王 平 莊柳靜 秦 臻 張 斌 高克強

浙江大學 生物傳感器國家專業(yè)實驗室 生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室生物醫(yī)學工程與儀器科學學院 杭州 310027

仿生嗅覺和味覺傳感技術的研究進展*

王 平 莊柳靜 秦 臻 張 斌 高克強

浙江大學 生物傳感器國家專業(yè)實驗室 生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室生物醫(yī)學工程與儀器科學學院 杭州 310027

生物嗅覺和味覺系統(tǒng)具有敏銳的氣味和味質感知能力，被認為是自然界最高效的感測系統(tǒng)之一。隨著人類社會的發(fā)展，氣味和味質傳感與檢測技術對于提高人類的生存質量，保障人類健康具有越來越重要的意義，已被廣泛應用于食品安全、環(huán)境監(jiān)測和疾病診斷等領域。文章介紹了仿生嗅覺和味覺傳感技術的發(fā)展，包括電子鼻和電子舌化學傳感技術，基于生物敏感材料的仿生嗅覺和味覺傳感技術的原理、組成、技術實現及其應用；此外，還介紹了基于腦機交互的新型在體生物電子鼻和電子舌的研究進展；并對國際上仿生嗅覺和味覺傳感技術領域的發(fā)展趨勢進行了展望。

嗅覺和味覺傳感技術，仿生傳感技術，生物傳感，腦機交互，智能傳感技術

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.12.005

嗅覺和味覺作為生物感受外界環(huán)境中化學物質的基礎，共同構成了生物的化學感覺系統(tǒng)，為生存、覓食、繁殖等活動提供了重要的保障，具有重要的生理意義[1,2]。經過長期的進化，生物的化學感受系統(tǒng)能夠快速、靈敏、特異地檢測識別復雜的氣體和液體環(huán)境中大量不同的物質，是迄今為止性能最佳的化學檢測系統(tǒng)之一。自然界的生物體嗅覺和味覺系統(tǒng)中的功能部件主要包括受體、細胞和組織 3 個層次，具有將氣味分子與味覺物質本身攜帶的化學信號轉化為生物信號的能力，可以視為天然的化學感受器或傳感器[3,4]。在天然的化學感受器的啟發(fā)下以及科學研究和實際應用的需求牽引下，研究者們不斷提出各種采用化學和生物材料的仿生嗅覺和味覺傳感系統(tǒng)。

仿生嗅覺和味覺傳感器主要由生物功能部件和微納傳感器兩部分組成。其中，生物功能部件作為敏感元件，與目標分子或離子結合并產生特異性的響應；微納傳感器作為換能器，將響應信號轉化為更易于處理和分析的光、電等物理信號[5]。近年來，隨著嗅覺和味覺生物機理研究愈發(fā)深入，嗅覺和味覺仿生傳感器也取得了突破性的進展，并且開始在基礎研究和實際應用中嶄露頭角。與傳統(tǒng)氣相和液相檢測儀器相比，嗅覺和味覺仿生傳感器繼承了生物化學感受系統(tǒng)具有的優(yōu)點，在靈敏度、響應時間、特異性等指標上都略勝一籌，在食品安全、環(huán)境監(jiān)測以及疾病檢測等多個領域展現了廣闊的應用前景[6,7]。

近年來，隨著腦機接口技術的發(fā)展，筆者團隊提出了基于腦機接口的新型在體嗅覺和味覺傳感技術，以直接利用生物完整的化學感覺系統(tǒng)[8,9]。通過解碼大腦中負責化學信息處理的神經元活動模式，構建神經元活動模式與化學刺激間的映射模型，實現氣味分子和味覺物質的檢測與識別。

1 仿生嗅覺和味覺傳感技術發(fā)展現狀

1.1 生物體嗅覺和味覺以及基于嗅覺和味覺組織的仿生傳感技術

生物體嗅覺和人工嗅覺的差別如圖 1 所示：氣味分子通過生物體鼻腔內的黏液和纖毛作用于嗅上皮感受細胞。嗅上皮含有數以百萬計的感受細胞，嗅覺受體位于這些感受細胞的膜上，將化學信號轉化為神經電信號。這些神經電信號再由嗅覺皮層神經網絡進行解碼和識別。在設計模擬生物嗅覺的人工嗅覺——電子鼻時，將傳感器作為嗅覺受體陣列，信號處理系統(tǒng)（如計算機等）則作為嗅覺皮層神經網絡。

味覺與嗅覺類似，都是通過上皮組織中的化學感受細胞實現目標分子的捕獲，以及從化學信號到電信號的轉化。不同之處在于，嗅覺感受細胞是神經元，在與氣味分子結合后可產生動作電位；而味覺感受細胞包裹于味蕾之中，沒有產生動作電位的能力，其頂部微纖毛與味覺物質結合后引起神經遞質的釋放，通過突觸引起傳入神經的興奮[10]。盡管味覺和嗅覺系統(tǒng)將化學信號轉化為電信號的過程略有不同，但是最終的電信號中同樣攜帶有化學信息，結合傳感器芯片可以高時空分辨地檢測并記錄到電信號。

圖1 生物體嗅覺和人工嗅覺的對比[2]

筆者團隊在國際上率先提出了以味覺上皮組織細胞為敏感元件、以微電極陣列（microelectrode array，MEA）作為換能器的味覺仿生傳感技術[11]，用于苦味、咸味和鮮味等味覺物質的檢測，發(fā)展了新型的仿生味覺細胞傳感技術[12]，系統(tǒng)示意圖如圖 2 所示。

圖2 利用嗅上皮與微電極陣列芯片檢測基本味覺物質(a)體外生物傳感用味覺上皮與MEA芯片的方法；(b)與MEA芯片相結合的味覺上皮圖像；(c)在5種基本味覺物質刺激下記錄的電生理信號

1.2 基于嗅覺和味覺細胞的仿生傳感技術

基于細胞的生物傳感器將活細胞作為敏感元件，可以用來檢測生物活性物質的功能信息。因此，在嗅覺和味覺仿生傳感器的開發(fā)中，也有不少研究使用原代嗅感覺神經元（olfactory sensory neurons，OSNs）和味覺感受細胞作為敏感材料。我們將體外原代培養(yǎng)的嗅感覺神經元與光尋址電位型傳感器（light addressable potentiometric sensor，LAPS）結合，嗅感覺神經元細胞膜表面的特異性受體與氣味分子結合后，引起胞內外離子濃度的變化（如圖 3a 所示），并最終影響 LAPS 傳感器偏置電流的大小，利用該現象可以檢測不同的氣味分子[13]。同時，該系統(tǒng)還可以用于細胞狀態(tài)的監(jiān)測。此外，使用LAPS 測試了嗅感覺神經元對抑制劑 MDL12330A 以及興奮劑 LY294002 的響應，與生物學方法結果一致（圖 3b）[14]。另外，我們將原代味覺細胞與 LAPS 耦合，提出了一種無損研究味蕾內細胞間信號傳導機制的方法[15]。

圖3 LAPS測量系統(tǒng)檢測氣味分子(a)嗅感覺神經元與纖毛中的離子通道； (b)基于嗅感覺神經元的LAPS測量系統(tǒng)圖

在采用原代的嗅覺、味覺感受細胞作為仿生敏感元件基礎上，我們提出了基于異源表達細胞的味覺仿生傳感器，該系統(tǒng)將人類的嗅覺或味覺受體轉染至成熟的細胞系中。由于人類受體的引入，該系統(tǒng)可以更好地模擬人類的化學感覺。例如，我們將人類 T2R14 苦味受體及 Gα16 蛋白轉染至人類胚胎腎細胞（human embryonic kidney-293，HEK-293）中，將轉染了特異性受體的 HEK-293 置于細胞阻抗傳感器（electric cell-substrate impedance sensor，ECIS）表面培養(yǎng)，該系統(tǒng)可以特異性地檢測水楊苷等 T2R14 的配體[16]。研究表明，味覺受體廣泛表達于很多非味覺組織和細胞中，如胃腸道細胞、器官上皮細胞、小鼠精細胞等。因此，我們還提出了基于小鼠精細胞和 ECIS 傳感器的苦味物質檢測系統(tǒng)，可以定量檢測多種苦味物質[17]。

1.3 基于嗅覺和味覺受體蛋白的仿生傳感技術

生物識別氣味分子和味覺物質的基礎是位于嗅覺和味覺感受細胞纖毛上的受體，因此，研究者們提出了基于味覺和嗅覺受體的仿生傳感器，其中受體的活性極大地影響著傳感器的性能。嗅覺受體是疏水的 G 蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptors，GPCR），其 7 段跨膜結構需要細胞膜的支持。因此，開發(fā)基于受體的嗅覺仿生傳感器在當前研究中仍是極大的挑戰(zhàn)。

為了解決該問題，我們研究了直接從原代嗅覺組織中提取嗅覺受體，并將其作為敏感元件固定在傳感器表面。我們從牛蛙的嗅上皮中分離出了嗅覺蛋白，并將其修飾在傳感器的表面，用來測定不同的揮發(fā)性有機物[18]。還有研究者提出利用異源表達系統(tǒng)，將帶有嗅覺受體的細胞膜作為敏感元件與換能器耦合，構建嗅覺仿生傳感器，其中最常用的異源表達系統(tǒng)包括 HEK-293 細胞、人類乳腺癌細胞 MCF-7 和真菌等[5]。我們研究了基于聲表面波（surface acoustic wave，SAW）傳感器和大腸桿菌嗅覺受體ORD-10的仿生嗅覺傳感器（圖4）[19]。

圖4 基于特異性嗅覺受體結合聲表面波（SAW）傳感器的嗅覺分子傳感器[19](a) 聲表面波傳感器實物圖；(b) 敏感區(qū)域表面自組裝單分子層結構示意圖； (c) 聲表面波傳感器原理圖

另外，昆蟲對氣味分子的識別需要嗅覺結合蛋白（odor binding receptor，OBP）的參與。嗅覺結合蛋白與疏水的氣味分子結合后，使氣味分子的親水性增強，并將氣味分子運載至受體上的特異性結合位點。嗅覺結合蛋白擁有與嗅覺受體相當的靈敏度和特異性，但其結構更為簡單。Lu 等[20]將蜜蜂的嗅覺結合蛋白固定在阻抗芯片表面，特異性地檢測信息素，該系統(tǒng)還可以用于研究嗅覺結合蛋白的其他功能。

與嗅覺受體類似，味覺受體中的苦味、甜味、鮮味受體也是 G 蛋白偶聯受體，研發(fā)基于此類受體的味覺仿生傳感器同樣具有難度。Song 等[21]將人類味覺受體 hT1R2+hT1R3 異質二聚體表達在 HEK-293 細胞的細胞膜上，將細胞震碎成為帶有味覺受體的納米囊泡，并固定在場效應管傳感器（field effect transistor，FET）表面，為甜味物質檢測提供了新的傳感技術。但是酸味和咸味受體為離子通道型受體，目前還沒有基于此類受體構造的仿生味覺傳感器。

采用石英晶體微平衡器（quartz crystal microbalance，QCM）傳感器制備的味覺仿生傳感器結構如圖 5a 所示[22]。我們將人類的苦味受體 hT2R4 表達在 HEK-293 細胞膜上，在受體 C 端標記 His6標簽，并使用試劑盒分解細胞提取出含有 hT2R4 受體的細胞膜碎片。同時，QCM 表面固定有巰基修飾的抗 His6標簽的適配體，可以特異性地捕獲帶有 His6標簽的 hT2R4 受體，將細胞膜碎片準確地固定在器件表面（圖 5b）。由于磷脂雙分子層的存在，受體的跨膜結構得以維持，該方法可能有助于解決味覺受體的固定效率和分布密度等問題。用不同苦味物質對該基于QCM的味覺仿生傳感器進行了測試，該傳感器在一定濃度范圍內能有效檢測出苦味物質地那銨，對特異性苦味物質也具有較高的特異性和靈敏度。

2 基于腦機交互的在體生物電子鼻和電子舌

離體細胞分子嗅覺味覺傳感器利用生物組織培養(yǎng)和機械微加工技術，將嗅覺味覺敏感的神經元、組織或蛋白培養(yǎng)于傳感器芯片表面，以實現化學物質的快速、靈敏、特異檢測。然而，體外培養(yǎng)不能保證生物材料長時存活，因此影響傳感器的使用壽命，無法實現長時、重復檢測；此外，體外培養(yǎng)也破壞了嗅覺味覺系統(tǒng)的完整性，改變了神經元正常的響應模式。因此，如何利用生物體的嗅覺和味覺來檢測氣體或味質，并提高其使用壽命成為科學家們新的探索和研究方向。

隨著在體神經信號記錄技術的發(fā)展，長時的在體記錄成為可能。Strauch 等[23]利用在體鈣成像技術，記錄了果蠅觸角嗅覺神經元對癌細胞和非癌細胞產生的揮發(fā)性物質的響應；并通過多元分析方法，顯示多個神經元陣列對正常細胞和不同乳腺癌細胞的響應存在差異。這項成果揭示了利用生物敏感材料，結合人工嗅覺和生物嗅覺技術在臨床診斷的可行性。類似地，Nowotny 等[24]利用微電極在體記錄果蠅嗅覺神經元，結合支持向量機分類算法，實現氣味響應模式的分類，結果顯示這種方法可以很好地區(qū)分 36 種不同的酒類氣體和 35 種工業(yè)氣體。將氣味和味質受體應用于人工嗅覺味覺系統(tǒng)，結合長時在體技術，實現氣味和味質檢測，相比于離體嗅覺味覺傳感器具有更強的可行性。筆者團隊在 2012 年率先提出利用大鼠嗅球在體檢測和識別肺癌氣體標志的方法[25]，進一步提出在體仿生味覺傳感技術的概念[10]。

圖5 基于QCM的味覺仿生傳感器[22]（a）石英晶體微平衡器結合適配體的傳感器；（b）味覺受體在QCM金表面的選擇性固定蛋白分子

2.1 在體生物電子鼻

利用植入式神經信號記錄技術，筆者團隊提出了新型在體生物電子鼻（圖 6）。哺乳動物的嗅上皮作為初級氣味感受器產生響應信號，信號在嗅球和嗅皮層中進行修飾處理；將植入式微電極陣列包埋于嗅球，同步記錄嗅球中多個僧帽/叢狀細胞信號；通過模式識別算法，對神經元信號進行解碼，從而提取出氣味相關信息，實現氣味檢測。研究結合最大似然估計和主成分分析方法，發(fā)現在體生物電子鼻不僅可以有效區(qū)分香芹酮、丁二酮、苯甲醚、乙酸異戊酯、辛醇、戊醛和丁酸等不同官能團的單分子氣味，識別準確率達 92.67%[26]；同時對香蕉、橙子、草莓、菠蘿等釋放的混合氣味也能有效區(qū)分[8]；此外，對香芹酮的最低檢測濃度達到 10–10mol/L 以下，使用壽命可達 3 個月。

圖6 在體生物電子鼻(a)在體生物電子鼻系統(tǒng)示意圖； (b)基于PCA算法的識別結果[8]

2.2 在體生物電子舌

在哺乳動物的味覺系統(tǒng)中，味質與舌頭表面的味蕾結合后，信號通過味覺神經纖維，經過腦干、杏仁核和丘腦傳導味覺皮層。與在體生物電子鼻類似，筆者團隊通過提取哺乳動物味覺皮層神經元，對甜味、咸味、酸味、苦味4種不同物質響應活動，結合味覺皮層的局部場電位（local field potential，LFP）和單個神經元動作電位（spike）信號特征，有效地對蔗糖、氯化鈉（鹽）、鹽酸、苯甲地那銨進行區(qū)分，并且對甜味、苦味物質的響應顯示出濃度依賴性，苯甲地那銨的最低檢測濃度達到7.6×10?8mol/L[9]（圖 7）。進一步，利用支持向量機識別方法，有效地區(qū)分出了苯甲地那銨、奎寧和水楊苷3種苦味物質，識別準確率達 94.05%[27]。

此外，筆者團隊還從使用壽命、重復性、特異性、靈敏度等方面對在體生物電子鼻和電子舌的檢測性能進行較深入的分析，證明了其在氣味和味質檢測方面的獨特優(yōu)勢和性能；目前正在擴大氣味和味質檢測樣本的數量，進一步改進人工神經網絡識別算法，為發(fā)展在體生物電子鼻和電子舌繼續(xù)進行探索和實踐。

3 仿生嗅覺與味覺傳感技術的應用

圖7 在體生物電子舌（a）在體生物電子舌系統(tǒng)示意圖； （b）味質誘發(fā)味覺皮層20—50 Hz能量增加；（c）甜味（蔗糖）、咸味（氯化鈉）、酸味（鹽酸）、苦味（苯甲地那銨）4種味覺物質的識別結果[9]

經過多年發(fā)展，仿生電子鼻和仿生電子舌已在食品、香水等工業(yè)領域，以及環(huán)境質量檢測、生物醫(yī)學領域廣泛應用[28]。而新一代離體分子細胞嗅覺和味覺傳感器雖然起步較晚，但其氣味和味質檢測性能在實驗室階段已通過重復驗證，目前正逐步進入應用測試階段，其主要應用領域包括以下 4 個方面。

3.1 食品質量檢測

在食品領域的應用包括對原料質量的檢驗、加工過程的監(jiān)管，以及食品新鮮度檢測等。食品在儲藏過程中，不可避免發(fā)生變質，對因變質產生的氣體、酶、微生物等進行檢測，是有效預測食品保質期的手段，如 Lim 等[29]用仿生電子鼻實時監(jiān)測海鮮質量。

3.2 緝毒、防爆

毒品及其包裝材料中一般具有特殊的氣味，因此可以從氣體和味道中進行鑒別，不需要人的品嘗即可實現現場的快速鑒別。由于一般毒品及其包裝材料所含的特征性氣味濃度較低，因此需要發(fā)展快速和高靈敏和高特異性的仿生味覺和味覺傳感器及儀器。

爆炸物一般含有負電荷氮和氧作為燃燒時的氧化劑，大部分高能爆炸物用硝酸鹽作為氧化劑，對氮和氧成分以及特征性氣體的分析可以有效實現爆炸物檢測[30]。

3.3 疾病診斷

1971 年，Pauling 等[31]首次提出人類呼出氣體中存在揮發(fā)性有機物（volatile organic compounds，VOCs）。健康人體的呼出氣體中含有約 200 種 VOCs，其成分非常復雜并且部分成分濃度極低（10?12mol/L）。Gordon 等[32]提出肺癌患者呼出氣體中含有丙酮、甲基乙基酮、正丙醇、苯乙烯等不同于健康人的特征性 VOCs 成分（生物標志物）；因此，可以通過對特征性 VOCs 成分的高靈敏和特異性的檢測，從而有望實現對肺癌的早期診斷。

3.4 環(huán)境檢測

近 10 年來，空氣質量問題受到越來越多的關注，空氣污染對環(huán)境和人類健康起到重要影響。每年，全世界因大氣顆粒物（partical matter，PM）引發(fā)心肺疾病致死的人數為 300 萬—700 萬。PM 主要由發(fā)電廠、工業(yè)企業(yè)、汽車、生物質化石燃料的燃燒產生。為解決此類健康問題，世界上多個國家已經開展了一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、臭氧、苯、甲苯、二甲苯等氣體的現場快速檢測技術研究，并已應用于各種場合（表 1）。

4 展望

隨著國際上傳感技術和 MEMS 技術的快速發(fā)展，嗅覺與味覺仿生傳感技術通過不同傳感原理的化學和生物傳感器，實現了對特定氣味和味質的檢測。盡管目前還不能替代復雜的化學分析設備，但由于在便攜性、操作簡單以及價格等方面的優(yōu)勢，仿生傳感器在日常生活得到廣泛應用。而隨著生命科學的發(fā)展，將生物敏感材料替換化學傳感器的新一代嗅覺味覺仿生傳感技術更好地利用生物體的優(yōu)越性，可以彌補電子鼻電子舌在響應速度、靈敏度、特異性上的不足。利用生物體嗅覺與味覺系統(tǒng)復雜精密的傳感檢測能力，結合工程技術生物信號解析和識別技術，使得生物信號轉化成可讀取的檢測信息，開發(fā)出新一代智能嗅覺和味覺傳感系統(tǒng)，并將進一步推動仿生嗅覺味覺傳感技術的發(fā)展。

表1 仿生嗅覺和味覺傳感器應用領域

1 Ache B W, Young J M. Olfaction: diverse species, conserved principles. Neuron, 2005, 48(3): 417-430.

2 Chandrashekar J, Hoon M A, Ryba N J P, et al. The receptors and cells for mammalian taste. Nature, 2006, 444(7117): 288-294.

3 Kay L M, Stopfer M. Information processing in the olfactory systems of insects and vertebrates. Seminars in cell &Developmental Biology, 2006, 17(4): 433-442.

4 D?Agostino A E, Di Lorenzo P M. Information processing in the Gustatory System. In: Springer Handbook of Bio-/Neuroinformatics. Berlin-Heidelberg: Springer, 2014: 783-796.

5 Liu Q, Wu C, Cai H, et al. Cell-based biosensors and their application in biomedicine. Chemical Reviews, 2014, 114(12):6423-6461.

6 Son M, Lee J Y, Ko H J, et al. Bioelectronic nose: An emerging tool for odor standardization. Trends in Biotechnology, 2017,35(4): 301.

7 Ha D, Sun Q, Su K, et al. Recent achievements in electronic tongue and bioelectronic tongue as taste sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 2015, 207: 1136-1146.

8 Zhuang L, Guo T, Cao D, et al. Detection and classification of natural odors with an in vivo bioelectronic nose. Biosensors and Bioelectronics, 2015, 67: 694-699.

9 Qin Z, Zhang B, Hu L, et al. A novel bioelectronic tongue in vivo for highly sensitive bitterness detection with brain-machine interface. Biosensors and Bioelectronics, 2016, 78: 374-380.

10 秦臻, 董琪, 胡靚. 仿生嗅覺與味覺傳感技術及其應用的研究進展. 中國生物醫(yī)學工程學報, 2014, 33(5): 609-619.

11 Liu Q, Ye W, Xiao L, et al. Extracellular potentials recording in intact olfactory epithelium by microelectrode array for a bioelectronic nose. Biosensors and Bioelectronics, 2010, 25(10):2212-2217.

12 Zhang F, Zhang Q, Zhang D, et al. Biosensor analysis of natural and artificial sweeteners in intact taste epithelium. Biosensors and Bioelectronics, 2014, 54: 385-392.

13 Liu Q, Cai H, Xu Y, et al. Olfactory cell-based biosensor: a first step towards a neurochip of bioelectronic nose. Biosensors and Bioelectronics, 2006, 22(2): 318-322.

14 Wu C, Chen P, Yu H, et al. A novel biomimetic olfactorybased biosensor for single olfactory sensory neuron monitoring.Biosensors and Bioelectronics, 2009, 24(5): 1498-1502.

15 Zhang W, Li Y, Liu Q, et al. A novel experimental research based on taste cell chips for taste transduction mechanism. Sensors and Actuators B: Chemical, 2008, 131(1): 24-28.

16 Hu L, Zou L, Qin Z, et al. A novel label-free bioengineered cellbased biosensor for salicin detection. Sensors and Actuators B:Chemical, 2017, 238: 1151-1158.

17 Hu L, Xu J, Qin Z, et al. Detection of bitterness in vitro by a novel male mouse germ cell-based biosensor. Sensors and Actuators B:Chemical, 2016, 223: 461-469.

18 Wu T Z. A piezoelectric biosensor as an olfactory receptor for odour detection: electronic nose. Biosensors and Bioelectronics,1999, 14(1): 9-18.

19 Wu C, Du L, Wang D, et al. A biomimetic olfactory-based biosensor with high efficiency immobilization of molecular detectors. Biosensors and Bioelectronics, 2012, 31(1): 44-48.

20 Lu Y, Li H, Zhuang S, et al. Olfactory biosensor using odorantbinding proteins from honeybee: Ligands of floral odors and pheromones detection by electrochemical impedance. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 193(3): 420-427.

21 Song H S, Jin H J, Ahn S R, et al. Bioelectronic tongue using heterodimeric human taste receptor for the discrimination of sweeteners with human-like performance. ACS Nano, 2014, 8(10):9781-9789.

22 Wu C, Du L, Zou L, et al. A biomimetic bitter receptor-based biosensor with high efficiency immobilization and purification using self-assembled aptamers. Analyst, 2013, 138(20): 5989-5994.

23 Strauch M, Lüdke A, Münch D, et al. More than apples and oranges-detecting cancer with a fruit fly’s antenna. Scientific reports, 2014, 4(3): 3576.

24 Nowotny T, De Bruyne M, Berna A Z, et al. Drosophila olfactory receptors as classifiers for volatiles from disparate real world applications. Bioinspiration & Biomimetics, 2014, 9(4): 046007.

25 莊柳靜, 周俊, 董琪, 等. 利用動物嗅覺診斷癌癥技術的研究進展. 科學通報, 2013, 58(15): 1369-1378.

26 Zhuang L, Hu N, Dong Q, et al. A high sensitive in vivo biosensing detection for odors by multiunit in rat olfactory bulb. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 186(9): 308-314.

27 Qin Z, Zhang B, Gao K, et al. A whole animal-based biosensor for fast detection of bitter compounds using extracellular potentials in rat gustatory cortex. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017,239: 746-753.

28 R?ck F, Barsan N, Weimar U. Electronic nose: current status and future trends. Chemical reviews, 2008, 108(2): 705-725.

29 Lim J H, Park J, Ahn J H, et al. A peptide receptor-based bioelectronic nose for the real-time determination of seafood quality. Biosensors and Bioelectronics, 2013, 39(1): 244-249.

30 Smith R G, D’Souza N, Nicklin S. A review of biosensors and biologically-inspired systems for explosives detection. Analyst,2008, 133(5): 571-584.

31 Pauling L, Robinson A B, Teranishi R, et al. Quantitative analysis of urine vapor and breath by gas-liquid partition chromatography.PNAS, 1971, 68(10): 2374-2376.

32 Gordon S M, Szidon J P, Krotoszynski B K, et al. Volatile organic compounds in exhaled air from patients with lung cancer. Clinical Chemistry, 1985, 31(8): 1278-1282.

33 Park J, Lim J H, Jin H J, et al. A bioelectronic sensor based on canine olfactory nanovesicle-carbon nanotube hybrid structures for the fast assessment of food quality. Analyst, 2012, 137(14): 3249-3254.

34 Sankaran S, Panigrahi S, Mallik S. Odorant binding protein based biomimetic sensors for detection of alcohols associated with Salmonella contamination in packaged beef. Biosensors and Bioelectronics, 2011, 26(7): 3103-3109.

35 Song H S, Kwon O S, Lee S H, et al. Human taste receptorfunctionalized field effect transistor as a human-like nanobioelectronic tongue. Nano Letters, 2012, 13(1): 172-178.

36 Schütz S, Sch?ning M J, Schroth P, et al. An insect-based BioFET as a bioelectronic nose. Sensors and Actuators B: Chemical, 2000,65(1): 291-295.

37 Ramoni R, Bellucci S, Grycznyski I, et al. The protein scaffold of the lipocalin odorant-binding protein is suitable for the design of new biosensors for the detection of explosive components. Journal of Physics: Condensed Matter, 2007, 19(39): 395012.

38 Wei Y, Brandazza A, Pelosi P. Binding of polycyclic aromatic hydrocarbons to mutants of odorant-binding protein: a first step towards biosensors for environmental monitoring. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Proteins and Proteomics, 2008, 1784(4):666-671.

39 Corcelli A, Lobasso S, Lopalco P, et al. Detection of explosives by olfactory sensory neurons. Journal of Hazardous Materials, 2010,175(1): 1096-1100.

40 Suska A, Ibá?ez A B, Lundstr?m I, et al. G protein-coupled receptor mediated trimethylamine sensing. Biosensors and Bioelectronics, 2009, 25(4): 715-720.

41 Schütz S, Weissbecker B, Hummel H E, et al. Insect antenna as a smoke detector. Nature, 1999, 398(6725): 298-299.

Research Progress of Bioinspired Smell and Taste Sensors

Wang Ping Zhuang Liujing Qin Zhen Zhang Bin Gao Keqiang
（Biosensor National Special Laboratory, Key Laboratory for Biomedical Engineering of Ministry of Education, Department of Biomedical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China）

The mammalian olfactory and gustatory system is recognized as the most effective chemosensing systems due to their extraordinary ability in odor and tastant detection. Detection of odors has been applied to many real applications, such as quality control of food products,safety and security, environmental monitoring, medical diagnosis and so on. Here, we focus on the principle, basic composition, employed technology and application of electronic nose/electronic tongue, molecule and cell based olfactory/gustatory biosensors. We also introduce the research progress of a novel system which we called ‘in vivo bioelectronic nose and tongue’. Finally, the further trend in this area is forecasted.Keywords smell and taste sensing, biosensors, bioinspired sensing, brain-computer interaction, intelligent sensing

王 平 浙江大學生物醫(yī)學工程系求是特聘教授，國家“杰青”，入選國家百千萬人才工程，全國優(yōu)秀科技工作者。國際嗅覺與化學傳感技術學會成員，國際化學傳感器會議亞太區(qū)國際執(zhí)委會委員，亞洲化學傳感器會議國際執(zhí)委會委員，全國高校傳感技術研究會副理事長，中國生物醫(yī)學工程學會生物醫(yī)學測量分會前主任，中國電子學會離子敏生物敏專業(yè)委員會副主任，中國生物醫(yī)學工程學會生物醫(yī)學傳感技術分會副主任。國際刊物 Microsystems &Nanoengineering，Scientific Journal of Microelectronics 等編委；Biosensors and Bioelectronics，Sensors & Actuators A，Sensors & Actuators B，IEEE Sensors Journal，Sensors Letters 及 Sensors and Materials 等刊物特約編委和審稿人；《傳感技術學報》副主編，《中國生物醫(yī)學工程學報》《浙江大學學報（工學版）》《儀表技術與傳感器》等刊物編委；浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院生物傳感器國家專業(yè)實驗室主任、生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室主任。發(fā)表學術論文 250 余篇，中英文著作 5 本。國際發(fā)明專利 1 項、國家發(fā)明專利 30 余項。E-mail: cnpwang@zju.edu.cn

Wang Ping Professor of Biomedical Engineering of Zhejiang University, Director of Biosensor National Special Laboratory, and Director of Key Lab for Biomedical Engineering of National Education Ministry of China, Zhejiang University. He is an international advisory/organising board member of Biosensors and Bioelectronics Symposium (BBS), member of The International Society for Olfaction and Chemical Sensing (ISOCS), member of Asia-Pacific Regional Steering Committee of International Meeting on Chemical Sensors (IMCS).member of International Steering Committee of Asian Conference on Chemical Sensors (ACCS). Besides, he is a visiting scholar at Edison Sensors Laboratory of Case Western Reserve University, USA, and Biosensor and Bioinstrumentation Laboratory in University of Arkansas,USA, in 2002 and 2005, respectively. He also serves as the editorial board member for Microsystems & Nanoengineering, Scientific Journal of Microelectronics, guest editor and peer reviewer for Biosensors and Bioelectronics, Sensors & Actuators A, Sensors & Actuators B, IEEE Sensors Journal, Sensors Letters, and Sensors and Materials, associate Editor-in-Chief for Chinese Journal of Sensors and Actuators, and so on. He has published about 250 academic papers, 5 monographs in Chinese or English, holds one international patent and more than 30 patents in China. E-mail: cnpwang@zju.edu.cn

*資助項目：國家自然科學基金重大國際合作項目（61 320106002），國家自然科學基金重點國際合作項目（31661143030）

修改稿收到日期：2017年12月12日