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微警用
美将荧光分子与DNA结合研制出新型“人工鼻”
2010-08-30 15:10:35 来源 : 科技日报“人工鼻”或“电子鼻”的工作原理与嗅觉形成相似，它由气敏传感器、信号处理系统和模式识别系统三个部分组成。“人工鼻”获得的信息代表了样品中全部挥发物的总体分布，而不是某种或某几种挥发物具体的含量。有资料显示，“人工鼻”可广泛用于工业生产的各个部门，如烟草业、化妆品、食品工业、石油化工、粮食贮存与加工、酒类和饮料、环保监测、临床诊断。此外，“电子鼻”还用于商检、微生物鉴别、药物分类与辨别、宇航等部门，以及检查爆炸物品、枪支弹药、毒品与其他违禁物品等。
新人工鼻可同时检测出多种分子
日前，美国斯坦福大学化学家表示，他们开发的利用荧光化合物和DNA（脱氧核糖核酸）制作“人工鼻”的新途径，有望加速嗅觉传感器进入大规模生产和大范围应用的时代。他们相信，如果新的方法能够达到所预期的效果，那么新的“人工鼻”有朝一日可以用来探测从早期变质牛奶到高爆炸药等各种物质。
通过将荧光化合物附着到DNA分子的短链上，研究人员成功地研发出微小的传感器分子。这些分子在检测到某些物质时，其颜色会发生变化，人们利用荧光显微镜可以观察到分子颜色的改变。斯坦福大学化学教授埃里克·库尔表示，颜色的变化使得新的传感器传递出的信息远远多于多数光学传感器传递的信息，因为光学传感器通常只是检测某种特殊的分子。
库尔说：“我们被强烈的颜色变化所吸引。令人感到惊讶的发现之一是用一个分子传感器，我们能知道4种不同有机物挥发物之间的区别。因为传感器对不同的挥发物显示出了不同颜色。”
这种多用性分子传感器成功的关键在于DNA的结构。DNA是含有生命遗传密码的双螺旋体，也常常被称为扭曲的架梯。两条由糖和磷酸盐分子组成的长长的平行链构成了架梯的扶手，碱基分子对组成了梯级。碱基共有4种，它们有规律的组合含藏了遗传的数据。
荧光分子在DNA中能相互“交流”
为获得分子传感器，研究人员研制出多种新的荧光化合物，并用荧光化合物取代DNA螺旋形双链中的碱基对。荧光化合物共有7种，他们从中任意选择4种附着在DNA主干上构成传感器。应说明的是，他们只利用了DNA的单螺旋体，这样可以探测有机物的挥发物。
据悉，斯坦福大学化学博士后研究员弗洛仁特·萨梅因借助DNA合成技术，按照7选4的任意组合，获得了2401种荧光化合物与DNA主干合成的组合库。随后，研究小组对组合库进行了筛选工作，看看哪些组合有可能用于4种不同物质（气态）的检测。
用于检测试验的4种物质分别是一种广泛使用的杀水草剂、一种研究和工业用溶剂、一种用于防止食品发霉和生菌的抑制剂，以及一种广泛用于皮鞋抛光和杀虫剂等多种产品的添加剂。这些物质的结构和电子性质极不相同。
在筛选过程中，研究人员发现，荧光分子传感器在有4种测试物质存在的环境中显示出了荧光反应。库尔表示，这是他们首次尝试将分子传感器用于挥发物的探测，结果表明它们的工作状况良好。
荧光分子传感器探测表现突出的原因在于DNA螺旋体上碱基对相互接触，它们之间以电脉冲的形式“交流”。当碱基对被荧光化合物取代后，这些物质依然相互接触，能够相互“交流”，如此状况为传感器正常工作提供了关键条件。
研究人员还发现，分子传感器另一个十分重要的工作条件是荧光化合物在DNA主干上的排列顺序。自然界中，动物的种类不同，其DNA的排序也就不同。对于荧光化合物而言，它们在DNA上的排序不同则发出的光的颜色也不相同。库尔介绍说，他们观察到了几起实例：即使是使用相同的4种荧光化合物组合，如果它们的排列顺序不同，对检测物质的反应也就不相同。很明显，这些荧光化合物之间能相互“交流”，不同的排列顺序具有不同的表现。
最终目标将检测出各种物质
库尔表示，他们长远目标之一是开发出成套的传感器，用于分析更加复杂的、范围更广泛的物质。由于传感器的反应如此多样——即使是一个分子也能探测4种不同的物质，因此有可能利用10个或20个或100个传感器组成的传感器组，探测众多不同挥发物分子。
组合成具有大量荧光分子传感器的设备能够将探测仪的应用从纯粹的有机分子探测扩展至实验室外分子化合物探测。在研究人员看来，荧光分子与DNA合成传感器组构成的探测器在外界使用最为有效。他们希望自己开发的传感器最终能与其他部件（包括廉价的荧光显微镜）共同组成便携式“人工鼻”探测设备。不过，研究人员目前还需要确定荧光分子传感器的探测极限——物质被探测到的最小量。
另一个长远目标是将这些传感器“打印”到塑料上，如果“打印”出的点能够清晰可见，那么人们可以观察到颜色变化。具体说来就是，人们可以在近紫外光下发现它们对所接触的物质的反应（颜色变化），并通过与标准反应对比了解被检测环境中存在的物质。
此外，库尔他们还希望通过更多的研究，能够将荧光分子和DNA合成的传感器用于探测液体中物质。库尔认为，对自己而言，最有趣的可能是让传感器能够“嗅出”生物学上的不同，也就是显示出那些与疾病相关的不同细胞之间的差异，或者环境中不同有害物的差异，而这些将可能是他们近期研究的重点。
库尔表示：“我们要检测出每种物质，这是我们的最终目标。”
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