【摘要】：嗅覺對于生物的生存具有極其重要的意義。經(jīng)過長期的自然進化,生物嗅覺系統(tǒng)具備了人工檢測裝置所無法比擬的靈敏度和特異性,成為性能最為卓越的化學傳感系統(tǒng),能夠從復(fù)雜的環(huán)境中分辨和識別成百上千種只有痕量水平的各種氣體分子。仿生嗅覺傳感器從模擬生物嗅覺系統(tǒng)的角度出發(fā),以嗅覺受體、細胞、組織等生物材料為敏感元件,結(jié)合二級傳感器實現(xiàn)對氣味物質(zhì)的特異靈敏檢測,以期獲得類似生物嗅覺系統(tǒng)的檢測性能。仿生嗅覺傳感器不僅在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,而且能為生物嗅覺的基礎(chǔ)研究提供了全新的研究平臺,具有重要的研究意義和實際應(yīng)用價值。本論文在對仿生嗅覺傳感器的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)評述分析后,以生物嗅覺系統(tǒng)感知機理為研究的理論基礎(chǔ),結(jié)合特定類型的二級傳感器及系統(tǒng),分別從分子、細胞和細胞網(wǎng)絡(luò)三個層面對仿生嗅覺傳感器進行了系統(tǒng)深入的研究,開發(fā)出基于嗅覺受體的仿生嗅覺分子傳感器、基于嗅覺受體細胞的仿生嗅覺細胞傳感器,并對細胞網(wǎng)絡(luò)傳感器進行了初步的探討。 本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點在于 1.基于分子克隆技術(shù),成功制備了功能性的嗅覺受體蛋白 構(gòu)建了嗅覺受體蛋白ODR-10的真核表達載體,并將其成功表達在異源細胞系統(tǒng)HEK-293細胞質(zhì)膜表面。利用RT-PCR、Western blot、細胞免疫熒光、胞內(nèi)鈣離子濃度分析等技術(shù)對嗅覺受體蛋白ODR-10的表達、亞細胞定位以及功能進行鑒定。結(jié)果表明,異源表達的嗅覺受體蛋白ODR-10具有特異性識別其天然配體丁二酮的功能,適合用于開發(fā)仿生嗅覺傳感器。 2.研制了基于嗅覺受體蛋白的仿生嗅覺受體分子傳感器 以嗅覺受體蛋白ODR-10為敏感元件,結(jié)合石英晶體微天平作為二級傳感器,研制了一種仿生嗅覺受體分子傳感器,實現(xiàn)了對氣味物質(zhì)丁二酮的特異靈敏檢測。 為將嗅覺受體蛋白ODR-10與石英晶體微天平有效耦合,提出一種基于適配體的嗅覺受體蛋白特異性固定方法,在石英晶體微天平表面同時實現(xiàn)了嗅覺受體蛋白的固定與純化,提高了敏感元件與傳感器的耦合效率。結(jié)果表明該方法大大改善了仿生嗅覺分子傳感器的性能,使該傳感器的檢測下限達到1.5ppm。 3.基于基因工程化嗅覺受體細胞,研制了一種仿生嗅覺受體細胞傳感器 基于基因工程的原理,成功制備了一種特異表達嗅覺受體蛋白ODR-10的嗅覺受體細胞。由于該嗅覺受體細胞表面不但具有類型明確的嗅覺受體ODR-10,而且具有內(nèi)在的電興奮性,在氣味物質(zhì)刺激后可引發(fā)嗅覺受體細胞的動作電位發(fā)放。利用該細胞作為氣味檢測的敏感元件,結(jié)合光尋址電位型傳感器(light addressable potentiometric sensor, LAPS)獨特的光尋址檢測能力,成功檢測到嗅覺受體細胞在不同氣味物質(zhì)刺激下的電活動。結(jié)果表明仿生嗅覺受體細胞傳感器對嗅覺受體蛋白ODR-10的天然配體丁二酮具有獨特的響應(yīng)模式,對嗅覺受體細胞的胞外電信號進行時域和頻域特征分析后,可以有效地分辨出不同濃度的丁二酮信息。 4.提出了兩種體外制備細胞網(wǎng)絡(luò)的方法 嗅覺細胞網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的信號處理及信息編碼能力是生物嗅覺系統(tǒng)強大的氣味識別功能的重要基礎(chǔ),以細胞網(wǎng)絡(luò)為敏感材料有望大幅提高仿生嗅覺傳感器的性能。為解決細胞網(wǎng)絡(luò)與傳感器檢測平臺有效耦合這一關(guān)鍵問題,我們提出兩種體外培養(yǎng)生長模式可控的細胞網(wǎng)絡(luò)的技術(shù),實現(xiàn)細胞在微電極陣列(microelectrode array, MEA)芯片上的特異性固定與生長。在微電極陣列芯片加工時改變電極位點的排布模式可方便地改變細胞網(wǎng)絡(luò)的生長模式,為實現(xiàn)體外制備生長模式可控的嗅覺細胞網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。
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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：R314;TP212.2

【參考文獻】

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1 秦利鋒,許改霞,李蓉,葉學松,王平;基于光尋址電位傳感器的單細胞傳感器設(shè)計[J];浙江大學學報(工學版);2005年09期

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3 吳春生;仿生嗅覺細胞及受體傳感器的研究[D];浙江大學;2009年

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本文編號：2431853