仿生鼻子准确嗅出水污染菌

【字体: 时间:2015年09月11日 来源:生物通

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  最近在国际著名学术期刊《Biosensors and Bioelectronics》发表的一项研究中,来自韩国首尔国立大学的研究人员,模仿人类的鼻子,开发出一种生物电子鼻,可通过嗅气味,检测出水中微量的细菌,而不需要复杂的设备和测试。

  

生物通报道:最近在国际著名学术期刊《Biosensors and Bioelectronics》发表的一项研究中,来自韩国首尔国立大学的研究人员,模仿人类的鼻子,开发出一种生物电子鼻,可通过嗅气味,检测出水中微量的细菌,而不需要复杂的设备和测试。这种仿生鼻子的工作原理是,利用人类鼻子中的嗅觉受体。延伸阅读:《柳叶刀》:首次利用人工软骨成功实现鼻再造术

这种传感器使用很简单,它可以检测到水中少量的污染物,因此,比现有的检测方法更敏感。作者称,在野外现场使用这项技术更为有用。

水中的细菌和其他微生物主要引起两个问题:它们能使水有毒,使其发臭。在高浓度时,饮用水中的细菌可能是有毒的。但在较低的水平——通过现有的培养技术几乎检测不到,它们可能导致一种“异味”,使人们不再喝这种水。

这项新的研究表明,模仿人类鼻子的技术,可以通过检测水所散发出的异味,来发现其中低浓度的细菌和其他微生物。

带领这项研究的Tai Hyun Park教授说:“闻起来气味不好的水,不一定是有毒的。想象一下如果你不洗衣服,虽然它是无毒的,但你不想穿它,因为气味不好闻。饮用水也是,如果有异味,即使水没有毒性,你也不想喝它。我们想开发一种方法来检测和消除这种污染,这样人们就会乐意喝水。”

传统上,我们可以通过取水样并在实验室中培养细菌,来检测水中的细菌。当细菌在实验室中生长时,科学家可以计算菌落数,并计算出细菌在水中的浓度。另一种方法是直接检测气味,这通常是使用技术完成的,需要大型科学设备,如气相色谱或质谱技术。

Park教授说“这些都是检测气味分子的很好方法,但是在样品准备测试之前,需要做大量的工作。所有这些测试都需要在实验室中采用昂贵的设备来做,它们不适合野外现场使用。”

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Park教授及其团队希望开发一种更方便、紧凑的设备用于测试水,适合现场使用。除了饮用水的污染之外,细菌和其他微生物也会污染河流和湖泊——例如,香港大量爆发的水华。早期捕捉这种污染物,意味着更容易控制它们。

我们有五种感官——视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉。在这五种感官中,我们有设备捕捉到其中三种的相关信息:视觉(摄像机)、听觉(录音)和触摸(平板电脑)。但尚未有一种装置,能够成功捕捉到的嗅觉或味觉的相关信息。

污染水的细菌,会散发出特殊的气味,与少量的气味分子有关。两种典型的气味——泥土味和发霉味——是由不同的分子引起:土臭味素(GSM)和2-甲基异冰片(MIB)。这种新的鼻状装置,可以非常低的浓度(每升水中仅仅10ng)检测到水中的这些气味。它也非常敏感,能在一团混合气味中发现特定的气味。

由于他们关注的是不好的气味,因此,Park教授和他的同事们很自然地想到了人的鼻子是如何工作的,并将其功能改造为一个传感器元件。人的鼻子比两个气味分子的受体要复杂得多,因此,要制造一种真正的嗅诊设备,研究者需要进一步努力。

Park教授说:“我们的最终目标是,开发一种真正像人鼻子那样的生物电子鼻。在人的鼻子里,有大约400个不同的嗅觉受体。如果我们能发展我们的技术,包括所有这些嗅觉受体,我们将得到一种设备,可以嗅到低浓度的任何气味。”

研究人员说,该技术有许多其他应用。这种气味装置可能对于气味工业是非常有用的,如香水、化妆品、葡萄酒和咖啡。某些疾病,如肺癌,可导致患者发出特殊气味;我们知道,狗能够检测这些气味,生物电子鼻为通过气味进行诊断,打开了新的路径。还有安保作用,例如在机场进行药物搜索。

研究人员说,然而,更为根本的是,它可以帮助我们构建一些从未存在过的东西:一种气味分类系统。“目前,我们还没有一种系统用于气味分类;这一切仍然取决于我们人类的感觉系统。有了我们的电子设备,我们就可以系统地检测和标记味道,也许能够提出一种通用的气味代码,在未来可以用于沟通。”

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Real-time monitoring of geosmin and 2-methylisoborneol, representative odor compounds in water pollution using bioelectronic nose with human-like performance
Abstract: A bioelectronic nose for the real-time assessment of water quality was constructed with human olfactory receptor (hOR) and single-walled carbon nanotube field-effect transistor (swCNT-FET). Geosmin (GSM) and 2-methylisoborneol (MIB), mainly produced by bacteria, are representative odor compounds and also indicators of contamination in the water supply system. For the screening of hORs which respond to these compounds, we performed CRE-luciferase assays of the two odorants in heterologous cell system. Human OR51S1 for GSM and OR3A4 for MIB were selected, and nanovesicles expressing the hORs on surface were produced from HEK-293 cell. Carbon nanotube field-effect transistor was functionalized with the nanovesicles. The bioelectronic nose was able to selectively detect GSM and MIB at concentrations as low as a 10 ng L−1. Furthermore, detection of these compounds from the real samples such as tap water, bottled water and river water was available without any pretreatment processes.


 

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