基于石墨烯的新型嗅觉传感器检测气味分子

最近，东京工业大学的科学家展示了基于石墨烯的嗅觉传感器如何根据肽序列的设计检测气味分子。

石墨烯场效应晶体管上的可设计肽，用于选择性检测气味分子。图片来源：霍玛等人 （2023） |生物传感器和生物电子学|DOI.10.1016/j.bios.2022.115047

研究结果表明，用可设计的肽功能化的石墨烯场效应晶体管（GFETs）可用于开发模仿嗅觉受体的电子设备，然后通过选择性检测气味分子来模拟嗅觉。

在食品、化妆品、医疗保健和环境监测等众多行业中，嗅觉传感或气味传感被认为是不可或缺的一部分。目前，大多数常用的检测和评估气味分子的方法称为气相色谱-质谱（GC-MS）。

尽管已知GC-MS是有效的，但它具有一定的局限性，例如灵敏度有限和设置繁重。因此，研究人员正在寻找用户友好且高度敏感的替代品。

在过去的几年中，石墨烯场效应晶体管（GFET）已开始用于提出高灵敏度和选择性气味传感器。这是通过与嗅觉受体（也称为电子鼻）结合使用来完成的。

GFET被认为是吸附气味分子的完美选择，因为石墨烯表面和原子平面表面存在高电子迁移率。然而，GFET作为具有受体的电生物传感器的应用受到诸如受体的精细性和缺乏可用作嗅觉受体的替代合成分子等因素的极端限制。

由Yuhei Hayamizu教授领导的东京工业大学（Tokyo Tech）的研究小组着手解决基于GFET的嗅觉受体的这些问题。该团队开发和设计了三种用于石墨烯生物传感器的新肽，这些肽具有检测气味分子的潜力。最近在《生物传感器和生物电子学》杂志上报道了这一点。

我们设计的肽序列需要执行两个主要功能——作为生物分子支架在石墨烯表面上自组装，并充当生物探针来结合气味分子。这将允许肽以自组装的方式覆盖石墨烯表面，并均匀地使表面功能化以捕获气味分子。

早水裕平，东京工业大学教授

研究小组使用原子力显微镜，显示肽以单分子厚度均匀覆盖石墨烯表面。然后，利用功能化的石墨烯构建GFET装置，用于检测气味分子。

组装后，研究小组注射薄荷醇，柠檬烯和水杨酸甲酯作为GFET的气味分子。电化学测量表明，与气味分子结合有助于降低石墨烯的电导率。

此外，观察结果显示，三个肽序列与气味分子之间的相互作用增加到高度多样化的特征。这验证了GFET对气味分子的反应依赖于肽的设计。

此外，该小组进行了实时电气测量以跟踪GFET的动力学响应。观察结果表明，已知与气味分子的吸附和解吸相关的时间限制对于每个肽序列都是特殊的。

此外，通过主成分分析验证了这种行为。这些观察验证了新的GFET装置在使用设计的肽对气味分子进行电检测方面是成功的。

我们的方法很简单，可以扩大规模以大规模生产基于肽的嗅觉受体，这些嗅觉受体可以模拟和小型化负责我们嗅觉的天然蛋白质受体。我们离实现电子鼻的概念又近了一步。

早水裕平，东京工业大学教授

在这项研究中，所提出的强方法为开发高灵敏度和选择性的基于GFET的气味传感系统奠定了基础。此外，这些见解可以在开发先进的肽传感器时利用，这些传感器可以对各种气味分子进行多维分析。

期刊参考文献：

霍马等 （2023） 石墨烯场效应晶体管上用于气味分子选择性检测的可设计肽。生物传感器和生物电子学。doi.org/10.1016/j.bios.2022.115047。

来源： https://www.titech.ac.jp/english