（生物医学工程专业论文）仿生嗅觉细胞及受体传感器的研究.pdf

。 删荆料 r e s e a r c h o nb i o m i m e t i co l f a c t o r yc e l la n dr e c e p t o r - b a s e d b i o s e n s o r s a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e r n a l r e v i e w e r s ：旦堑i 垒公里煦鱼望q 曼i 旦吐丛垒堕垒i y 星! 墨i 鲤 l uz u h o n g k p r o f e s s o r s o u t h e a s tu n i v e r s i t y 兰廷垫g 丛i 旦g 里艘鱼墨墨q 迪h 白i 垫g 堕塾i y 丛墨遗 u n k n o w nn o 1 u n k n o w nn o 2 e x a m i n i n g c o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： z h e n gx i a o x i a n g p r o f e s s o r k z h e ii a n gu n i v e r s i t y e x a m i n i n g c o m m i t t e em e m b e r s ： 圣h 垒堕g 丛i n g 坚墅q 鱼墨墨q ! 叁圣h 曼ji 垒旦g 堕垒i y 曼墨i 鲤 鱼垒qg h 垒旦g y q 迦煦鱼墨墨q ! 婆b 自i 墅! g 堕n i 星! 墨i 鲤 曼垒坠gq 螋! q 鱼墨墨q ! ：婆鱼自i 垦n g 堕塾i y 曼! 墨煎y 翌竖塑g i 望g ! q 鱼墨墨q 丛圣h 自i 垒旦g 坠也i y 曼! 墨堑y d a t eo fo r a ld e f e n c e ： l - y - - ，l k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：巽恚暨签字日期：2 何斫年2 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许氐穸社查阅和 借阅。本人授权逝江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入吣关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 巽畚呸 签字日期：冽年， 月岁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：浙江大学 通讯地址：浙江大学玉泉校区周亦卿楼3 1 5 室 e m a i l ：f r c a 2 l e e l m a a i l c o r n 导师签名： 签字胁叫年( 乙月心日 电话：0 5 7 1 8 7 9 5 2 8 3 2 邮编：3 1 0 0 2 7 0 h u l - 致谢 值此论文完成之际，首先要真诚感谢我的导师王平教授，感谢他在读博期间 给予的精心指导和热诚帮助。他严谨的治学态度、敏锐的科研思维，忘我的探索 精神、踏实的工作作风、渊博的学识和开阔的视野，不仅让我懂得了如何做学问， 培养了我正确的科学方法和良好的科研态度，而且懂得了许多做人的道理。感谢 他的言传身教和关怀包容，使我懂得如何静下心来做一名科研工作者。 感谢本实验室的刘清君副教授在论文进行中给予的具体指导和帮助；感谢李 蓉副教授在实验上提供有力的保障和悉心的指导，也感谢他们常常在生活上提供 各种建议和帮助。感谢浙江大学医学院的赵鲁杭副教授，感谢他在生物化学与分 子生物学系学习期间给予的无私帮助和指导以及在研究中给予的帮助和支持。 感谢加州大学洛杉矶分校的何志明院士，我在美国一年的博士联合培养期间 何院士给予的细心指导和帮助，让我有机会接受前沿的技术培训和全新的科学思 维，掌握科学的研究方法。何教授善于发现问题和解决问题的精神、风趣幽默的 谈话、极其谦逊的为人以及循循善诱的引导和鼓励，都将影响我今后的人生。 特别感谢课题组王丽江、宗小林、徐莹、蔡华、陈培华、张威、余辉、肖丽 丹、胡朝颖、周俊、杜立萍、王君、陈庆梅、叶伟伟同学，感谢他们在研究过程 中的付出，感谢陈培华、杜立萍在论文后期修订中的工作。感谢邹绍芳、王银瓶、 李毅( 9 9 级) 、胡卫军、李燕、陈星、陈松月、曹明富、徐凤娟、潘跃峰、吝涛、 付静、路德纪、朱斯、李毅( 0 3 级) 、於锦、蔡巍、高小明、王镝、王乐、郭红 荪、赵会欣、吴成雄、余凯、程功、胡宁、董琪等，感谢大家对我的工作的支持 和帮助。感谢何志明院士在美国研究团队的全体同学，尤其是p e t e r 、汪洋、丁显 廷、黄得胜、c e c i l 、李楠、l e y l a 、h i d e 、魏芳的帮助。感谢在实验室做本科毕业 设计的袁卿和杨东英同学。感谢浙江大学医学院的王炜、郎建社、李汉、姜东、 殷亚男、朱杰、邵鹏、王峰、黄建松、于志军、韩艳萍、候丽娜、张小磊、许金 霞、赵宁、谭海民等。感谢室友张文斌。感谢所有帮助过我、关心过我的人! 我还要特别感谢我的父母和家人对我的支持和帮助，感谢关心我、爱护我的 亲朋好友，你们的支持是我向目标前进的最大动力! 最后，感谢国家留学基金、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助! 吴春生二00 九年十月 - t i 一 、 k 广 。 i 蕾 0 i 摘要 摘要 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( o l f a c t o r y s e n s o r yn e u r o n s ，o s n s ) 作为敏感元件，以光寻址电位传感器( 1 i g h t a d d r e s s a b l e p o t e n t i o m e t r i cs e n s o r , l a p s ) 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o d r - i o 表达于异源细胞系一人胚胎肾( h e k 2 9 3 ) 细胞的质膜上， 以质量敏感型器件石英晶体微天平( q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ，q c m ) 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o d r - 1 0 的 细胞系，本文对o d r - 1 0 在人乳腺癌细胞m c f 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o d r - i o 的细胞质膜作为敏感元件，声表面波 ( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 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 摘要 本论文的主要内容和贡献在于： 1 在l a p s 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m d l l 2 3 3 0 a 对嗅觉信号胞内传导 通路的抑制作用，证实l a p s 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l a p s 单细胞传感器灵 敏度的方法。利用l y 2 9 4 0 0 2 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 l y 2 9 4 0 0 2 的增强效应，可以将l a p s 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( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r , f e t ) 、微电极阵列( m i c r o e l e c t r o d e a r r a y , m e a ) 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o d r - 1 0 功能性表达于异源细 胞系统一人胚胎肾细胞h e k 2 9 3 细胞的质膜上，分析o d r - 1 0 在异源细胞系统 中的表达情况及其亚细胞定位，并用q c m 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o d r - 1 0 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o d r 1 0 的m c f 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o d r o l o 的细胞 质膜作为敏感元件，s a w 器件作为二级传感器构建基于s a w 器件的气敏传感 器。结果表明这种由嗅觉受体蛋白和s a w 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 一 一 0 a b s t r a c t b i o l o g i c a lo l f a c t o r ys y s t e m sc a l lr e c o g n i z ea n dd i s c r i m i n a t et h o u s a n d so f d i s t i n c to d o r sw i t l lv e r yh i 曲s e n s i t i v i t ya n ds p e c i f i c i t y w i t ht h ep r o g r e s so fr e s e a r c h o no l f a c t o r ym e c h a n i s m sa n dt h ea d v a n c e m e n t so fm o d e mb i o m e d i c a l s e n s i n g t e c h n o l o g i e s ，b yi m i t a t i n gt h eb i o l o g i c a lm e c h a n i s m so fo l f a c t i o n , m a n yt y p e so f b i o m i m e t i co l f a c t o r y - b a s e db i o s e n s o r sh a v eb e e nd e v e l o p e db yt h ec o m b i n a t i o no f o l f a c t o r y f u n c t i o n a l c o m p o n e n t s w i t hv a r i o u s s e c o n d a r ys e n s o r s o l f a c t o r y f u n c t i o n a lc o m p o n e n t s ，s u c ha so l f a c t o r ys e n s o r yn e u r o n s ( o s n s ) ，n a t u r a lo l f a c t o r y r e c e p t o rp r o t e i n s ( o r p s ) ，o r p se x p r e s s e di nh e t e r o l o g o u sc e l ls y s t e m s ，a r eu s e da s s e n s i t i v ee l e m e n t si nb i o m i m e t i co l f a c t o r y b a s e db i o s e n s o r s s i m i l a rt ot h eo l f a c t o r y s y s t e m nv i v o ，b i o m i m e t i co l f a c t o r y b a s e db i o s e n s o r sa r ec h a r a c t e r i z e dw i t hh i g h s e n s i t i v i t y , l o wd e t e c t i o nl i m i ta n de x c e l l e n ts e l e c t i v i t y t h e yh a v eg r e a tp o t e n t i a l c o m m e r c i a lp r o s p e c t sa n dp r o m i s i n ga p p l i c a t i o n si ns u c hf i e l d sa sb i o m e d i c i n e ， e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，p h a r m a c e u t i c a ls c r e e n i n ga n dt h eq u a l i t yc o n t r o lo ff o o d a n dw a t e r a tp r e s e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t so f m u l t i - d i s c i p l i n ea n dt e c h n o l o g i e si nb i o l o g y , e l e c t r o n i c s ，m a t e r i a l sa n di n f o r m a t i c s ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e di nt h er e s e a r c h o fb i o m i m e t i co l f a c t o r y b a s e db i o s e n s o r s t h e yh a v es h o w ng r e a td e v e l o p m e n t a l p o t e n t i a l s b u tm a n yp r o b l e m ss t i l le x i s ti nt h es t u d i e so fb i o m i m e t i co l f a c t o r y - b a s e d b i o s e n s o r s ，s u c ha sh o wt og a i nag r e a td e a lo ff u n c t i o n a lo l f a c t o r yc o m p o n e n t s ，h o w t om o n i t o rt h e i rr e s p o n s e st o t h e s p e c i f i cs t i m u l a t i o n sw i t hh i 曲- t h r o u g h p u ta n d m u l t i v a r i a t ea n a l y s i s ，h o wt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t ya n ds p e c i f i c i t yo f o l f a c t o r y b a s e d b i o s e n s o r st ob r o a d e nt h e i ra p p l i c a t i o n s t oa d d r e s st h e s ei s s u e s ，t h i st h e s i sd e v e l o p e d n o v e lb i o m i m e t i c o l f a c t o r y b a s e d b i o s e n s o r sa tt h ec e l la n dm o l e c u l e l e v e l ， i n v e s t i g a t e d t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s e o l f a c t o r y - b a s e d b i o s e n s o r sa n dt h e i r a p p l i c a t i o n si nb i o m e d i c i n e f i r s t l y , a tt h ec e l ll e v e l ，w ed e v e l o p e das i n g l e - c e l lb a s e d b i o s e n s o rf o rt h es t u d i e so fo l f a c t o r yt r a n s d u c t i o nm e c h a n i s m s ，i nw h i c ho s n sw e r e s e r v e da ss e n s i t i v ee l e m e n t sa n dl i g h t a d d r e s s a b l ep o t e n t i o m e t r i cs e n s o r ( l a p s ) w a s u s e da ss e c o n d a r ys e n s o r s s e c o n d l y , a tt h em o l e c u l el e v e l ，a no l f a c t o r yr e c e p t o r ， a b s t r a c t p r o t e i no fc e l e g a n c e s ，o d r - 10 ，w a se x p r e s s e do nt h ep l a s m am e m b r a n eo fa h e t e r o l o g o u sc e l ls y s t e m ，h u m a ne m b r y o n i ck i d n e y ( h e k ) 一2 9 3c e l l s q u a r t zc r y s t a l m i c r o b a l a n c e ( q c m ) w a su s e dt oc o n f i r mt h eo d o rr e c o g n i t i o nf u n c t i o no fo d r - 1 0 t oa c h i e v eac e l ll i n et h a tc a ns t a b l ye x p r e s so d r - 1 0 ，w ep r i m a r i l ys t u d i e dt h e e x p r e s s i o no fo d r - 1 0i nh u m a nb r e a s tc a n c e rc e l ll i n em c f 一7c e l l s t h e nt h ep l a s m a m e m b r a n ef r a c t i o no fm c f 一7c e l l sw a se x t r a c t e da n ds e r v e da ss e n s i t i v ee l e m e n t s ， w h i c hc o n t a i n st h ee x p r e s s e do d r 一10 i tw a su s e dt od e v e l o po r p s - b a s e ds u r f a c e a c o u s t i cw a v e ( s a w ) b i o s e n s o r s ，w h i c hi sak i n do fg a ss e n s i t i v eb i o s e n s o r s f i n a l l y , b yc o m b i n i n gt h et e c h n o l o g i e so fm o d e m m i n i a t u r i z a t i o n , w ee x p l o r e dt h ep o s s i b i l i t y o fa p p l y i n g m i c r o m a c h i n gt e c h n o l o g i e s t ot h e d e v e l o p m e n t o fb i o m i m e t i c o l f a c t o r y - b a s e db i o s e n s o r s t h em a j o rc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r eg i v e ni nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 o nt h eb a s i so fs i n g l e - c e l l b a s e dl a p sb i o s e n s o r , w ea p p l i e dt h eo l f a c t o r y t r a n s d u c t i o nm e c h a n i s m st ot h er e s e a r c ho fb i o m i m e t i co l f a c t o r y b a s e db i o s e n s o r s t h ei n h i b i t o r ye f f e c to fm d l l2 3 3 0 at ot h ei n t r a c e l l u l a ro l f a c t o r ys i g n a lt r a n s d u c t i o n p a t h w a yw a sa p p l i e dt oc o n f i r mt h a tt h er e c o r d e ds i g n a l sb yl a p s a r eo r i g i n a t e df r o m t h er e s p o n s e so fo s n st oo d o rs t i m u l a t i o n s ，w h i c hw e r ec u l t u r e do nt h es u r f a c eo f l a p sc h i p b yt h i sw a y , w ed e m o n s t r a t e dt h es i g n a l sr e c o r d e db yl a p sa r eo r i g i n a t e d f r o mt h eo l f a c t o r ys i g n a l so fo r n s i ti sa l s oi n d i c a t e dt h i sb i o m i m e t i co l f a c t o r y - b a s e d b i o s e n s o rc a nb eu s e di nt h er e s e a r c ho fo l f a c t o r yt r a n s d u c t i o nm e c h a n i s m s 2 w ep r o p o s e dan o v e lm e t h o df o rt h es e n s i t i v i t ye n h a n c e m e n to fl a p sa n d s i n g l e - c e l lh y b r i db i o s e n s o rb yt h eu t i l i z a t i o no fe n h a n c e r t h ee n h a n c i v ee f f e c to f l y 2 9 4 0 0 2t ot h ei n t r a c e l l u l a ro l f a c t o r ys i g n a lt r a n s d u c t i o np a t h w a yw a su s e dt o e n h a n c et h er e s p o n s e so fo r n st oo d o rs t i m u l a t i o n s ，t h u st h es e n s i t i v i t yo ft h e b i o s e n s o rw a se n h a n c e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s i t i v i t yo ft h i sb i o s e n s o rc a nb e e n h a n c e db yl y 2 9 4 0 0 2b ya b o u t1 5f o l d s i ti ss u g g e s t e dt h a tt h i sm e t h o di sa l s o a p p l i c a b l et oo t h e rk i n d so fo s n s - b a s e d b i o s e n s o r sf o rc e l l u l a ra c t i v i t yd e t e c t i o n ，s u c h a sm i c r o e l e c t r o d ea r r a y ( m e a ) a n df i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ( f e t ) 3 b yd n a r e c o m b i n a n tt e c h n o l o g i e s ，a no l f a c t o r yr e c e p t o rp r o t e i no fc e l e g a n t s ， - - l - 一 立 a b s t r a c t o d r 一10 ，w a sf u n c t i o n a l l ye x p r e s s e do nt h ep l a s m am e m b r a n eo fa h e t e r o l o g o u sc e l l s y s t e m ，h e k - 2 9 3c e l l s i t se x p r e s s i o na n ds u b c e l l u l a rl o c a t i o nw e r ea n a l y s e d i t so d o r 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论。1 1 1 仿生嗅觉传感器的发展一l 1 2 仿生嗅觉传感器的研究现状3 1 2 1 基于石英晶体微天平的仿生嗅觉传感器3 1 2 2 基于场效应晶体管的仿生嗅觉传感器6 1 2 3 基于微电极的仿生嗅觉传感器7 1 2 4 基于表面等离子体共振技术的仿生嗅觉传感器9 1 2 5 基于光寻址电位传感器的仿生嗅觉传感器1 0 1 3 利用现代微型化技术的生物传感系统1 3 1 4 论文主要内容1 4 1 5 本章参考文献一1 6 第二章嗅觉的生物学基础1 9 2 1 介绍1 9 2 2 哺乳动物嗅觉系统的组织结构2 0 2 3 哺乳动物嗅觉信号传导的神经通路2 3 2 3 1 嗅觉受体神经元对嗅觉信号的转导机制2 4 2 3 2 嗅球对嗅觉信号的编码和处理2 7 2 3 3 嗅皮层对嗅觉信号的感知3 0 2 4 线虫嗅觉系统简介3 2 2 4 1 线虫嗅觉系统的组织结构及其功能3 2 2 4 2 线虫嗅觉受体基因o d r - l o 简介3 3 2 5 小结3 5 2 6 本章参考文献3 5 第三章基于l a p s 的单细胞仿生嗅觉传感器的研究3 9 3 1 引言3 9 3 2l a p s 单细胞传感器的原理及其等效模型4 1 3 3 嗅觉受体神经元胞内信号转导通路的调节4 5 3 3 1 腺苷酸环化酶抑制剂阻断嗅觉受体神经元对气味的响应一4 6 3 3 2 抑制p 1 3 k 活性增强嗅觉受体神经元对气味的响应4 8 3 3 3 机械刺激增强嗅觉受体神经元对气味的响应4 8 3 4l a p s 器件的设计及其加工与封装4 9 3 5l a p s 单细胞传感器测试系统5 2 3 6 嗅觉受体神经元的培养及其与l a p s 芯片的耦合5 8 3 6 1 实验试剂及溶液5 8 3 6 2l a p s 芯片表面处理与细胞培养6 0 3 6 3 嗅觉受体神经元在l a p s 芯片上的培养结果6 l 3 7 仿生嗅觉传感器对单个嗅觉受体神经元膜电位的监测6 2 3 7 1 嗅觉受体神经元对气味刺激的响应6 5 3 7 2 腺苷酸环化酶抑制剂对嗅觉受体神经元响应的抑制效应6 7 目录 3 7 3p 1 3 k 抑制剂对嗅觉受体神经元响应的增强效应6 8 3 7 4 应用p 1 3 k 抑制剂的增强效应提高传感器灵敏度6 9 3 8 机械刺激对仿生嗅觉传感器灵敏度的影响7 1 3 9 小结7 2 3 1 0 本章参考文献7 2 第四章嗅觉受体蛋白在异源细胞系的表达7 5 4 1 引言7 5 4 2 线虫嗅觉受体蛋白o d r - 1 0 在人胚胎肾细胞( h e k - 2 9 3 ) 的表达7 6 4 2 1 实验材料与方法7 6 4 2 2 实验结果与讨论7 9 4 3 线虫嗅觉受体蛋白o d r - 1 0 在人乳腺癌细胞( m c f 7 ) 的表达8 2 4 3 1 实验材料与方法8 3 4 3 2 实验结果与讨论8 6 4 4 本章小结9 0 4 5 本章参考文献9 0 第五章基于声表面波( s a w ) 器件的嗅觉受体传感器的研究9 3 5 1s a w 器件的工作原理9 5 5 2s a w 器件的设计以及s a w 测试系统9 9 5 - 3o d r 1 0 与s a w 器件的耦合。1 0 1 5 4o d r - 1 0 与气味分子相互作用的监测1 0 2 5 5 本章小结。10 4 5 6 本章参考文献1 0 4 第六章总结与展望。1 0 9 6 1 总结10 9 6 。2 襞望一112 6 3 本章参考文献1 l5 作者简历i 博士研究生期间发布的论文和成果i 第一章绪论 1 1 仿生嗅觉传感器的发展 嗅觉是一种对化学信号敏感的生理感觉，能够感受环境中的气味分子。嗅 觉系统能识别和分辨大量不同的气味分子，具有极高的灵敏度、特异性和极其 广泛的响应范围。嗅觉在动物鉴别外界化学物质、选择食物、防止有害物质侵 入体内和社会行为等方面发挥着重要作用，对动物的生存具有重要意义。2 0 0 4 年诺贝尔生理学或医学奖获得者b u c k 和a x e l 首先克隆了嗅觉受体基因，并发 现了嗅觉受体基因超家族，使嗅觉方面的研究获得了重大突破( b u c ka n d a x e l ， 】9 9 1 ) 。 图1 1嗅觉系统组织结构以及嗅觉信号传导的示意图 ( h t t p ：w w w h o w s t u f f w o r k s c o r n f r a m e d h t m ? p a r e n t = s m e l l h t m & u r l = h t t p ：w w w n o b e l p r i z e o r s ) 嗅觉系统的组织结构以及嗅觉信号的传导过程如图1 1 所示。嗅觉感受器 、 浙江大学博上学位论文 是位于嗅上皮的嗅觉受体神经元( o l f a c t o r ys e n s o r yn e u r o n s ，o s n s ) ，能把气味 分子的化学信号转导成电生理信号。气味分子到达鼻腔内的嗅黏膜后，能与嗅 觉受体神经元纤毛上的嗅觉受体( o l f a c t o r yr e c e p t o r s ，o r s ) 发生相互作用。嗅 觉受体是一种g 蛋白偶联受体( gp r o t e i n c o u p l e dr e c e p t o r s ，g p c r sxd r y e re ta 1 ， 1 9 9 9 ) ，当不同的气味分子与不同的受体发生相互作用后，嗅觉受体通过g t p 结合蛋白和胞内第二信使与下游的效应分子相偶联，受体被激活时，引发一系 列生物化学级联反应，导致细胞膜电位发生改变，最终产生“全或无”的电信号 即动作电位。两种第二信使在嗅觉信号的转导过程中发挥作用，即环磷酸腺苷 ( c y c l i c a d e n o s i n em o n o p h o s p h a t e ，c a m p ) 和三磷酸肌醇( i n o s i t o l 1 ，4 ，5 t r i s p h o s p h a t e ，i p 3 ) ( a c h ea n dy o u n g ，2 0 0 5 ) 。嗅觉受体神经元随之通过轴突 把动作电位以一定的频率传导到大脑前端的嗅球( o l f a c t o r yb u l b ，o b ) ，嗅觉信 号在嗅球中经过加工、修饰和编码后，通过嗅球的输出神经元僧帽细胞和丛状 细胞的轴突投射传导到嗅觉皮层( o l f a c t o r yc o d e x ，o c ) ，在那里嗅觉信号被解 码以分辨不同的气味，形成对气味的感知。 化学信号 一 ? 二 ： - 。7 规。仿生嗅觉传感器。“霪 * t d o “m 勰， 一船t o p 泐4 ；* 嗅觉受体蛋白石英晶体徽天平 嗅觉受体神经元 场效应晶体管 嗅神经上皮徽电极 昆虫耸角表面等离子体共振 光寻址电位传感罄 敬赢群羹盒，“捩彘囊_ 。 电信号 一 图1 2 仿生嗅觉传感器基本组成结构的示意图 随着嗅觉传导机理研究的不断深入以及嗅觉系统本身具有各种优点，人们 模仿嗅觉系统识别和分辨气味的原理，构建了仿生嗅觉传感器( b i o m i m e t i e o l f a c t o r y b a s e db i o s e n s o r s ) ，这是一种把生物活性组分和物理化学探测器相结合 的生物一电子复合系统，主要用来分析、识别和检测多种气味和大多数挥发性化 学成分如图1 2 所示，仿生嗅觉传感器主要由两个部分构成，首先是作为敏 2 、 第奄绪论 感元件的生物活性组分，能与目标分析物发生相互作用以产生特异响应，可以 是嗅觉受体蛋白( o l f a c t o r yr e c e p t o rp r o t e i n s ，o r p s ) 、嗅觉受体神经元、嗅神经 上皮等。另一部分是作为换能器的物理化学探测器，能把敏感元件产生的响应 转换为更易于处理和分析的物理信号，比如电信号。最后仿生嗅觉传感器与信 号处理以及显示相关的电子电路和仪器部分相结合构成一个完整的检测系统， 使检测的结果能以更加友好的方式呈现出来。因此，这三个部分的有机结合构 成的一个仿生嗅觉系统，部分继承了生物嗅觉系统所特有的响应迅速、灵敏度 高、选择性好等优点。 随着社会的发展和技术的进步，仿生嗅觉传感器在生物医学、环境污染监 测、食品、化妆品、香精香料气味质量评定与生产过程控制、战争毒气检测以 及植物保护等诸多领域获得了广泛的应用。同时仿生嗅觉传感器也为嗅觉机理 的深入研究提供了新的技术手段，如用于特异的嗅觉受体一配体对鉴定、研究嗅 觉受体神经元对刺激的响应特性及其电生理研究等，从而促进嗅觉传导机理的 研究进展。由于仿生嗅觉传感器具有潜在的商业价值和诱人的应用前景，许多 发达国家早已把生物嗅觉机理及其功能的模仿列入重点发展课题，目前已经成 为一个研究热点，发展十分迅速。 1 2 仿生嗅觉传感器的研究现状 目前，人们把嗅觉相关的生物活性组分作为敏感元件与各种二级传感器相 结合，已经构建了多种仿生嗅觉传感器。根据与敏感元件耦合的二级传感器的 不同，可以分为以下几类：基于石英晶体微天平( q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ， q c m ) 的仿生嗅觉传感器、基于场效应晶体管( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r , f e t ) 的 仿生嗅觉传感器、基于微电极( m i c r o e l e c t r o d e ) 的仿生嗅觉传感器、基于表面 等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 的仿生嗅觉传感器和基于光寻 址电位传感器( 1 i g h ta d d r e s s a b l ep o t e n t i o m e t r i cs e n s o r , l a p s ) 的仿生嗅觉传感器 ( w ue ta 1 2 0 0 7 ) 。 1 2 1 基于石英晶体微天平的仿生嗅觉传感器 石英晶体微天平是一种基于石英晶体压电效应的质量敏感型传感器