基于生物味覺的仿生電子舌及其在味覺檢測與識別中的應(yīng)用.pdf

1、味覺作為哺乳動物感受外界環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的基礎(chǔ)，為生存、覓食、繁殖等活動提供了重要的保障。經(jīng)過長期的進(jìn)化，味覺感受系統(tǒng)能夠快速、靈敏、特異地識別和檢測復(fù)雜的液體環(huán)境中大量不同的物質(zhì)，是迄今為止性能最佳的化學(xué)檢測系統(tǒng)之一。受哺乳味覺感受系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信息編碼方式的啟發(fā)，研究者們提出了電子舌的概念。目前國際上的電子舌系統(tǒng)通常采用離子選擇電極等電化學(xué)傳感器或味覺仿生材料作為敏感元件，在檢測的靈敏度和特異性上存在問題。與電子舌相比，生物味覺感受系統(tǒng)

2、具有與生俱來的優(yōu)勢，其核心功能部件如感受細(xì)胞、受體等，適合作為電子舌中的敏感元件，以實(shí)現(xiàn)高特異性和靈敏度的檢測與識別。
　　本文提出了一種新型在體生物電子舌系統(tǒng):以哺乳動物味蕾中的味覺細(xì)胞作為初級感受器，味覺信息經(jīng)傳入神經(jīng)及孤束核等腦區(qū)的整合處理后，在味覺皮層中匯集，該區(qū)域的神經(jīng)元因此具有交叉敏感的味覺響應(yīng)特性。微電極陣列實(shí)時記錄味覺刺激前后相關(guān)神經(jīng)元的胞外電位信號，通過降維、模式識別等技術(shù)建立味覺種類的分類模型和味覺強(qiáng)度的定量檢

3、測模型。同時，本文驗(yàn)證了在體生物電子舌系統(tǒng)對苦味和甜味物質(zhì)的檢測性能，包括特異性、靈敏度、長時穩(wěn)定性等。另外，本文還提出了一種基于永生細(xì)胞系的生物電子舌，并將應(yīng)用于受體特異性的苦味物質(zhì)篩選中。
　　本文主要的創(chuàng)新性研究工作為:
　　1.首次提出了在體生物電子舌概念，并實(shí)現(xiàn)了苦味物質(zhì)的高靈敏度檢測
　　受在體生物電子鼻概念的啟發(fā)，本研究在國際上首次提出了在體生物電子舌的概念，其核心為建立味覺皮層神經(jīng)元胞外電位的活動模式與

4、味覺刺激的映射關(guān)系，完成味覺種類和強(qiáng)度的檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于清醒大鼠的在體生物電子舌局部場電位輸出具有苦味特異性，且β振蕩和γ振蕩的功率譜密度(power spectral density，PSD)特征均與苦味刺激的濃度相關(guān)。γ振蕩PSD對苦味刺激濃度變化更為敏感，苦味物質(zhì)苯甲地那銨的檢出限可達(dá)0.076μM。由于保證了味覺細(xì)胞和相關(guān)神經(jīng)元的在體環(huán)境，在體生物電子舌與基于離體生物電子舌相比具有更長的使用壽命，穩(wěn)定的輸出信號平均可維持

5、22天;與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比也表明，基于清醒大鼠的在體生物電子舌的定量檢測模型具有較高的可信度，驗(yàn)證了其用于苦味物質(zhì)識別與檢測的可行性。
　　2.提出了基于麻醉大鼠的在體生物電子舌，完成了苦味物質(zhì)快速準(zhǔn)確識別
　　為了減少動作噪聲等對檢測的不利影響，我們提出了基于麻醉大鼠的在體生物電子舌以提高實(shí)驗(yàn)記錄的成功率;同時，研究了在體生物電子舌的鋒電位信號攜帶的味覺信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該在體生物電子舌的鋒電位和局部場電位都可以對苦

6、味刺激產(chǎn)生快速的響應(yīng)，平均響應(yīng)延遲約為0.2s，平均響應(yīng)時長小于4s。在使用支持向量機(jī)算法建立的模型中，鋒電位和局部場電位信號的特征融合顯著提高了苦味響應(yīng)識別的準(zhǔn)確度，苦味與非苦味物質(zhì)的二元分類準(zhǔn)確度達(dá)到88.15％。同時，本研究分別建立了基于鋒電位發(fā)放頻率和局部場電位PSD的苦味定量檢測模型，雖與清醒大鼠的在體生物電子舌相比損失了部分靈敏度，但使用壽命得以延長，穩(wěn)定的信號輸出平均可維持30天。
　　3.首次將在體生物電子舌用于甜

7、味物質(zhì)的識別和檢測，并針對實(shí)際樣品的檢測與人類味覺感官進(jìn)行了對比
　　基于清醒大鼠的在體生物電子舌利用局部場電位的味覺特異性響應(yīng)包絡(luò)和隨機(jī)梯度下降算法，完成了四種不同類型味覺物質(zhì)分類;更進(jìn)一步，本研究利用哺乳動物味覺編碼的動態(tài)性，構(gòu)建了區(qū)分天然糖和人工糖的分類模型。同時，建立了基于局部場電位PSD的甜味物質(zhì)定量檢測模型，并得到了行為學(xué)結(jié)果的驗(yàn)證。另外，本研究首次針對實(shí)際樣品，對比了在體生物電子舌的響應(yīng)強(qiáng)度與人類味覺感官測試的結(jié)果，

8、分析了在體生物電子舌用于提高品味員工作效率的可行性。
　　4.研制了一種基于受體細(xì)胞的新型離體生物電子舌，實(shí)現(xiàn)了苦味物質(zhì)的受體特異性識別，并探索了其用于藥物苦味檢測的可行性
　　Caco-2細(xì)胞內(nèi)源性表達(dá)有人類苦味受體T2R38，與異源表達(dá)系統(tǒng)相比，具有天然完整的信號通路和更理想的貼壁能力，適合作為細(xì)胞阻抗傳感器的敏感元件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該離體生物電子舌可以對苦味物質(zhì)苯硫脲和丙基硫氧嘧啶的定量檢測，檢測結(jié)果可以模擬人類的苦味