美將熒光分子與DNA結(jié)合研制出新型“人工鼻"

 “人工鼻"或“電子鼻"的工作原理與嗅覺形成相似，它由氣敏傳感器、信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)三個部分組成?！叭斯け?獲得的信息代表了樣品中全部揮發(fā)物的總體分布，而不是某種或某幾種揮發(fā)物具體的含量。有資料顯示，“人工鼻"可廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的各個部門，如煙草業(yè)、化妝品、食品工業(yè)、石油化工、糧食貯存與加工、酒類和飲料、環(huán)保監(jiān)測、臨床診斷。此外，“電子鼻"還用于商檢、微生物鑒別、藥物分類與辨別、宇航等部門，以及檢查與其他違禁物品等。

　　新人工鼻可同時檢測出多種分子

　　日前，美國斯坦福大學化學家表示，他們開發(fā)的利用熒光化合物和DNA（脫氧核糖核酸）制作“人工鼻"的新途徑，有望加速嗅覺傳感器進入大規(guī)模生產(chǎn)和大范圍應(yīng)用的時代。他們相信，如果新的方法能夠達到所預(yù)期的效果，那么新的“人工鼻"有朝一日可以用來探測從早期變質(zhì)牛奶到等各種物質(zhì)。
　　通過將熒光化合物附著到DNA分子的短鏈上，研究人員成功地研發(fā)出微小的傳感器分子。這些分子在檢測到某些物質(zhì)時，其顏色會發(fā)生變化，人們利用熒光顯微鏡可以觀察到分子顏色的改變。斯坦福大學化學教授埃里克·庫爾表示，顏色的變化使得新的傳感器傳遞出的信息遠遠多于多數(shù)光學傳感器傳遞的信息，因為光學傳感器通常只是檢測某種特殊的分子。    
　　庫爾說：“我們被強烈的顏色變化所吸引。令人感到驚訝的發(fā)現(xiàn)之一是用一個分子傳感器，我們能知道4種不同有機物揮發(fā)物之間的區(qū)別。因為傳感器對不同的揮發(fā)物顯示出了不同顏色。"    
　　這種多用性分子傳感器成功的關(guān)鍵在于DNA的結(jié)構(gòu)。DNA是含有生命遺傳密碼的雙螺旋體，也常常被稱為扭曲的架梯。兩條由糖和磷酸鹽分子組成的長長的平行鏈構(gòu)成了架梯的扶手，堿基分子對組成了梯級。堿基共有4種，它們有規(guī)律的組合含藏了遺傳的數(shù)據(jù)。

　　熒光分子在DNA中能相互“交流"

　　為獲得分子傳感器，研究人員研制出多種新的熒光化合物，并用熒光化合物取代DNA螺旋形雙鏈中的堿基對。熒光化合物共有7種，他們從中任意選擇4種附著在DNA主干上構(gòu)成傳感器。應(yīng)說明的是，他們只利用了DNA的單螺旋體，這樣可以探測有機物的揮發(fā)物。    
　　據(jù)悉，斯坦福大學化學博士后研究員弗洛仁特·薩梅因借助DNA合成技術(shù)，按照7選4的任意組合，獲得了2401種熒光化合物與DNA主干合成的組合庫。隨后，研究小組對組合庫進行了篩選工作，看看哪些組合有可能用于4種不同物質(zhì)（氣態(tài)）的檢測。    
　　用于檢測試驗的4種物質(zhì)分別是一種廣泛使用的殺水草劑、一種研究和工業(yè)用溶劑、一種用于防止食品發(fā)霉和生菌的抑制劑，以及一種廣泛用于皮鞋拋光和殺蟲劑等多種產(chǎn)品的添加劑。這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)極不相同。    
　　在篩選過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，熒光分子傳感器在有4種測試物質(zhì)存在的環(huán)境中顯示出了熒光反應(yīng)。庫爾表示，這是他們嘗試將分子傳感器用于揮發(fā)物的探測，結(jié)果表明它們的工作狀況良好。    
　　熒光分子傳感器探測表現(xiàn)突出的原因在于DNA螺旋體上堿基對相互接觸，它們之間以電脈沖的形式“交流"。當堿基對被熒光化合物取代后，這些物質(zhì)依然相互接觸，能夠相互“交流"，如此狀況為傳感器正常工作提供了關(guān)鍵條件。
　　研究人員還發(fā)現(xiàn)，分子傳感器另一個十分重要的工作條件是熒光化合物在DNA主干上的排列順序。自然界中，動物的種類不同，其DNA的排序也就不同。對于熒光化合物而言，它們在DNA上的排序不同則發(fā)出的光的顏色也不相同。庫爾介紹說，他們觀察到了幾起實例：即使是使用相同的4種熒光化合物組合，如果它們的排列順序不同，對檢測物質(zhì)的反應(yīng)也就不相同。很明顯，這些熒光化合物之間能相互“交流"，不同的排列順序具有不同的表現(xiàn)。

　　zui終目標將檢測出各種物質(zhì)

　　庫爾表示，他們長遠目標之一是開發(fā)出成套的傳感器，用于分析更加復(fù)雜的、范圍更廣泛的物質(zhì)。由于傳感器的反應(yīng)如此多樣——即使是一個分子也能探測4種不同的物質(zhì)，因此有可能利用10個或20個或100個傳感器組成的傳感器組，探測眾多不同揮發(fā)物分子。    
　　組合成具有大量熒光分子傳感器的設(shè)備能夠?qū)⑻綔y儀的應(yīng)用從純粹的有機分子探測擴展至實驗室外分子化合物探測。在研究人員看來，熒光分子與DNA合成傳感器組構(gòu)成的探測器在外界使用zui為有效。他們希望自己開發(fā)的傳感器zui終能與其他部件（包括廉價的熒光顯微鏡）共同組成便攜式“人工鼻"探測設(shè)備。不過，研究人員目前還需要確定熒光分子傳感器的探測極限——物質(zhì)被探測到的zui小量。    
　　另一個長遠目標是將這些傳感器“打印"到塑料上，如果“打印"出的點能夠清晰可見，那么人們可以觀察到顏色變化。具體說來就是，人們可以在近紫外光下發(fā)現(xiàn)它們對所接觸的物質(zhì)的反應(yīng)（顏色變化），并通過與標準反應(yīng)對比了解被檢測環(huán)境中存在的物質(zhì)。  
　　此外，庫爾他們還希望通過更多的研究，能夠?qū)晒夥肿雍虳NA合成的傳感器用于探測液體中物質(zhì)。庫爾認為，對自己而言，zui有趣的可能是讓傳感器能夠“嗅出"生物學上的不同，也就是顯示出那些與疾病相關(guān)的不同細胞之間的差異，或者環(huán)境中不同有害物的差異，而這些將可能是他們近期研究的重點。