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借助生物的力量，可制造憑借現(xiàn)有電子部件和半導(dǎo)體技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的超高敏度傳感器。其中，生物的力量有望極大發(fā)揮作用的是氣味傳感器。雖然也有研究在想通過(guò)半導(dǎo)體傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但存在很多課題，比如對(duì)氣味的選擇性低、檢測(cè)用時(shí)較長(zhǎng)，等等。
還有像機(jī)場(chǎng)的緝毒犬那樣用犬代替?zhèn)鞲衅鞯姆椒ǎ瑯哟嬖诤芏鄦?wèn)題，比如訓(xùn)練緝毒犬需要時(shí)間和金錢(qián)、無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中精力、難以進(jìn)入有生命危險(xiǎn)的場(chǎng)所等。
但如果能將生物的嗅覺(jué)機(jī)制應(yīng)用于工學(xué)，就有可能突破這些壁壘。著眼于這一點(diǎn)開(kāi)發(fā)高敏度傳感器的，是東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所教授竹內(nèi)昌治領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)小組。該研發(fā)小組的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)只要用一個(gè)分子即可檢測(cè)的傳感器。
具體來(lái)說(shuō)就是利用細(xì)胞具備的“膜蛋白質(zhì)”。膜蛋白質(zhì)可作為用一個(gè)分子即可檢測(cè)出特定物質(zhì)的傳感器使用。
細(xì)胞被稱(chēng)為“脂質(zhì)雙分子層”的雙層脂質(zhì)分子膜包覆。多種膜蛋白質(zhì)貫穿這種分子膜。特定的分子附著在膜蛋白質(zhì)上后，膜蛋白質(zhì)就會(huì)變形，脂質(zhì)雙分子層上出現(xiàn)小孔。根據(jù)膜蛋白質(zhì)種類(lèi)的不同，發(fā)生反應(yīng)的分子種類(lèi)也不同。
脂質(zhì)雙分子層上開(kāi)孔時(shí)，膜的正反面如果有電位差，就會(huì)流過(guò)大量的離子。通過(guò)檢測(cè)離子的流動(dòng)來(lái)發(fā)揮傳感器的作用。只要有一個(gè)分子附著在膜蛋白質(zhì)上，1秒鐘就會(huì)有大約107個(gè)離子移動(dòng)，因此能以高敏度進(jìn)行傳感。
將膜蛋白質(zhì)用作傳感器時(shí)，重要的是作為基礎(chǔ)的脂質(zhì)雙分子層。但此前脂質(zhì)雙分子層比較難形成，“一般由熟練的研究人員通過(guò)手工作業(yè)等制作，以往的方法不適合大批量生產(chǎn)”（東京大學(xué)的竹內(nèi)）。
因此，竹內(nèi)等人開(kāi)發(fā)出了可輕松制造脂質(zhì)雙分子層的方法。在分散有脂質(zhì)的油中滴入少量的水滴，即可根據(jù)脂質(zhì)的自組織，形成以單層脂質(zhì)膜包覆的水。利用通過(guò)MEMS技術(shù)制造的“微流體裝置”，使兩個(gè)由單層脂質(zhì)膜包覆的水滴接觸，接觸部分就會(huì)形成雙分子層。這種制造方法稱(chēng)為“Droplet Contact Methods（DCM）”。通過(guò)DCM制造雙分子層的裝置已經(jīng)與神奈川科學(xué)技術(shù)研究院（KAST）完成共同開(kāi)發(fā)。
試制可卡因傳感器
在利用DCM制作的脂質(zhì)雙分子層中嵌入與想檢測(cè)的物質(zhì)的分子發(fā)生反應(yīng)的膜蛋白質(zhì)，作為傳感器使用。也就是說(shuō)，制作僅針對(duì)特定物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的人工細(xì)胞。
竹內(nèi)等人在利用DCM制作的脂質(zhì)雙分子層中埋入“α-溶血素”膜蛋白質(zhì)，試制了針對(duì)可卡因發(fā)生反應(yīng)的傳感器。
α-溶血素是有直徑約1.5nm的孔的筒狀物質(zhì)，會(huì)通過(guò)脂質(zhì)雙分子層的正反面。在此之上組合了只與可卡因分子結(jié)合的“DNA核酸適體”。
DNA核酸適體能以單鏈穿過(guò)α-溶血素的孔。但與可卡因分子結(jié)合的話(huà)，形狀會(huì)發(fā)生變化，就無(wú)法再穿過(guò)孔了。通過(guò)檢測(cè)DNA核酸適體與可卡因分子結(jié)合后被孔卡住時(shí)產(chǎn)生的電流來(lái)檢測(cè)可卡因。能夠檢測(cè)到溶解在1L液體中的0.3mg的可卡因。檢測(cè)時(shí)間只有25秒。
可卡因傳感器利用的這種檢測(cè)法通過(guò)改變DNA核酸適體的種類(lèi)，還能高敏度檢測(cè)其他物質(zhì)。估計(jì)將來(lái)可用于環(huán)境傳感器，用來(lái)檢測(cè)食品的氣味以調(diào)查新鮮度、農(nóng)藥量和產(chǎn)地，或者檢測(cè)水中和大氣中的有害物質(zhì)。還打算用于根據(jù)口臭和體臭診斷疾病的傳感器。
