天然嗅觉赋能芯片，突破传统传感检测瓶颈

加州大学圣地亚哥分校的生物工程团队，将跳鳞虫（跳石蛃）的天然嗅觉受体蛋白成功整合至石墨烯半导体芯片中，研发出一款高性能仿生电子鼻传感器。该生物电子传感设备能够精准识别、区分多种小分子有机化合物，有效解决了传统电子传感器对结构相似、理化性质接近的化学分子分辨能力不足的行业难题。这项仿生半导体传感技术突破，为开发源于自然生物感知机制的新型化学检测系统开辟了全新路径，未来可广泛落地于医疗健康筛查、生态环境监测、食品品质检测、现代化农业生产以及生物安全防御等多个关键领域，具备极强的产业化与科研应用价值。

传统人工电子鼻与化学传感器多依赖人工合成材料与固定识别机制，普遍存在识别特异性差、易受环境干扰、小分子分辨精度低等缺陷，难以满足精细化检测需求。为突破这一技术瓶颈，研究团队立足生物仿生理念，选取自然界嗅觉感知能力极强的跳鳞虫作为生物模型，提取其特异性嗅觉受体并与高端半导体器件融合。相关研究成果已正式发表于《先进材料》期刊，论文详细阐述了哈氏石蛃MhOR5气味受体蛋白的规模化制备工艺，以及蛋白与石墨烯场效应晶体管的稳定化学结合方法，为生物功能器件的标准化量产提供了可行方案。

本次研究采用的石墨烯场效应晶体管（gFET）是新一代高性能半导体器件，摒弃了传统芯片的硅基导电材质，以单层石墨烯作为核心导电通道。石墨烯具备超高载流子迁移率与优异的表面电学特性，对界面分子吸附、电荷变化等微观反应高度敏感，能够捕捉极其微弱的分子信号变化，相较于传统硅基传感器，检测灵敏度与响应精度实现大幅提升，是制备高精度生物传感器的理想载体。

为全面验证传感器的检测性能与广谱适用性，研究团队选取避蚊胺、己醇、丁香油酚等16种化学结构、极性与分子量存在差异的有机化合物，设置多梯度浓度样本开展系统性测试。实验结果表明，该仿生传感器可对16种不同化合物产生稳定、专属且随浓度动态变化的电信号响应，信号区分度清晰、重复性良好，证明其不仅具备广谱检测能力，还可精准识别物质浓度差异，实现定性与定量双重检测。

本研究通讯作者、加州大学圣地亚哥分校舒建-雷金生物工程系教授基亚娜·阿兰指出，工程制造、合成生物学、生物加工与半导体微纳工艺的协同迭代，让人类得以复刻自然界生物的极致感知能力，并实现生物功能与商用半导体芯片的无缝对接、规模化集成。该研究彻底跳出了传统生物学单纯机理研究的范畴，真正实现生物感知功能与现代半导体技术的深度融合，打破了生物器件难以工业化量产的壁垒，为新型生物电子设备的产业化发展奠定了基础。

在核心器件制备与稳定性优化环节，研究团队构建了完整的标准化生产流程。研究人员首先提取跳鳞虫嗅觉受体MhOR5的目标基因序列，通过人工合成技术获得完整基因片段，再将其转染至哺乳动物细胞中进行蛋白表达。经过精细化提纯后，团队成功获取高纯度MhOR5功能蛋白，并验证其优异的存储与抗损耗性能。实验数据显示，该蛋白以稳定四聚体结构存在，在零下80摄氏度低温环境下储存三个月仍可保持生物活性，且能够耐受多次冻融循环，结构与功能不发生退变，具备良好的储运与实用稳定性。

在器件集成环节，研究团队采用精准的碳二亚胺交联化学技术，搭配PBASE特异性连接分子，将提纯后的MhOR5蛋白稳固共价结合在石墨烯场效应晶体管的表层结构上。PBASE分子可高效衔接蛋白质类生物大分子与石墨烯等碳基纳米材料，既能够保证蛋白结构不被破坏、保留完整嗅觉识别功能，又可实现生物层与半导体层的稳定结合，保障传感器长期工作的稳定性与可靠性。

该研究首次实现MhOR5昆虫嗅觉受体与石墨烯场效应晶体管的直接一体化集成，成功构建出可对小分子有机化合物进行高选择性、无标记式检测的新型生物电子传感平台。相较于传统检测技术，该设备无需对待测分子进行荧光、同位素等人工标记，检测流程更简便、检测成本更低、对样本无损伤，同时兼顾超高灵敏度与特异性。此次技术创新有效结合了生物嗅觉的精准识别优势与石墨烯半导体器件的高灵敏、可量产优势，为新一代高精密化学传感器、仿生电子鼻的研发与产业化提供了全新技术范式，推动仿生传感技术从实验室研究走向多领域实际应用。