仿生嗅覺和味覺傳感技術(shù)的研究進(jìn)展*

王 平 莊柳靜 秦 臻 張 斌 高克強(qiáng)

浙江大學(xué) 生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室 生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院 杭州 310027

仿生嗅覺和味覺傳感技術(shù)的研究進(jìn)展*

王 平 莊柳靜 秦 臻 張 斌 高克強(qiáng)

浙江大學(xué) 生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室 生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院 杭州 310027

生物嗅覺和味覺系統(tǒng)具有敏銳的氣味和味質(zhì)感知能力，被認(rèn)為是自然界最高效的感測系統(tǒng)之一。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，氣味和味質(zhì)傳感與檢測技術(shù)對(duì)于提高人類的生存質(zhì)量，保障人類健康具有越來越重要的意義，已被廣泛應(yīng)用于食品安全、環(huán)境監(jiān)測和疾病診斷等領(lǐng)域。文章介紹了仿生嗅覺和味覺傳感技術(shù)的發(fā)展，包括電子鼻和電子舌化學(xué)傳感技術(shù)，基于生物敏感材料的仿生嗅覺和味覺傳感技術(shù)的原理、組成、技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用；此外，還介紹了基于腦機(jī)交互的新型在體生物電子鼻和電子舌的研究進(jìn)展；并對(duì)國際上仿生嗅覺和味覺傳感技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

嗅覺和味覺傳感技術(shù)，仿生傳感技術(shù)，生物傳感，腦機(jī)交互，智能傳感技術(shù)

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.12.005

嗅覺和味覺作為生物感受外界環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的基礎(chǔ)，共同構(gòu)成了生物的化學(xué)感覺系統(tǒng)，為生存、覓食、繁殖等活動(dòng)提供了重要的保障，具有重要的生理意義[1,2]。經(jīng)過長期的進(jìn)化，生物的化學(xué)感受系統(tǒng)能夠快速、靈敏、特異地檢測識(shí)別復(fù)雜的氣體和液體環(huán)境中大量不同的物質(zhì)，是迄今為止性能最佳的化學(xué)檢測系統(tǒng)之一。自然界的生物體嗅覺和味覺系統(tǒng)中的功能部件主要包括受體、細(xì)胞和組織 3 個(gè)層次，具有將氣味分子與味覺物質(zhì)本身攜帶的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)的能力，可以視為天然的化學(xué)感受器或傳感器[3,4]。在天然的化學(xué)感受器的啟發(fā)下以及科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用的需求牽引下，研究者們不斷提出各種采用化學(xué)和生物材料的仿生嗅覺和味覺傳感系統(tǒng)。

仿生嗅覺和味覺傳感器主要由生物功能部件和微納傳感器兩部分組成。其中，生物功能部件作為敏感元件，與目標(biāo)分子或離子結(jié)合并產(chǎn)生特異性的響應(yīng)；微納傳感器作為換能器，將響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為更易于處理和分析的光、電等物理信號(hào)[5]。近年來，隨著嗅覺和味覺生物機(jī)理研究愈發(fā)深入，嗅覺和味覺仿生傳感器也取得了突破性的進(jìn)展，并且開始在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中嶄露頭角。與傳統(tǒng)氣相和液相檢測儀器相比，嗅覺和味覺仿生傳感器繼承了生物化學(xué)感受系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)，在靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、特異性等指標(biāo)上都略勝一籌，在食品安全、環(huán)境監(jiān)測以及疾病檢測等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景[6,7]。

近年來，隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，筆者團(tuán)隊(duì)提出了基于腦機(jī)接口的新型在體嗅覺和味覺傳感技術(shù)，以直接利用生物完整的化學(xué)感覺系統(tǒng)[8,9]。通過解碼大腦中負(fù)責(zé)化學(xué)信息處理的神經(jīng)元活動(dòng)模式，構(gòu)建神經(jīng)元活動(dòng)模式與化學(xué)刺激間的映射模型，實(shí)現(xiàn)氣味分子和味覺物質(zhì)的檢測與識(shí)別。

1 仿生嗅覺和味覺傳感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 生物體嗅覺和味覺以及基于嗅覺和味覺組織的仿生傳感技術(shù)

生物體嗅覺和人工嗅覺的差別如圖 1 所示：氣味分子通過生物體鼻腔內(nèi)的黏液和纖毛作用于嗅上皮感受細(xì)胞。嗅上皮含有數(shù)以百萬計(jì)的感受細(xì)胞，嗅覺受體位于這些感受細(xì)胞的膜上，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)電信號(hào)。這些神經(jīng)電信號(hào)再由嗅覺皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解碼和識(shí)別。在設(shè)計(jì)模擬生物嗅覺的人工嗅覺——電子鼻時(shí)，將傳感器作為嗅覺受體陣列，信號(hào)處理系統(tǒng)（如計(jì)算機(jī)等）則作為嗅覺皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

味覺與嗅覺類似，都是通過上皮組織中的化學(xué)感受細(xì)胞實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的捕獲，以及從化學(xué)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。不同之處在于，嗅覺感受細(xì)胞是神經(jīng)元，在與氣味分子結(jié)合后可產(chǎn)生動(dòng)作電位；而味覺感受細(xì)胞包裹于味蕾之中，沒有產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力，其頂部微纖毛與味覺物質(zhì)結(jié)合后引起神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，通過突觸引起傳入神經(jīng)的興奮[10]。盡管味覺和嗅覺系統(tǒng)將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的過程略有不同，但是最終的電信號(hào)中同樣攜帶有化學(xué)信息，結(jié)合傳感器芯片可以高時(shí)空分辨地檢測并記錄到電信號(hào)。

圖1 生物體嗅覺和人工嗅覺的對(duì)比[2]

筆者團(tuán)隊(duì)在國際上率先提出了以味覺上皮組織細(xì)胞為敏感元件、以微電極陣列（microelectrode array，MEA）作為換能器的味覺仿生傳感技術(shù)[11]，用于苦味、咸味和鮮味等味覺物質(zhì)的檢測，發(fā)展了新型的仿生味覺細(xì)胞傳感技術(shù)[12]，系統(tǒng)示意圖如圖 2 所示。

圖2 利用嗅上皮與微電極陣列芯片檢測基本味覺物質(zhì)(a)體外生物傳感用味覺上皮與MEA芯片的方法；(b)與MEA芯片相結(jié)合的味覺上皮圖像；(c)在5種基本味覺物質(zhì)刺激下記錄的電生理信號(hào)

1.2 基于嗅覺和味覺細(xì)胞的仿生傳感技術(shù)

基于細(xì)胞的生物傳感器將活細(xì)胞作為敏感元件，可以用來檢測生物活性物質(zhì)的功能信息。因此，在嗅覺和味覺仿生傳感器的開發(fā)中，也有不少研究使用原代嗅感覺神經(jīng)元（olfactory sensory neurons，OSNs）和味覺感受細(xì)胞作為敏感材料。我們將體外原代培養(yǎng)的嗅感覺神經(jīng)元與光尋址電位型傳感器（light addressable potentiometric sensor，LAPS）結(jié)合，嗅感覺神經(jīng)元細(xì)胞膜表面的特異性受體與氣味分子結(jié)合后，引起胞內(nèi)外離子濃度的變化（如圖 3a 所示），并最終影響 LAPS 傳感器偏置電流的大小，利用該現(xiàn)象可以檢測不同的氣味分子[13]。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以用于細(xì)胞狀態(tài)的監(jiān)測。此外，使用LAPS 測試了嗅感覺神經(jīng)元對(duì)抑制劑 MDL12330A 以及興奮劑 LY294002 的響應(yīng)，與生物學(xué)方法結(jié)果一致（圖 3b）[14]。另外，我們將原代味覺細(xì)胞與 LAPS 耦合，提出了一種無損研究味蕾內(nèi)細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制的方法[15]。

圖3 LAPS測量系統(tǒng)檢測氣味分子(a)嗅感覺神經(jīng)元與纖毛中的離子通道； (b)基于嗅感覺神經(jīng)元的LAPS測量系統(tǒng)圖

在采用原代的嗅覺、味覺感受細(xì)胞作為仿生敏感元件基礎(chǔ)上，我們提出了基于異源表達(dá)細(xì)胞的味覺仿生傳感器，該系統(tǒng)將人類的嗅覺或味覺受體轉(zhuǎn)染至成熟的細(xì)胞系中。由于人類受體的引入，該系統(tǒng)可以更好地模擬人類的化學(xué)感覺。例如，我們將人類 T2R14 苦味受體及 Gα16 蛋白轉(zhuǎn)染至人類胚胎腎細(xì)胞（human embryonic kidney-293，HEK-293）中，將轉(zhuǎn)染了特異性受體的 HEK-293 置于細(xì)胞阻抗傳感器（electric cell-substrate impedance sensor，ECIS）表面培養(yǎng)，該系統(tǒng)可以特異性地檢測水楊苷等 T2R14 的配體[16]。研究表明，味覺受體廣泛表達(dá)于很多非味覺組織和細(xì)胞中，如胃腸道細(xì)胞、器官上皮細(xì)胞、小鼠精細(xì)胞等。因此，我們還提出了基于小鼠精細(xì)胞和 ECIS 傳感器的苦味物質(zhì)檢測系統(tǒng)，可以定量檢測多種苦味物質(zhì)[17]。

1.3 基于嗅覺和味覺受體蛋白的仿生傳感技術(shù)

生物識(shí)別氣味分子和味覺物質(zhì)的基礎(chǔ)是位于嗅覺和味覺感受細(xì)胞纖毛上的受體，因此，研究者們提出了基于味覺和嗅覺受體的仿生傳感器，其中受體的活性極大地影響著傳感器的性能。嗅覺受體是疏水的 G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCR），其 7 段跨膜結(jié)構(gòu)需要細(xì)胞膜的支持。因此，開發(fā)基于受體的嗅覺仿生傳感器在當(dāng)前研究中仍是極大的挑戰(zhàn)。

為了解決該問題，我們研究了直接從原代嗅覺組織中提取嗅覺受體，并將其作為敏感元件固定在傳感器表面。我們從牛蛙的嗅上皮中分離出了嗅覺蛋白，并將其修飾在傳感器的表面，用來測定不同的揮發(fā)性有機(jī)物[18]。還有研究者提出利用異源表達(dá)系統(tǒng)，將帶有嗅覺受體的細(xì)胞膜作為敏感元件與換能器耦合，構(gòu)建嗅覺仿生傳感器，其中最常用的異源表達(dá)系統(tǒng)包括 HEK-293 細(xì)胞、人類乳腺癌細(xì)胞 MCF-7 和真菌等[5]。我們研究了基于聲表面波（surface acoustic wave，SAW）傳感器和大腸桿菌嗅覺受體ORD-10的仿生嗅覺傳感器（圖4）[19]。

圖4 基于特異性嗅覺受體結(jié)合聲表面波（SAW）傳感器的嗅覺分子傳感器[19](a) 聲表面波傳感器實(shí)物圖；(b) 敏感區(qū)域表面自組裝單分子層結(jié)構(gòu)示意圖； (c) 聲表面波傳感器原理圖

另外，昆蟲對(duì)氣味分子的識(shí)別需要嗅覺結(jié)合蛋白（odor binding receptor，OBP）的參與。嗅覺結(jié)合蛋白與疏水的氣味分子結(jié)合后，使氣味分子的親水性增強(qiáng)，并將氣味分子運(yùn)載至受體上的特異性結(jié)合位點(diǎn)。嗅覺結(jié)合蛋白擁有與嗅覺受體相當(dāng)?shù)撵`敏度和特異性，但其結(jié)構(gòu)更為簡單。Lu 等[20]將蜜蜂的嗅覺結(jié)合蛋白固定在阻抗芯片表面，特異性地檢測信息素，該系統(tǒng)還可以用于研究嗅覺結(jié)合蛋白的其他功能。

與嗅覺受體類似，味覺受體中的苦味、甜味、鮮味受體也是 G 蛋白偶聯(lián)受體，研發(fā)基于此類受體的味覺仿生傳感器同樣具有難度。Song 等[21]將人類味覺受體 hT1R2+hT1R3 異質(zhì)二聚體表達(dá)在 HEK-293 細(xì)胞的細(xì)胞膜上，將細(xì)胞震碎成為帶有味覺受體的納米囊泡，并固定在場效應(yīng)管傳感器（field effect transistor，F(xiàn)ET）表面，為甜味物質(zhì)檢測提供了新的傳感技術(shù)。但是酸味和咸味受體為離子通道型受體，目前還沒有基于此類受體構(gòu)造的仿生味覺傳感器。

采用石英晶體微平衡器（quartz crystal microbalance，QCM）傳感器制備的味覺仿生傳感器結(jié)構(gòu)如圖 5a 所示[22]。我們將人類的苦味受體 hT2R4 表達(dá)在 HEK-293 細(xì)胞膜上，在受體 C 端標(biāo)記 His6標(biāo)簽，并使用試劑盒分解細(xì)胞提取出含有 hT2R4 受體的細(xì)胞膜碎片。同時(shí)，QCM 表面固定有巰基修飾的抗 His6標(biāo)簽的適配體，可以特異性地捕獲帶有 His6標(biāo)簽的 hT2R4 受體，將細(xì)胞膜碎片準(zhǔn)確地固定在器件表面（圖 5b）。由于磷脂雙分子層的存在，受體的跨膜結(jié)構(gòu)得以維持，該方法可能有助于解決味覺受體的固定效率和分布密度等問題。用不同苦味物質(zhì)對(duì)該基于QCM的味覺仿生傳感器進(jìn)行了測試，該傳感器在一定濃度范圍內(nèi)能有效檢測出苦味物質(zhì)地那銨，對(duì)特異性苦味物質(zhì)也具有較高的特異性和靈敏度。

2 基于腦機(jī)交互的在體生物電子鼻和電子舌

離體細(xì)胞分子嗅覺味覺傳感器利用生物組織培養(yǎng)和機(jī)械微加工技術(shù)，將嗅覺味覺敏感的神經(jīng)元、組織或蛋白培養(yǎng)于傳感器芯片表面，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的快速、靈敏、特異檢測。然而，體外培養(yǎng)不能保證生物材料長時(shí)存活，因此影響傳感器的使用壽命，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)、重復(fù)檢測；此外，體外培養(yǎng)也破壞了嗅覺味覺系統(tǒng)的完整性，改變了神經(jīng)元正常的響應(yīng)模式。因此，如何利用生物體的嗅覺和味覺來檢測氣體或味質(zhì)，并提高其使用壽命成為科學(xué)家們新的探索和研究方向。

隨著在體神經(jīng)信號(hào)記錄技術(shù)的發(fā)展，長時(shí)的在體記錄成為可能。Strauch 等[23]利用在體鈣成像技術(shù)，記錄了果蠅觸角嗅覺神經(jīng)元對(duì)癌細(xì)胞和非癌細(xì)胞產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)的響應(yīng)；并通過多元分析方法，顯示多個(gè)神經(jīng)元陣列對(duì)正常細(xì)胞和不同乳腺癌細(xì)胞的響應(yīng)存在差異。這項(xiàng)成果揭示了利用生物敏感材料，結(jié)合人工嗅覺和生物嗅覺技術(shù)在臨床診斷的可行性。類似地，Nowotny 等[24]利用微電極在體記錄果蠅嗅覺神經(jīng)元，結(jié)合支持向量機(jī)分類算法，實(shí)現(xiàn)氣味響應(yīng)模式的分類，結(jié)果顯示這種方法可以很好地區(qū)分 36 種不同的酒類氣體和 35 種工業(yè)氣體。將氣味和味質(zhì)受體應(yīng)用于人工嗅覺味覺系統(tǒng)，結(jié)合長時(shí)在體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣味和味質(zhì)檢測，相比于離體嗅覺味覺傳感器具有更強(qiáng)的可行性。筆者團(tuán)隊(duì)在 2012 年率先提出利用大鼠嗅球在體檢測和識(shí)別肺癌氣體標(biāo)志的方法[25]，進(jìn)一步提出在體仿生味覺傳感技術(shù)的概念[10]。

圖5 基于QCM的味覺仿生傳感器[22]（a）石英晶體微平衡器結(jié)合適配體的傳感器；（b）味覺受體在QCM金表面的選擇性固定蛋白分子

2.1 在體生物電子鼻

利用植入式神經(jīng)信號(hào)記錄技術(shù)，筆者團(tuán)隊(duì)提出了新型在體生物電子鼻（圖 6）。哺乳動(dòng)物的嗅上皮作為初級(jí)氣味感受器產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，信號(hào)在嗅球和嗅皮層中進(jìn)行修飾處理；將植入式微電極陣列包埋于嗅球，同步記錄嗅球中多個(gè)僧帽/叢狀細(xì)胞信號(hào)；通過模式識(shí)別算法，對(duì)神經(jīng)元信號(hào)進(jìn)行解碼，從而提取出氣味相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)氣味檢測。研究結(jié)合最大似然估計(jì)和主成分分析方法，發(fā)現(xiàn)在體生物電子鼻不僅可以有效區(qū)分香芹酮、丁二酮、苯甲醚、乙酸異戊酯、辛醇、戊醛和丁酸等不同官能團(tuán)的單分子氣味，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 92.67%[26]；同時(shí)對(duì)香蕉、橙子、草莓、菠蘿等釋放的混合氣味也能有效區(qū)分[8]；此外，對(duì)香芹酮的最低檢測濃度達(dá)到 10–10mol/L 以下，使用壽命可達(dá) 3 個(gè)月。

圖6 在體生物電子鼻(a)在體生物電子鼻系統(tǒng)示意圖； (b)基于PCA算法的識(shí)別結(jié)果[8]

2.2 在體生物電子舌

在哺乳動(dòng)物的味覺系統(tǒng)中，味質(zhì)與舌頭表面的味蕾結(jié)合后，信號(hào)通過味覺神經(jīng)纖維，經(jīng)過腦干、杏仁核和丘腦傳導(dǎo)味覺皮層。與在體生物電子鼻類似，筆者團(tuán)隊(duì)通過提取哺乳動(dòng)物味覺皮層神經(jīng)元，對(duì)甜味、咸味、酸味、苦味4種不同物質(zhì)響應(yīng)活動(dòng)，結(jié)合味覺皮層的局部場電位（local field potential，LFP）和單個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬╯pike）信號(hào)特征，有效地對(duì)蔗糖、氯化鈉（鹽）、鹽酸、苯甲地那銨進(jìn)行區(qū)分，并且對(duì)甜味、苦味物質(zhì)的響應(yīng)顯示出濃度依賴性，苯甲地那銨的最低檢測濃度達(dá)到7.6×10?8mol/L[9]（圖 7）。進(jìn)一步，利用支持向量機(jī)識(shí)別方法，有效地區(qū)分出了苯甲地那銨、奎寧和水楊苷3種苦味物質(zhì)，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 94.05%[27]。

此外，筆者團(tuán)隊(duì)還從使用壽命、重復(fù)性、特異性、靈敏度等方面對(duì)在體生物電子鼻和電子舌的檢測性能進(jìn)行較深入的分析，證明了其在氣味和味質(zhì)檢測方面的獨(dú)特優(yōu)勢和性能；目前正在擴(kuò)大氣味和味質(zhì)檢測樣本的數(shù)量，進(jìn)一步改進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別算法，為發(fā)展在體生物電子鼻和電子舌繼續(xù)進(jìn)行探索和實(shí)踐。

3 仿生嗅覺與味覺傳感技術(shù)的應(yīng)用

圖7 在體生物電子舌（a）在體生物電子舌系統(tǒng)示意圖； （b）味質(zhì)誘發(fā)味覺皮層20—50 Hz能量增加；（c）甜味（蔗糖）、咸味（氯化鈉）、酸味（鹽酸）、苦味（苯甲地那銨）4種味覺物質(zhì)的識(shí)別結(jié)果[9]

經(jīng)過多年發(fā)展，仿生電子鼻和仿生電子舌已在食品、香水等工業(yè)領(lǐng)域，以及環(huán)境質(zhì)量檢測、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[28]。而新一代離體分子細(xì)胞嗅覺和味覺傳感器雖然起步較晚，但其氣味和味質(zhì)檢測性能在實(shí)驗(yàn)室階段已通過重復(fù)驗(yàn)證，目前正逐步進(jìn)入應(yīng)用測試階段，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下 4 個(gè)方面。

3.1 食品質(zhì)量檢測

在食品領(lǐng)域的應(yīng)用包括對(duì)原料質(zhì)量的檢驗(yàn)、加工過程的監(jiān)管，以及食品新鮮度檢測等。食品在儲(chǔ)藏過程中，不可避免發(fā)生變質(zhì)，對(duì)因變質(zhì)產(chǎn)生的氣體、酶、微生物等進(jìn)行檢測，是有效預(yù)測食品保質(zhì)期的手段，如 Lim 等[29]用仿生電子鼻實(shí)時(shí)監(jiān)測海鮮質(zhì)量。

3.2 緝毒、防爆

毒品及其包裝材料中一般具有特殊的氣味，因此可以從氣體和味道中進(jìn)行鑒別，不需要人的品嘗即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的快速鑒別。由于一般毒品及其包裝材料所含的特征性氣味濃度較低，因此需要發(fā)展快速和高靈敏和高特異性的仿生味覺和味覺傳感器及儀器。

爆炸物一般含有負(fù)電荷氮和氧作為燃燒時(shí)的氧化劑，大部分高能爆炸物用硝酸鹽作為氧化劑，對(duì)氮和氧成分以及特征性氣體的分析可以有效實(shí)現(xiàn)爆炸物檢測[30]。

3.3 疾病診斷

1971 年，Pauling 等[31]首次提出人類呼出氣體中存在揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic compounds，VOCs）。健康人體的呼出氣體中含有約 200 種 VOCs，其成分非常復(fù)雜并且部分成分濃度極低（10?12mol/L）。Gordon 等[32]提出肺癌患者呼出氣體中含有丙酮、甲基乙基酮、正丙醇、苯乙烯等不同于健康人的特征性 VOCs 成分（生物標(biāo)志物）；因此，可以通過對(duì)特征性 VOCs 成分的高靈敏和特異性的檢測，從而有望實(shí)現(xiàn)對(duì)肺癌的早期診斷。

3.4 環(huán)境檢測

近 10 年來，空氣質(zhì)量問題受到越來越多的關(guān)注，空氣污染對(duì)環(huán)境和人類健康起到重要影響。每年，全世界因大氣顆粒物（partical matter，PM）引發(fā)心肺疾病致死的人數(shù)為 300 萬—700 萬。PM 主要由發(fā)電廠、工業(yè)企業(yè)、汽車、生物質(zhì)化石燃料的燃燒產(chǎn)生。為解決此類健康問題，世界上多個(gè)國家已經(jīng)開展了一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、臭氧、苯、甲苯、二甲苯等氣體的現(xiàn)場快速檢測技術(shù)研究，并已應(yīng)用于各種場合（表 1）。

4 展望

隨著國際上傳感技術(shù)和 MEMS 技術(shù)的快速發(fā)展，嗅覺與味覺仿生傳感技術(shù)通過不同傳感原理的化學(xué)和生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定氣味和味質(zhì)的檢測。盡管目前還不能替代復(fù)雜的化學(xué)分析設(shè)備，但由于在便攜性、操作簡單以及價(jià)格等方面的優(yōu)勢，仿生傳感器在日常生活得到廣泛應(yīng)用。而隨著生命科學(xué)的發(fā)展，將生物敏感材料替換化學(xué)傳感器的新一代嗅覺味覺仿生傳感技術(shù)更好地利用生物體的優(yōu)越性，可以彌補(bǔ)電子鼻電子舌在響應(yīng)速度、靈敏度、特異性上的不足。利用生物體嗅覺與味覺系統(tǒng)復(fù)雜精密的傳感檢測能力，結(jié)合工程技術(shù)生物信號(hào)解析和識(shí)別技術(shù)，使得生物信號(hào)轉(zhuǎn)化成可讀取的檢測信息，開發(fā)出新一代智能嗅覺和味覺傳感系統(tǒng)，并將進(jìn)一步推動(dòng)仿生嗅覺味覺傳感技術(shù)的發(fā)展。

表1 仿生嗅覺和味覺傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

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Research Progress of Bioinspired Smell and Taste Sensors

Wang Ping Zhuang Liujing Qin Zhen Zhang Bin Gao Keqiang
（Biosensor National Special Laboratory, Key Laboratory for Biomedical Engineering of Ministry of Education, Department of Biomedical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China）

The mammalian olfactory and gustatory system is recognized as the most effective chemosensing systems due to their extraordinary ability in odor and tastant detection. Detection of odors has been applied to many real applications, such as quality control of food products,safety and security, environmental monitoring, medical diagnosis and so on. Here, we focus on the principle, basic composition, employed technology and application of electronic nose/electronic tongue, molecule and cell based olfactory/gustatory biosensors. We also introduce the research progress of a novel system which we called ‘in vivo bioelectronic nose and tongue’. Finally, the further trend in this area is forecasted.Keywords smell and taste sensing, biosensors, bioinspired sensing, brain-computer interaction, intelligent sensing

王 平 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系求是特聘教授，國家“杰青”，入選國家百千萬人才工程，全國優(yōu)秀科技工作者。國際嗅覺與化學(xué)傳感技術(shù)學(xué)會(huì)成員，國際化學(xué)傳感器會(huì)議亞太區(qū)國際執(zhí)委會(huì)委員，亞洲化學(xué)傳感器會(huì)議國際執(zhí)委會(huì)委員，全國高校傳感技術(shù)研究會(huì)副理事長，中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)生物醫(yī)學(xué)測量分會(huì)前主任，中國電子學(xué)會(huì)離子敏生物敏專業(yè)委員會(huì)副主任，中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)分會(huì)副主任。國際刊物 Microsystems &Nanoengineering，Scientific Journal of Microelectronics 等編委；Biosensors and Bioelectronics，Sensors & Actuators A，Sensors & Actuators B，IEEE Sensors Journal，Sensors Letters 及 Sensors and Materials 等刊物特約編委和審稿人；《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》副主編，《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》《浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）》《儀表技術(shù)與傳感器》等刊物編委；浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室主任、生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。發(fā)表學(xué)術(shù)論文 250 余篇，中英文著作 5 本。國際發(fā)明專利 1 項(xiàng)、國家發(fā)明專利 30 余項(xiàng)。E-mail: cnpwang@zju.edu.cn

Wang Ping Professor of Biomedical Engineering of Zhejiang University, Director of Biosensor National Special Laboratory, and Director of Key Lab for Biomedical Engineering of National Education Ministry of China, Zhejiang University. He is an international advisory/organising board member of Biosensors and Bioelectronics Symposium (BBS), member of The International Society for Olfaction and Chemical Sensing (ISOCS), member of Asia-Pacific Regional Steering Committee of International Meeting on Chemical Sensors (IMCS).member of International Steering Committee of Asian Conference on Chemical Sensors (ACCS). Besides, he is a visiting scholar at Edison Sensors Laboratory of Case Western Reserve University, USA, and Biosensor and Bioinstrumentation Laboratory in University of Arkansas,USA, in 2002 and 2005, respectively. He also serves as the editorial board member for Microsystems & Nanoengineering, Scientific Journal of Microelectronics, guest editor and peer reviewer for Biosensors and Bioelectronics, Sensors & Actuators A, Sensors & Actuators B, IEEE Sensors Journal, Sensors Letters, and Sensors and Materials, associate Editor-in-Chief for Chinese Journal of Sensors and Actuators, and so on. He has published about 250 academic papers, 5 monographs in Chinese or English, holds one international patent and more than 30 patents in China. E-mail: cnpwang@zju.edu.cn

*資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重大國際合作項(xiàng)目（61 320106002），國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)國際合作項(xiàng)目（31661143030）

修改稿收到日期：2017年12月12日