浙江大学刘清君团队综述：生物启发式嗅觉传感器

研究背景

作为自然界中最灵敏的化学感知能力之一，生物嗅觉可以实现痕量气味分子的检测和识别，并在不同生物体的生命周期中发挥举足轻重的作用。目前，通过训练狗、鼠及蜜蜂等动物，已经实现了对爆炸物、毒品及疾病标志物的检测。

受此卓越嗅觉感知能力的启发，人们研究并开发了与不同嗅觉生物生材料或仿生元件集成的物理化学传感器，这些传感器统称为嗅觉生物传感器。

昆虫的嗅觉器官主要包括有触角，下颚须和下唇须等，其具有极为敏感的嗅觉感知能力，可以在复杂的化学环境中以极低的浓度检测和区分不同来源的大量气味分子。这些化学气味分子所代表的信息可以帮助其定位食物、寻找配偶、选择产卵地点和躲避捕食者等。因此，利用昆虫高灵敏的嗅觉系统来构建传感器是解决气味分子检测重要手段之一。

近日，浙江大学刘清君教授团队详细综述了昆虫嗅觉系统对气味分子的感知过程及能力，对嗅觉器官、嗅觉细胞、气味结合蛋白、嗅觉受体、特异性多肽分子等嗅觉生物敏感元件特征及传感器构建方法进行了系统的回顾，介绍了不同类型嗅觉生物传感器在疾病诊断、环境监测，及食品分析等领域中的气味检测应用实例，全面总结了不同嗅觉生物敏感元件的发展现状和气味检测优势，最后从灵敏度、特异性及实用性等角度讨论了嗅觉生物传感的发展趋势和应用前景。

该综述题为“Insect olfactory system inspired biosensors for odorant detection”(《生物启发式嗅觉传感器》)，发表在期刊 Sensors & Diagnostics 上。

研究内容

1. 基于天然嗅觉敏感材料的生物传感

一般而言，气味分子在进入嗅觉器官后会与淋巴液中的气味结合蛋白（OBPs）相结合，然后气味结合蛋白将其运输至嗅觉神经元细胞表面的嗅觉受体（ORs）,气味分子与嗅觉受体结合之后引发嗅觉感知。因此，可以结合气味分子的天然嗅觉敏感元件有气味结合蛋白，嗅觉受体以及嗅觉神经元等。

作为一种细胞外蛋白，气味结合蛋白凭借其易于合成、稳定性好等优势而广泛用于嗅觉生物传感器的研究。昆虫气味结合蛋白的结构一般呈现 6 个 α 螺旋，其与气味分子的结合位点位于结构中心的输水腔（图 1a）。当目标分子与气味结合蛋白相结合时，蛋白构象会发生改变。研究者利用中华蜜蜂气味结合蛋白，桔小实蝇气味结合蛋白，以及人气味结合蛋白的特性，结合电化学阻抗传感器，实现了花香气味及食源性气味等分子的传感检测（图 1b）。

▲	图 1 昆虫气味结合蛋白

2. 非天然嗅觉敏感材料的筛选与应用

在天然嗅觉蛋白的研究基础上，研究学者根据气味分子与嗅觉蛋白的结合特性，通过对天然蛋白进行突变设计和表达，构建了改性的嗅觉蛋白，以此进一步提高其对目标分子的传感特性。此外，为了快速获取嗅觉生物材料，也有研究学者针对目标检测物质的特性，通过噬菌体展示技术筛选和制备高特异性的多肽链，以期解决嗅觉蛋白表达过程繁琐，稳定性不强等问题。目前，已有不同的多肽序列被成功合成并用于气味分子的传感检测。图 2 展示了一种多肽链耦合二维纳米材料对三硝基甲苯（TNT）的传感检测。

▲	图 2 多肽传感器用于三硝基甲苯的检测

总结展望

利用天然嗅觉细胞及蛋白等敏感元件，结合二级换能器来构建生物传感器是人类向自然生物体学习的一种可行技术，是实现气味检测的一种有效手段。在此基础上，结合蛋白表达与纯化，计算机辅助的设计和筛选等技术，可以针对性合成突变蛋白及非天然多肽链，以此构建新型嗅觉生物传感器及检测技术。

可以预见，随着生物合成技术、检测技术、数据分析和人工智能的不断发展，嗅觉生物敏感材料的稳定性、特异性及灵敏性将进一步提升，生物启发式的嗅觉传感器可能会显示出超出自然感知能力的气味分子检测潜力，并在疾病诊断、环境监测、食品分析等领域获得前所未有的应用。

论文信息

Insect olfactory system inspired biosensors for odorant detection

Yanli Lu, Qingjun Liu*(刘清君，浙江大学)

Sens. Diagn., 2022, 1, 1126-1142
https://doi.org/10.1039/D2SD00112H

作者简介

卢妍利 博士

浙江大学生物医学工程与仪器科学学院

本文第一作者，刘清君团队副研究员。主要研究方向为嗅觉生物传感器，生物医学传感与检测。主要从事生物传感器及其检测技术研究。相关研究发表 SCI 论文 20 余篇；获批发明专利 9 项；主持国家自然科学基金青年项目 1 项，中国博士后基金 2 项，参与国家重点研发计划项目等多项；荣获浙江省和浙江大学“优秀博士学位论文提名论文”等荣誉。参编专著及教材多部。

刘清君 教授

浙江大学生物医学工程与仪器科学学院

本文通讯作者，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院教授，博士生导师。主要开展嗅觉生物传感，生物医学传感与检测，便携式与穿戴式生化传感等研究，以第一或通讯作者在《Chemical Review》，《Advanced Functional Materials》，《Advanced Science》，《Biosensors & Bioelectronics》等国际发表 SCI 论文 80 余篇，申报发明专利 26 项。相关研究获教育部高等学校科研成果奖等多项。出版了《基于手机的电化学生物传感技术》、《穿戴式与便携式生化传感检测技术》等中英文著作 7 部。主编了“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《生物医学传感与测量》。

课题组介绍

浙江大学刘清君教授课题组，现有教授 1 人，研究员 1 人，副教授 2 人，硕博士研究生 30 人。团队立足于生物医学传感与检测技术，围绕传感材料，传感器器件，检测系统，开展嗅觉传感、生化传感及便携式与穿戴式检测的基础与应用研究。

团队网页：

https://person.zju.edu.cn/qjliu
http://www.biosensors.com.cn/欢迎具有生物医学工程，材料，柔性电子，生物医学背景的同学报考/保送本实验室研究生（长期有效）。欢迎广大优秀人才加入刘清君教授研究团队！

相关期刊

rsc.li/sensors

Sensors & Diagnostics

2-年影响因子*	新刊暂无分
5-年影响因子*	新刊暂无分
最高 JCR 分区*	新刊暂无
CiteScore 分†	新刊暂无分
中位一审周期‡	22 天

Sensors & Diagnostics 致力于成为传感与诊断领域的优质出版平台，发表高影响力的创新性研究工作，包括新型的材料、新颖的检测原理以及对已有装置的重大改进等。这些工作的应用范围十分广泛，囊括生物医学、药物开发、环境、食品、医学、安保和安防等等。所发表的工作需能获得相关领域研究人员的广泛关注，在必要时还应开展原位或实际的样品检测。作为一本金色开放获取的期刊，读者可免费获取论文的全文，同时从该刊发布起到 2024 年年中免收论文发表费用。

Editors-in-Chief

Sabine Szunerits 🇫🇷 里尔大学

Xueji Zhang (张学记) 🇨🇳 深圳大学

Associate editors

Ilka Engelmann 🇫🇷 里尔大学 Carlos D. Garcia 🇺🇸 克莱门森大学 Wei Gao (高伟) 🇺🇸 加州理工学院

Quan Yuan (袁荃) 🇨🇳 湖南大学 Lisa Hall 🇬🇧 剑桥大学 Mei Tian (田梅) 🇨🇳 复旦大学

Editorial board members

Sahika Inal 🇸🇦 阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）

* 2021 Journal Citation Reports (Clarivate, 2022)

^† CiteScore 2021 by Elsevier

^‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件

欢迎联系我们发布论文报道
📧 [e-mail]

点击下方「阅读原文」查看论文全文↓↓↓