组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
辛醛（octanal）；样品基质：含钙标准缓冲液（Ca2+ standard solution，DMSO稀释）
检测原理
辛醛等气味分子与HEK-293细胞膜上稳定表达的I7嗅觉受体结合后，受体通过G蛋白偶联激活腺苷酸环化酶，使细胞内cAMP水平升高。cAMP打开瞬时表达的味觉CNGgust通道及内源离子通道，导致Ca2+和Na+内流；随后Ca2+激活Cl-通道，Cl-外流使细胞膜去极化。微加工平面电极通过细胞接触记录电极与细胞非接触参考电极之间的电位差，记录由离子跨膜流动产生的细胞外场电位。引入CNGgust通道后，Ca2+内流显著增加，场电位峰值由约4 mV提高到约10 mV，且随辛醛浓度升高而增大。无钙缓冲液或MgCl2阻断CNG通道时响应消失，说明信号主要来源于气味受体激活后的离子内流。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
该传感器具有受体和通道依赖性：野生型HEK-293细胞、DMSO对照、无钙缓冲液及MgCl2阻断CNG通道时均无明显场电位响应，排除溶剂和自发通道干扰。共表达I7与CNGgust后，10 mM辛醛诱导场电位峰值约10 mV，仅表达I7时约4 mV，提高约2.5倍；Fura PE3-AM测得胞内Ca2+荧光比值峰值由0.08±0.03升至0.23±0.03。作者认为其对辛醛灵敏度低于电嗅觉图、LAPS、SPR和QCM等方法，受离子流入速度、细胞-基底接触几何及受体-通道偶联效率限制。该传感器非侵入、可微加工阵列化，能将气味浓度转为电信号，适用于孤儿嗅觉受体配体筛选。
传感器的构成
- 基底/换能器：Pyrex #7740玻璃基底，承载微加工平面电极。
- 电极金属层：Ti(30 nm)/Au(300 nm)/Ti(10 nm)，形成2×2平面记录电极，单电极暴露面积1 mm²。
- 绝缘层：SiO2/Si3N4/SiO2三层绝缘，限定电极窗口并隔离非接触区。
- 细胞附着层：poly-d-lysine涂覆，促进HEK-293细胞贴附。
- 识别元件：稳定表达rho-tag标记大鼠嗅觉受体I7的HEK-293细胞，识别辛醛等气味分子。
- 信号放大元件：瞬时转染表达味觉CNGgust通道，放大cAMP诱导的Ca2+内流和膜电位变化。
- 培养腔：PDMS固定teflon环形成细胞培养/刺激腔，容纳Ca2+标准缓冲液。
- 读出电极：细胞接触记录电极与细胞非接触参考电极构成场电位测量回路。
中文摘要
嗅觉感知的初始事件是气味分子与鼻内特异性受体蛋白结合，进而启动嗅觉信号转导，引起阳离子内流并改变嗅觉感觉神经元的膜电位。本研究利用微加工平面电极测量异源嗅觉系统中产生的膜电位。作者将大鼠嗅觉受体I7基因与rho-tag膜靶向序列融合，稳定表达于人胚胎肾HEK-293细胞，并瞬时转染味觉环核苷酸门控CNGgust通道基因，以放大气味刺激引起的膜电位变化。细胞培养在聚-L-赖氨酸修饰的平面金电极上，用辛醛刺激后，通过记录电极与非接触参考电极之间的细胞外场电位进行定量检测。特异性气味分子与I7受体结合后激活cAMP信号通路，导致Ca2+内流；CNGgust通道显著增强离子内流，使细胞外场电位达到约10 mV。该基于细胞的嗅觉生物传感器可将气味浓度信息转换为电信号，有望用于筛选孤儿嗅觉受体的特异性配体。
英文摘要
The initial event in olfactory perception is the binding of odorant molecules to specific receptor proteins in the human nose. The interaction between odorant and receptor initiates olfactory signal transduction that leads to a cation influx and change in the membrane potential of the olfactory sensory neuron. In this study, a microfabricated planar electrode was used to measure the generated membrane potential in a heterologous olfactory system. Human embryonic kidney (HEK)-293 cells expressing the olfactory receptor I7 were transfected with the gustatory cyclic nucleotide gated (CNG) channel to amplify the membrane potential. A microfabricated planar electrode was used to measure the electrical responses of odorant-receptor binding. Stimulation of the olfactory receptor with its specific odorant caused an intracellular Ca(2+) influx, which was quantitatively measured using a planar electrode. The extracellular field potential generated by the Ca(2+) influx through the CNGgust channel of the cells was approximately 10 mV. This cell-based olfactory biosensor, which uses a microfabricated planar electrode for detection, would be useful for screening specific ligands for binding to orphan olfactory receptors.