使计算机产生强烈的气味感–研究人员创建了一种生物混合型嗅觉传感器

示意图显示组成VOC传感器的管道和通道的网络。

敏锐的嗅觉是许多生物体共有的强大能力。但是，事实证明很难通过人为手段进行复制。研究人员结合了生物学和工程学的要素，创造出了所谓的生物杂化成分。他们的挥发性有机化合物传感器可以有效地检测气态气味。他们希望完善用于医学诊断和有害物质检测的概念。

诸如照相机，麦克风和压力传感器之类的电子设备使机器可以通过光学，声学和物理方式感测和量化其环境。然而，尽管我们的嗅觉是自然界中最原始的感觉之一，但它已被证明很难人工复制。进化已经在数百万年的时间里完善了这种感觉，研究人员正在努力追赶。

敏锐的嗅觉是许多生物体共有的强大能力。但是，事实证明很难通过人为手段进行复制。研究人员结合了生物学和工程学的要素，创造出了所谓的生物杂化成分。他们的挥发性有机化合物传感器可以有效地检测气态气味。他们希望完善用于医学诊断和有害物质检测的概念。

“气味，空气传播的化学特征，可以携带有关所研究的环境或样品的有用信息。但是，由于缺少具有足够灵敏度和选择性的传感器，因此无法很好地利用这些信息。”东京大学生物混合系统实验室的Shouch Takeuchi教授说。“另一方面，生物有机体非常有效地利用气味信息。因此，我们决定将现有的生物传感器与人工系统直接结合，以创建高度灵敏的挥发性有机化合物（VOC）传感器。我们称这些为生物混合传感器。”

竹内和他的团队将一种昆虫的嗅觉感受器移植到一种装置中，该装置将某些气味传递给该感受器，并读取感受器如何响应这些气味。来自嗅觉受体的电信号分析表明什么分子触发了信号。这种方法具有很高的灵敏度，并且由于受体在脂质双层中的物理结合方式而成为可能。在以前的实验中，这种方法限制了将气味传递到受体的方式，但该团队也为该问题创建了有效的解决方案。

VOC传感器和一种分子交换装置的照片近在咫尺。

竹内说：“受体与液滴中的分子发生反应，因此主要挑战之一是制造一种将分子从空气中移植到这些液滴中的装置。”“我们在液滴通过的地方设计并制造了微尺度的缝隙，以迫使这种分子交换。通过将气体引入微缝隙，我们能够增加气体与液滴之间接触的可能性，并将目标分子有效地转移到流体中。”

借助该系统，研究人员能够在测试对象的呼吸中检测到痕量的化学辛烯醇（也称为蘑菇醇）的痕迹，已知该辛醇能够吸引蚊子。不仅如此，VOC传感器还可以检测出十亿分之几的浓度。这比狗鼻子的灵敏度低大约一千倍，但这是一个令人印象深刻的成就，并激发了团队不断创新。

“我想通过使用某种AI在系统的分析方面进行扩展。这将使我们的生物杂交传感器能够检测更复杂的分子，” Takeuchi说。“这些改进可能有助于实现我们的目标，不仅测量有害物质和环境危害，甚至可能测量患者呼吸和体臭引起的疾病的早期阶段。”

参考：山田哲也，杉浦弘隆，三村久敏，三木幸喜，大崎俊久和竹内章次的《使用昆虫嗅觉受体重构为脂质双层的高灵敏度VOC检测器》，科学进展。DOI：2021年1月13日。
10.1126 / sciadv.abd2013

这项研究得到了日本新能源和产业技术开发组织（NEDO）的部分支持，日本JSPS KAKENHI资助号为JP16H06329，日本MEXT的区域创新生态系统建设计划也对此提供了部分支持。