【科研进展】生仪学院王平教授课题组庄柳静博士后在《BIOSENSORS & BIOELECTRONICS》上发表高水平论文

  浙江大学生仪学院王平教授课题组的庄柳静博士在BIOSENSORS & BIOELECTRONICS (IF:10.618)上发表了题为“A biohybrid nose for evaluation of odor masking in the peripheral olfactory system”（https://doi.org/ 10.1016/j.bios.2020.112737）的研究论文。文章提出了一种基于生物电子混合系统的仿生嗅觉传感技术，通过将哺乳动物气味感知功能和传感器件信号转导特性结合，实现了混合气味感知效果的量化表征和气味相互作用的定量评估，可用于辅助工业芳香剂/掩蔽剂研发工作。

  自然环境中，气味信息包含了大量不同的气味分子，气味分子之间的相互作用使得嗅觉感知效果并不是单一气味的线性叠加，而是气味“整体”的感知。研究发现，混合气味的刺激强度要小于其单种成分刺激强度的总和，这个现象说明一种气味分子有可能抑制其他气味分子的响应。通过一种气味去抑制另外一种气味感知的现象被称为气味掩蔽，实际上，气味掩蔽的本质是感知的变化，而不是气味的消失。目前用于检测气味的技术如气相色谱分析只能分析化学种类，而仿生电子鼻技术虽然对低浓度的特定气味分子检测具有优势，但并不能评价气味分子间相互作用对感知效果的影响。

  哺乳动物的嗅觉系统由嗅上皮、嗅球、嗅皮层三部分组成。嗅上皮含有大量表达气味受体的嗅感觉神经元，气味分子与受体结合后，气味信息以神经脉冲信号的方式传递到嗅球，进而传递到嗅皮层。气味信息编码于特定的神经活动模式中并进行传递。而如何确定气味信号，如何建立特征信号与气味信息的关联性？微纳制造、神经接口、人工智能等技术的发展为仿生传感领域带来了革命性变化，同时也对神经-电子交互界面和复杂神经信号处理提出新要求。

  文章首先构建了用于细胞外电生理记录的64通道微电极阵列与哺乳动物鼻腔嗅上皮组织间有效耦合的方法，实现了嗅觉神经信号长时、稳定的采集记录（图1）。实验发现，嗅上皮中的低频神经振荡（0.1-12 Hz）携带了气味信息，不同气味可诱发具有时间和空间差异的振荡模式。通过分析各记录位点振荡信号的低频能量分布，建立表征气味信息的一组响应向量。进一步，通过分析单成分气味与混合气味响应向量间的相关性，实现气味相互作用的客观定量分析（图2）。

图1 生物电子鼻的设计及气味响应模式的建立及其智能识别

图2 生物电子鼻模拟人的嗅觉实现了气味掩蔽效果的客观评价

本课题旨在突破传统的检测手段，利用功能性生物材料作为气味的敏感元件并与传感技术结合产生特异性响应，通过传感器将响应转化为可读取信号，从而实现与生物感觉系统相似的化学信息传递识别过程，既保留信号的真实性、生物性又实现了气味信息的客观、定量分析，具有感官评价的可比性和可靠性等特点。

本课题与北京宝洁技术有限公司合作，受到国家自然科学基金，浙江省自然科学基金，中国博士后科学基金资助。