基于嗅觉组合编码原理的仿生细胞微阵列芯片构建及其气味响应机理研究

It is one research hotpoint of biosensing techniques to develop biomimetic sensors with high performance by mimicking the sensing mechanism of biological olfactory system. The production of sensitive materials and the effective usage directly affect the performance of olfactory cell-based biosensors. In this proposal, the principle of olfactory receptor combinatorial coding will be employed to fabricate olfactory cell microarray chip, in which several olfactory cells with specific receptors will be coupled onto the microelectrode array (MEA) orderly as sensitive materials. The cellular responses to single odorant or multi-odorants can be detected in a real-time and high-throughput way, which were analyzed in the time and frequency domains in order to evaluate the sensor performance, such as response range, sensitivity, stability, repeatability, and reproducibility. The information redundancy was also used to improve the sensor performance. The feature parameters of response signals of specific odorant combinations can be further extracted to reveal the response mechanism of olfactory cells to odorant mixture. The detection and discrimination of multi-odorants were realized effectively by using pattern recognition algorithm. In this proposal, the olfactory combinatorial coding mechanism and microfluidic technique are applied for the development of biomimetic cell microarray chip, which is beneficial to the improvement of the total performance from the aspect of increasing the efficacy of sensitive elements. Certain progress will be made in the development of biomimetic olfactory sensors as well as their further applications. It will provide a novel technical approach for the multi-odorant detection and the research of olfactory encoding mechanisms.

模仿生物嗅觉系统开发高性能仿生传感器，是当前生物传感技术研究的一个热点。敏感元件的制备及其效能的提高是细胞传感技术研究的一个关键问题。本项目基于嗅觉组合编码原理，以若干种表达特定受体的嗅觉细胞为敏感元件，结合微流控技术将其有序耦合在微电极阵列上，构建仿生嗅觉细胞微阵列芯片，实现对单一及混合气味的高通量实时检测；分析各通道对单一气味响应信号的时域、频域特征及相关性，评估芯片对单一气味响应的特异性、响应范围、灵敏度、稳定性、重复性、重现性等性能指标；分析比较特定气味组合响应信号的特征，揭示嗅觉细胞的气味响应机理，利用模式识别算法实现多气味的有效检测与分辨。本项目创新性地将嗅觉组合编码原理和微流控技术应用于仿生细胞微阵列芯片的构建，有利于提高敏感材料的效能，从而改善细胞芯片的总体性能。有望在新型仿生嗅觉传感器的开发与应用方面取得一定进展，为多气味分子检测及嗅觉编码机理研究提供新的途径和技术手段。

模拟生物嗅觉系统工作原理开发高性能仿生嗅觉传感器，用于多种气味分子的特异性识别与检测，在疾病诊断、环境监测、食品安全等领域具有广阔的应用前景。当前，仿生嗅觉传感器开发面临的一个核心问题是功能性敏感材料的制备及其高效利用。生物嗅觉系统对气味的组合编码原理及嗅觉感受细胞内在的信号编码特性在高效识别众多气味信息中起到非常关键的作用。基于此，本项目从充分利用嗅觉组合编码原理的角度，研究了仿生嗅觉传感器的构建及其气味响应机理。目前，已按项目研究计划完成所有研究内容，实现了预定的研究目标，充分探究其中的关键科学问题及其内在机理。首先，将特定类型的嗅觉受体过表达于嗅觉感受神经元，利用生物工程化大鼠嗅觉系统的信息处理与编码能力，通过多通道微丝电极阵列检测气味刺激引起的嗅觉相关特异性的神经元电生理响应信号，结合生物电信号检测技术和模式识别算法，研究多种气味刺激下的响应信号特征，评估仿生传感系统的性能指标。结果表明该仿生嗅觉传感器检测的信号具有高度冗余性，能有效提高传感器气味检测的重现性与重复性等性能，降低细胞响应差异对检测性能的影响，实现不同气味分子的检测与识别。其次，基于无细胞蛋白合成系统制备功能性嗅觉受体和味觉受体蛋白，并利用His6-tag标签及其特异性适配体，结合特定的二级换能器，实现在传感芯片上有效合成、纯化及固定受体蛋白，构建仿生受体传感器，用于高效检测特定的化学信息分子。此外，本项目基于光寻址电位传感器研究了多参数细胞检测系统，为化学信号转导机理的研究及仿生传感器的开发提供了新的技术手段和平台；基于金属有机框架材料和叶酸分子，研究了电化学细胞传感器用于肿瘤细胞的高效检测。在本项目资助下，发表学术论文11篇（其中SCI收录论文9篇）、专著章节1章，申请国家发明专利1项，授权国家发明专利1项，参加国内外学术会议5次，参与培养博士研究生1人、硕士研究生2人。