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(jué)形成相似，它由氣敏傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)和模式識(shí)別系統(tǒng)三個(gè)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(gè)部門(mén)，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(cè)、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(mén)，以及檢查與其他違禁物品等。

　　新人工鼻可同時(shí)檢測(cè)出多種分子

　　日前，美國(guó)斯坦福大學(xué)化學(xué)家表示，他們開(kāi)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(jué)傳感器進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和大范圍應(yīng)用的時(shí)代。他們相信，如果新的方法能夠達(dá)到所預(yù)期的效果，那么新的“人工鼻"有朝一日可以用來(lái)探測(cè)從早期變質(zhì)牛奶到等各種物質(zhì)。
　　通過(guò)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(cè)到某些物質(zhì)時(shí)，其顏色會(huì)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(xué)化學(xué)教授埃里克·庫(kù)爾表示，顏色的變化使得新的傳感器傳遞出的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于多數(shù)光學(xué)傳感器傳遞的信息，因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器通常只是檢測(cè)某種特殊的分子。    
　　庫(kù)爾說(shuō)：“我們被強(qiáng)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(gè)分子傳感器，我們能知道4種不同有機(jī)物揮發(fā)物之間的區(qū)別。因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)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(zhǎng)長(zhǎng)的平行鏈構(gòu)成了架梯的扶手，堿基分子對(duì)組成了梯級(jí)。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(duì)。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(shuō)明的是，他們只利用了DNA的單螺旋體，這樣可以探測(cè)有機(jī)物的揮發(fā)物。    
　　據(jù)悉，斯坦福大學(xué)化學(xué)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(kù)。隨后，研究小組對(duì)組合庫(kù)進(jìn)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(cè)。    
　　用于檢測(cè)試驗(yàn)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(chóng)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(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，熒光分子傳感器在有4種測(cè)試物質(zhì)存在的環(huán)境中顯示出了熒光反應(yīng)。庫(kù)爾表示，這是他們嘗試將分子傳感器用于揮發(fā)物的探測(cè)，結(jié)果表明它們的工作狀況良好。    
　　熒光分子傳感器探測(cè)表現(xiàn)突出的原因在于DNA螺旋體上堿基對(duì)相互接觸，它們之間以電脈沖的形式“交流"。當(dāng)堿基對(duì)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(gè)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(dòng)物的種類不同，其DNA的排序也就不同。對(duì)于熒光化合物而言，它們?cè)贒NA上的排序不同則發(fā)出的光的顏色也不相同。庫(kù)爾介紹說(shuō)，他們觀察到了幾起實(shí)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(duì)檢測(cè)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(biāo)將檢測(cè)出各種物質(zhì)

　　庫(kù)爾表示，他們長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)之一是開(kāi)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(gè)分子也能探測(cè)4種不同的物質(zhì)，因此有可能利用10個(gè)或20個(gè)或100個(gè)傳感器組成的傳感器組，探測(cè)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(cè)儀的應(yīng)用從純粹的有機(jī)分子探測(cè)擴(kuò)展至實(shí)驗(yàn)室外分子化合物探測(cè)。在研究人員看來(lái)，熒光分子與DNA合成傳感器組構(gòu)成的探測(cè)器在外界使用zui為有效。他們希望自己開(kāi)發(fā)的傳感器zui終能與其他部件（包括廉價(jià)的熒光顯微鏡）共同組成便攜式“人工鼻"探測(cè)設(shè)備。不過(guò)，研究人員目前還需要確定熒光分子傳感器的探測(cè)極限——物質(zhì)被探測(cè)到的zui小量。    
　　另一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是將這些傳感器“打印"到塑料上，如果“打印"出的點(diǎn)能夠清晰可見(jiàn)，那么人們可以觀察到顏色變化。具體說(shuō)來(lái)就是，人們可以在近紫外光下發(fā)現(xiàn)它們對(duì)所接觸的物質(zhì)的反應(yīng)（顏色變化），并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)對(duì)比了解被檢測(cè)環(huán)境中存在的物質(zhì)。  
　　此外，庫(kù)爾他們還希望通過(guò)更多的研究，能夠?qū)晒夥肿雍虳NA合成的傳感器用于探測(cè)液體中物質(zhì)。庫(kù)爾認(rèn)為，對(duì)自己而言，zui有趣的可能是讓傳感器能夠“嗅出"生物學(xué)上的不同，也就是顯示出那些與疾病相關(guān)的不同細(xì)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(diǎn)。