职业技术学院湖南株洲412001

针对目前分类算法计算量大、效率低的缺点,设计了基于Labview和主成分分析法的仿生嗅觉传感系统.由32位阵列传感器组成的电子鼻装置对气味信息进行采集,经处理变换成Labview平台所需要的数字信息,使用Labview内部集成的MathScript RT节... 详细信息

针对目前分类算法计算量大、效率低的缺点,设计了基于Labview和主成分分析法的仿生嗅觉传感系统.由32位阵列传感器组成的电子鼻装置对气味信息进行采集,经处理变换成Labview平台所需要的数字信息,使用Labview内部集成的MathScript RT节点,能够将Matlab软件开发的.m文件嵌入其中,结合这种分析方法,利用广东罗浮山生产的百草油为样本进行了实验研究,实现了对样本的快速、准确的鉴别.

关键词：仿生嗅觉传感器硬件设计软件开发主成分分析法

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爆炸物的仿生检测

爆炸物的仿生检测

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第十二届全国敏感元件与传感器学术会议

作者：李卫满亚辉刘艳吴文健国防科学技术大学理学院湖南长沙410073

本文综述了近年来爆炸物生物检测的最新进展,并对仿生嗅觉传感器进行了介绍.爆炸物的检测对于恐怖主义活动的预防以及爆炸物的追踪和定位起着重要的作用.包括生物检测法在内的许多不同检测方法被用于爆炸物检测.其中,生物检测法主要利... 详细信息

本文综述了近年来爆炸物生物检测的最新进展,并对仿生嗅觉传感器进行了介绍.爆炸物的检测对于恐怖主义活动的预防以及爆炸物的追踪和定位起着重要的作用.包括生物检测法在内的许多不同检测方法被用于爆炸物检测.其中,生物检测法主要利用生物元件感知爆炸物相关分子并进行信息转导,它具有高特异性和高灵敏性.另外,随着嗅觉受体基因以及嗅觉传导机理的深入研究,仿生嗅觉传感器在爆炸物的检测中具有极其重要的应用前景.

关键词：仿生嗅觉传感器爆炸物生物检测

来源：评论

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