Исследователи создали электронный нос, объединив биологию и полупроводниковую технологию. В основе сенсора — обонятельный рецептор прыгающей щетинохвостки, интегрированный в графеновый чип, что позволяет различать молекулы, недоступные обычным датчикам.
Революция в химическом анализе становится ближе: исследователи научились встраивать природные обонятельные системы в электронные устройства. Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан‑Диего создали электронный нос, интегрировав обонятельный рецептор насекомого — прыгающей щетинохвостки — в графеновые полупроводниковые чипы. Устройство улавливает и различает широкий спектр малых органических соединений — задачи, с которыми традиционные электронные датчики не справляются.
В основе технологии — рецептор MhOR5 из насекомого Machilis hrabei. Его удалось не только выделить, но и масштабировать: учёные синтезировали генетическую последовательность рецептора, трансфицировали её в клетки млекопитающих, а затем очистили белок из клеточных мембран. Важное достижение — стабильность тетрамерной формы MhOR5: она сохраняется даже после трёх месяцев хранения при −80 °C и выдерживает многократные циклы замораживания и оттаивания.
Достижения в области инженерии, биологии, биопроизводства и полупроводниковых технологий теперь позволяют воспроизвести удивительные сенсорные способности других организмов и напрямую связать их с масштабируемыми полупроводниковыми чипами. Мы больше не просто изучаем биологию, мы начинаем интегрировать биологические функции с полупроводниковыми технологиями таким образом, чтобы их можно было производить в промышленных масштабах. — Киана Аран, профессор биоинженерии на кафедре биоинженерии имени Шу Цзянь‑Гин Лэй в Калифорнийском университете в Сан‑Диего.
Для соединения белка с электроникой исследователи использовали графеновые полевые транзисторы (gFET) — устройства, где проводником служит графен, а не кремний. Это даёт высокую чувствительность к молекулярным изменениям. Очищенный MhOR5 химически прикрепили к поверхности графена с помощью карбодиимидного сшивающего агента и молекулы PBASE, которая связывает белки с углеродными наноматериалами.
Эффективность сенсора проверили на 16 соединениях с разным химическим составом — в том числе на диэтилтолуамиде, гексаноле и эвгеноле. Устройство реагировало на каждое вещество, причём сила реакции зависела от концентрации. Это первая прямая интеграция MhOR5 в полевой транзистор на графене для селективного обнаружения малых органических молекул без использования меток.
Разработка открывает перспективы для разных областей: здравоохранения, контроля качества продуктов, мониторинга окружающей среды, сельского хозяйства и биозащиты. Благодаря сочетанию природной чувствительности и современной электроники, такие сенсоры могут стать универсальным инструментом для точного химического анализа, а возможность промышленного производства делает технологию особенно ценной.
Иллюстрация упакованного чипа над схемой архитектуры сенсора на основе полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (Источник: Калифорнийский университет в Сан-Диего)
Источник: https://science.mail.ru/…
