模仿蚊子“闻香识花“，东京大学构建仿生嗅觉传感新平台

自然界生物依靠嗅觉受体群体分布式响应完成气味识别，而非单一分子一对一特异性结合，这一机制为高选择性生物杂化传感器研发提供了核心思路。近期，东京大学竹内翔司教授团队在国际期刊《Lab on a Chip》发表题为“Multicellular sensor arrays fabricated by capillary stamping for pattern-based odor discrimination"的研究，创新研发了毛细管压印制备多孔传感阵列，实现高密度、空间定位型活细胞传感阵列的一次性可重复制备，依托昆虫嗅觉受体细胞构建9×9多元传感体系，借助模式识别算法完成单一气味分子与复合花香混合物的稳定区分，为数据驱动型生物嗅觉传感搭建了标准化实验平台。

传统细胞阵列制备技术普遍存在流程繁琐、对位精度不足、多细胞群体同步排布重复性差等短板，针对这一痛点，研究团队基于摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S140，精度：10μm）制备了一体化微毛细管印章器件，毛细管入口是1.5mm×1.5mm方形进样口，尖部为正六边形截面，顶点对角300μm、壁厚150μm，整体无流体串扰，仅需单次加载细胞悬液即可完成多批次阵列冲压成型。

为解决液体铺展不均、咖啡环效应干扰检测的问题，研究配套设计PDMS 微腔基底，通过润湿性梯度调控实现液体精准限域。高速成像与荧光定量验证结果显示，微腔约束下液斑面积稳定在0.34mm²，荧光信号变异系数仅5%，远低于平面基底20%的波动水平；连续35次冲压循环荧光信号变异仅3.5%，10天内的细胞制备实验信号波动控制在12%，整套体系兼具单批次高重复度与长期实验稳定性。细胞活性检测证实，冲压工艺不会产生明显细胞毒性，成型阵列活细胞占比与传统96孔板培养无统计学差异，可稳定维持嗅觉受体细胞生理功能以完成后续刺激响应实验。

研究选用稳定表达9种蚊虫、果蝇嗅觉受体与GCaMP钙荧光探针的ExpiSf昆虫细胞，按列排布构建9×9传感阵列，气味分子结合受体引发钙离子内流带来荧光强度上升，以刺激前后荧光比值Fmax/F0量化细胞响应信号。针对苯酚、苯甲醛、苯乙酮等单一标准气味分子开展测试，不同配体诱导产生特征化阵列响应矩阵，对5个不同日重复实验的响应向量余弦相似度最高可达0.96，同一种气味可稳定复现专属信号图谱，而阴性对照DMSO无明显细胞激活，充分验证阵列响应的配体特异性与实验可复现性。

为验证体系对真实复杂气味的解析能力，团队选取玫瑰、柑橘、康乃馨、百合四类花卉复合挥发物开展刺激实验，四类混合物均生成互不重叠的多元响应图谱。依托阵列全部传感单元荧光响应构建63维特征向量，线性判别分析（LDA）将多维数据投影至二维判别空间，四类花香样本形成界限清晰的独立聚类，平均轮廓系数达0.85，置换检验证实分类特征具备统计学显著性。尽管受限于现有嗅觉受体种类覆盖范围，五折交叉验证线性分类准确率仅49%，但该结果证明阵列生成的群体响应图谱包含可区分气味类别的结构化信息，能够实现已知气味混合物的闭集识别。

相较于传统多孔板分离式检测，本阵列将全部9类嗅觉受体细胞集成于同一显微视场，所有细胞同步接受气味刺激、同步成像采集，消除不同孔位间扩散时序、成像参数带来的系统误差，把分散式单受体检测升级为统一环境下的群体协同传感。整套毛细管冲压装置结构简单、操作门槛低，可适配自动化机器人加工，具备规模化批量制备潜力；同时该平台不仅服务于化学气味检测，也为解析活体感觉网络群体编码、细胞异质性、信号适应性等基础神经生物学问题提供全新观测工具。

总结：该研究打通了异质活细胞传感阵列可控制备、同步并行检测、多变量气味模式解析的完整技术链路，建立起一套可稳定复现的生物杂化嗅觉传感框架。后续通过拓展嗅觉受体文库、优化跨实验数据归一化算法、引入深度学习判别模型，有望进一步提升复杂气味混合物识别精度，在环境挥发性污染物监测、食品风味溯源、医疗呼出气体生物标志物检测等场景落地应用，推动仿生电子鼻从实验室基础研究走向实用化检测体系。