基于生物味覺(jué)的仿生電子舌及其在味覺(jué)檢測(cè)與識(shí)別中的應(yīng)用.pdf

1、味覺(jué)作為哺乳動(dòng)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(dòng)提供了重要的保障。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，味覺(jué)感受系統(tǒng)能夠快速、靈敏、特異地識(shí)別和檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)之一。受哺乳味覺(jué)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(guó)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(jué)仿生材料作為敏感元件，在檢測(cè)的靈敏度和特異性上存在問(wèn)題。與電子舌相比，生物味覺(jué)感受系統(tǒng)

2、具有與生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)，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(cè)與識(shí)別。
　　本文提出了一種新型在體生物電子舌系統(tǒng):以哺乳動(dòng)物味蕾中的味覺(jué)細(xì)胞作為初級(jí)感受器，味覺(jué)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(jué)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(jué)響應(yīng)特性。微電極陣列實(shí)時(shí)記錄味覺(jué)刺激前后相關(guān)神經(jīng)元的胞外電位信號(hào)，通過(guò)降維、模式識(shí)別等技術(shù)建立味覺(jué)種類的分類模型和味覺(jué)強(qiáng)度的定量檢

3、測(cè)模型。同時(shí)，本文驗(yàn)證了在體生物電子舌系統(tǒng)對(duì)苦味和甜味物質(zhì)的檢測(cè)性能，包括特異性、靈敏度、長(zhǎng)時(shí)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(cè)
　　受在體生物電子鼻概念的啟發(fā)，本研究在國(guó)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(jué)皮層神經(jīng)元胞外電位的活動(dòng)模式與

4、味覺(jué)刺激的映射關(guān)系，完成味覺(jué)種類和強(qiáng)度的檢測(cè)。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(chǎng)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(duì)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(jué)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(zhǎng)的使用壽命，穩(wěn)定的輸出信號(hào)平均可維持

5、22天;與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比也表明，基于清醒大鼠的在體生物電子舌的定量檢測(cè)模型具有較高的可信度，驗(yàn)證了其用于苦味物質(zhì)識(shí)別與檢測(cè)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(shí)別
　　為了減少動(dòng)作噪聲等對(duì)檢測(cè)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(shí)，研究了在體生物電子舌的鋒電位信號(hào)攜帶的味覺(jué)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(chǎng)電位都可以對(duì)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(shí)長(zhǎng)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(chǎng)電位信號(hào)的特征融合顯著提高了苦味響應(yīng)識(shí)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(shí)，本研究分別建立了基于鋒電位發(fā)放頻率和局部場(chǎng)電位PSD的苦味定量檢測(cè)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(zhǎng)，穩(wěn)定的信號(hào)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(shí)別和檢測(cè)，并針對(duì)實(shí)際樣品的檢測(cè)與人類味覺(jué)感官進(jìn)行了對(duì)比
　　基于清醒大鼠的在體生物電子舌利用局部場(chǎng)電位的味覺(jué)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(jué)物質(zhì)分類;更進(jìn)一步，本研究利用哺乳動(dòng)物味覺(jué)編碼的動(dòng)態(tài)性，構(gòu)建了區(qū)分天然糖和人工糖的分類模型。同時(shí)，建立了基于局部場(chǎng)電位PSD的甜味物質(zhì)定量檢測(cè)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(duì)實(shí)際樣品，對(duì)比了在體生物電子舌的響應(yīng)強(qiáng)度與人類味覺(jué)感官測(cè)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(shí)別，并探索了其用于藥物苦味檢測(cè)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(hào)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(duì)苦味物質(zhì)苯硫脲和丙基硫氧嘧啶的定量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以模擬人類的苦味