在层叠有自组装肽的石墨烯表面上感应气味分子

东京工业大学的研究人员最近展示了基于石墨烯的嗅觉传感器，可以根据肽序列的设计检测气味分子。研究结果表明，用可设计的肽功能化的石墨烯场效应晶体管(GFET)可用于开发模拟嗅觉受体的电子设备，并通过选择性检测气味分子来模拟嗅觉。

嗅觉传感或气味传感是许多行业不可或缺的一部分，包括医疗保健、食品、化妆品和环境监测。目前，最常用的检测和估计气味分子的技术是气相色谱-质谱法(GC-MS)。尽管GC-MS非常有效，但它也有一些局限性，例如庞大的装置和有限的灵敏度。因此，科学家们一直在寻找更敏感、更易于使用的替代品。

近年来，石墨烯场效应晶体管(GFET)通过与嗅觉感受器(也称为电子鼻)集成，已开始用于开发高灵敏度和选择性气味传感器。石墨烯表面的原子平坦表面和高电子迁移率使GFET成为吸附异味分子的理想选择。然而，GFET作为具有受体的电生物传感器的应用受到多种因素的严重限制，例如受体的脆弱性和缺乏可作为嗅觉受体的替代合成分子。

由YuheiHayamizu教授领导的东京工业大学(TokyoTech)的一组研究人员着手解决这些基于GFET的嗅觉受体的问题。在他们最近发表在BiosensorsandBioelectronics上的研究中，该团队设计并开发了三种用于石墨烯生物传感器的新型肽，可以检测气味分子。

Hayamizu教授解释说：“我们设计的肽序列需要执行两个主要功能——作为生物分子支架在石墨烯表面自组装，并作为生物探针结合气味分子。这将使肽能够以自组装的方式覆盖石墨烯表面并均匀地功能化表面以捕获气味分子。”

该团队进行的原子力显微镜显示，肽以单个分子的厚度均匀地覆盖在石墨烯表面。然后将功能化的石墨烯用于构建用于检测气味分子的GFET装置。组装后，该团队将柠檬烯、薄荷醇和水杨酸甲酯作为代表性气味分子注入到GFET中。电化学测量表明，与气味分子结合会降低石墨烯的电导率。观察结果还表明，三种肽序列与气味分子之间的相互作用产生了非常不同的特征。这证实了GFET对气味分子的反应取决于肽设计。

此外，该团队还进行了实时电气测量以监测GFET的动力学响应。观察表明，与气味分子的吸附和解吸相关的时间限制对于每个肽序列都是独特的。主成分分析进一步证实了这种行为。这些观察结果证实，新的GFET装置在设计的肽的帮助下成功地以电子方式检测气味分子。

“我们的方法很简单，可以扩大规模，用于大规模生产基于肽的嗅觉受体，这些嗅觉受体可以模仿和微型化负责我们嗅觉的天然蛋白质受体。我们离实现电子鼻的概念又近了一步，”说早水教授。

本研究中提出的稳健方法为开发高选择性和灵敏的基于GFET的气味传感系统打开了新的大门。在设计可以对一系列气味分子进行多维分析的高级肽传感器时，也可以使用这些见解。