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    科研進展

    新疆理化所基于工程嗅覺系統設計的體外人工鼻研究獲關注

    發布時間:2022-10-12
     自然界獨特的工程能力使生物系統能夠在發展過程中不斷進化,改善感知能力使其對環境信息作出響應。在進化過程中,人類產生了聽覺、視覺、味覺、嗅覺和觸覺五種感覺系統,通過生物行為與外部環境相互作用并協調共生。近年來,很多技術基于生物作用機制的啟發來模擬人類感知,例如可以識別氣味的人工鼻、基于振動傳感識別圖像的計算機視覺以及基于壓力傳感的電子皮膚。這些傳感器通過收集和量化不同的環境信號刺激來模擬生物器官的功能。同時,隨著生物可相容材料的廣泛應用,仿生人工器官不僅在環境監測和可穿戴智能設備方面取得了很大進展,還為受損器官的體外再生乃至仿生機器人的設計提供了工程基礎。

    嗅覺是生物體在模擬氣體風味分子或揮發性物質分子的情況下產生的一種感官,對生物體提高生存能力、辨別方向和繁殖后代具有重要意義。與其他感覺仿生技術相比,嗅覺仿生技術由于是化學物質傳感而非物理傳感,通常通過間接檢測的方式進行分析,因此雖能給出化學物質類別信息,但難以實現高靈敏,高特異性的定量分析。能否將化學信息轉化為容易量化的光學或電學信號模擬嗅覺系統,實現化學物質的非接觸感知識別,是人工鼻領域一項極具挑戰性的難題。

    基于上述考慮,中國科學院新疆理化技術研究所痕量化學物質感知團隊在工程嗅覺系統的高靈敏、快速、識別檢測原理和器件設計方面長期攻關,發展了系列新的解決方案(Adv. Mater. 2020, 32, 1907043; Adv. Optical Mater. 2020, 8, 2000524; Adv. Sci. 2020, 7, 2002991; J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 8195; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203358; J. Hazard. Mater. 2022, 436, 129263)。

    上述研究受到國際同行廣泛關注。受到Elsevier出版社生物及仿生材料領域新刊Engineered Regeneration邀請,團隊發表了題為Engineered olfactory system for in vitro artificial nose的領域綜述文章。團隊全面系統地總結和評述了近年來發表的基于人工鼻的各項技術,并根據其模仿的嗅覺功能,將這些工作分為傳感結構、識別系統和功能模塊三個方面。展望了可應用在人工鼻領域的工程嗅覺系統性能提升策略和方法,包括分子識別技術、聚合物基材料和微陣列集成等。通過總結基于嗅覺系統仿生技術的人工鼻構建策略,指出了將其應用于痕量物質分析領域容易被忽視的問題,為更靈敏、更可靠、更多功能的體外人工鼻提供了獨到的設計策略。

    新疆理化技術研究所為該文章唯一完成單位,博士生張天實為第一作者,導師竇新存研究員為通訊作者。該研究工作得到中科院西部之光、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、中國科學院從01原始創新及國家高層次人才等項目的資助。
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