作為自然界中最靈敏的化學感知能力之一，生物嗅覺可以實現痕量氣味分子的檢測和識別，并在不同生物體的生命周期中發揮舉足輕重的作用。目前，通過訓練狗、鼠及蜜蜂等動物，已經實現了對爆炸物、毒品及疾病標志物的檢測。受此卓越嗅覺感知能力的啟發，人們研究并開發了與不同嗅覺生物材料或仿生元件集成的物理化學傳感器，這些傳感器統稱為嗅覺生物傳感器。

昆蟲的嗅覺器官主要包括有觸角、下顎須和下唇須等，其具有極為敏感的嗅覺感知能力，可以在復雜的化學環境中以極低的濃度檢測和區分不同來源的大量氣味分子。這些化學氣味分子所代表的信息可以幫助其定位食物、尋找配偶、選擇產卵地點和躲避捕食者等。因此，利用昆蟲高靈敏的嗅覺系統來構建傳感器是解決氣味分子檢測重要手段之一。

近日，浙江大學劉清君教授團隊詳細綜述了昆蟲嗅覺系統對氣味分子的感知過程及能力，對嗅覺器官、嗅覺細胞、氣味結合蛋白、嗅覺受體、特異性多肽分子等嗅覺生物敏感元件特征及傳感器構建方法進行了系統的回顧，介紹了不同類型嗅覺生物傳感器在疾病診斷、環境監測，及食品分析等領域中的氣味檢測應用實例，全面總結了不同嗅覺生物敏感元件的發展現狀和氣味檢測優勢，最后從靈敏度、特異性及實用性等角度討論了嗅覺生物傳感的發展趨勢和應用前景。

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基于天然嗅覺敏感材料的生物傳感器

一般而言，氣味分子在進入嗅覺器官后會與淋巴液中的氣味結合蛋白（OBPs）相結合，然后氣味結合蛋白將其運輸至嗅覺神經元細胞表面的嗅覺受體（ORs），氣味分子與嗅覺受體結合之后引發嗅覺感知。因此，可以結合氣味分子的天然嗅覺敏感元件有氣味結合蛋白、嗅覺受體以及嗅覺神經元等。

作為一種細胞外蛋白，氣味結合蛋白憑借其易于合成、穩定性好等優勢而廣泛用于嗅覺生物傳感器的研究。昆蟲氣味結合蛋白的結構一般呈現6個α螺旋，其與氣味分子的結合位點位于結構中心的輸水腔（圖1a）。當目標分子與氣味結合蛋白相結合時，蛋白構象會發生改變。研究者利用中華蜜蜂氣味結合蛋白、桔小實蠅氣味結合蛋白，以及人氣味結合蛋白的特性，結合電化學阻抗傳感器，實現了花香氣味及食源性氣味等分子的傳感檢測（圖1b）。



圖 1 昆蟲氣味結合蛋白

非天然嗅覺敏感材料的篩選與應用

在天然嗅覺蛋白的研究基礎上，研究學者根據氣味分子與嗅覺蛋白的結合特性，通過對天然蛋白進行突變設計和表達，構建了改性的嗅覺蛋白，以此進一步提高其對目標分子的傳感特性。此外，為了快速獲取嗅覺生物材料，也有研究學者針對目標檢測物質的特性，通過噬菌體展示技術篩選和制備高特異性的多肽鏈，以期解決嗅覺蛋白表達過程繁瑣，穩定性不強等問題。目前，已有不同的多肽序列被成功合成并用于氣味分子的傳感檢測。圖2展示了一種多肽鏈耦合二維納米材料對三硝基甲苯（TNT）的傳感檢測。

圖 2 多肽傳感器用于三硝基甲苯的檢測

利用天然嗅覺細胞及蛋白等敏感元件，結合二級換能器來構建生物傳感器是人類向自然生物體學習的一種可行技術，是實現氣味檢測的一種有效手段。在此基礎上，結合蛋白表達與純化，計算機輔助的設計和篩選等技術，可以針對性合成突變蛋白及非天然多肽鏈，以此構建新型嗅覺生物傳感器及檢測技術。

可以預見，隨著生物合成技術、檢測技術、數據分析和人工智能的不斷發展，嗅覺生物敏感材料的穩定性、特異性及靈敏性將進一步提升，仿生嗅覺傳感器可能會顯示出超出自然感知能力的氣味分子檢測潛力，并在疾病診斷、環境監測、食品分析等領域獲得前所未有的應用。

審核編輯：劉清