據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）研究人員將一種名為“跳石蛃（jumping bristletail）”的昆蟲嗅覺受體，集成到由石墨烯制成的半導(dǎo)體芯片中，成功研制出一種新型仿生嗅覺傳感器，能夠探測多種小分子有機化合物。這種仿生生物電子傳感器可檢測并區(qū)分傳統(tǒng)電子傳感器難以分辨的分子。這項研究工作為構(gòu)建受自然啟發(fā)的、基于半導(dǎo)體的生物化學(xué)傳感系統(tǒng)開辟了新道路，有望應(yīng)用于醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、食品品質(zhì)檢測、農(nóng)業(yè)以及生物防御等領(lǐng)域。
相關(guān)研究論文以“Graphene Nanosensor for the Detection of Small Organic Compounds Using an Insect Olfactory Receptor”為題，發(fā)表于Advanced Materials期刊。加州大學(xué)圣地亞哥分校詳細介紹了一種可規(guī)模化制備昆蟲赫拉貝石蛃（Machilis hrabei）MhOR5嗅覺受體的方法，并將純化后的MhOR5蛋白通過化學(xué)方法集成到高性能石墨烯場效應(yīng)晶體管（gFET）上。gFET是一種依賴石墨烯替代硅作為導(dǎo)電材料的半導(dǎo)體器件，對分子層面的變化具有極高的靈敏度。
注：受體是一種能夠特異性識別并結(jié)合細胞外信號分子（稱為配體，例如激素、神經(jīng)遞質(zhì)、藥物等）的活性蛋白質(zhì)，它能將外部信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細胞內(nèi)部，從而引發(fā)特定的生物學(xué)效應(yīng)。
上方為gFET傳感器芯片封裝之后的示意圖；下方為gFET傳感器芯片架構(gòu)的原理圖
研究人員利用MhOR5功能化的gFET傳感器，在不同濃度下對包括避蚊胺（DEET）、己醇（hexanol）和丁香酚（eugenol）在內(nèi)的16種化學(xué)結(jié)構(gòu)各異的化合物進行了測試。該傳感器對16種化合物均產(chǎn)生了隨濃度變化的電信號響應(yīng)。
加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程系教授、該研究論文的通訊作者Kiana Aran表示：“工程學(xué)、生物學(xué)、生物制造和半導(dǎo)體技術(shù)的進步，使得我們?nèi)缃衲軌蛑噩F(xiàn)其它生物卓越的嗅覺感知能力，并將其直接與可規(guī)模化生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片相集成。我們不再僅僅停留于生物學(xué)研究層面，而是開始以可規(guī)模化制造的方式，將生物功能與半導(dǎo)體技術(shù)進行整合。”
為了制造、純化并將MhOR5蛋白集成到gFET傳感器芯片中，研究人員提取了該嗅覺受體的基因序列，進行合成后轉(zhuǎn)染至哺乳動物細胞中。他們從細胞膜中純化出MhOR5蛋白，并發(fā)現(xiàn)其四聚體形式在-80°C（-112°F）下儲存3個月后依然穩(wěn)定。研究團隊制造的MhOR5蛋白在經(jīng)歷數(shù)次凍融循環(huán)后同樣保持穩(wěn)定。
隨后，研究團隊使用碳二亞胺交聯(lián)劑反應(yīng)化學(xué)以及PBASE分子，將純化后的MhOR5蛋白通過化學(xué)方法連接到gFET傳感器平臺的石墨烯表面。PBASE分子能夠?qū)ǖ鞍踪|(zhì)在內(nèi)的分子與石墨烯等碳基納米材料連接起來。
這是首次將MhOR5嗅覺受體直接集成到gFET傳感器芯片上，以實現(xiàn)對小分子有機化合物的選擇性、無標記檢測。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.74079
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