靈感來自生物的超高性能傳感器

　　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半導(dǎo)體傳感器來實現(xiàn)，但存在很多課題，比如對氣味的選擇性低、檢測用時較長，等等。

　　還有像機場的緝毒犬那樣用犬代替?zhèn)鞲衅鞯姆椒�，但同樣存在很多問題，比如訓(xùn)練緝毒犬需要時間和金錢、無法長時間集中精力、難以進(jìn)入有生命危險的場所等。

　　但如果能將生物的嗅覺機制應(yīng)用于工學(xué)，就有可能突破這些壁壘。著眼于這一點開發(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)是實現(xiàn)只要用一個分子即可檢測的傳感器。

　　具體來說就是利用細(xì)胞具備的“膜蛋白質(zhì)”。膜蛋白質(zhì)可作為用一個分子即可檢測出特定物質(zhì)的傳感器使用。

　　細(xì)胞被稱為“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)種類的不同，發(fā)生反應(yīng)的分子種類也不同。

　　脂質(zhì)雙分子層上開孔時，膜的正反面如果有電位差，就會流過大量的離子。通過檢測離子的流動來發(fā)揮傳感器的作用。只要有一個分子附著在膜蛋白質(zhì)上，1秒鐘就會有大約107個離子移動，因此能以高敏度進(jìn)行傳感。

　　將膜蛋白質(zhì)用作傳感器時，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MEMS技術(shù)制造的“微流體裝置”，使兩個由單層脂質(zhì)膜包覆的水滴接觸，接觸部分就會形成雙分子層。這種制造方法稱為“Droplet Contact Methods（DCM）”。通過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，制作僅針對特定物質(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)，會通過脂質(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α-溶血素的孔。但與可卡因分子結(jié)合的話，形狀會發(fā)生變化，就無法再穿過孔了。通過檢測DNA核酸適體與可卡因分子結(jié)合后被孔卡住時產(chǎn)生的電流來檢測可卡因。能夠檢測到溶解在1L液體中的0.3mg的可卡因。檢測時間只有25秒。

　　可卡因傳感器利用的這種檢測法通過改變DNA核酸適體的種類，還能高敏度檢測其他物質(zhì)。估計將來可用于環(huán)境傳感器，用來檢測食品的氣味以調(diào)查新鮮度、農(nóng)藥量和產(chǎn)地，或者檢測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。