基于生物味觉的仿生电子舌及其在味觉检测与识别中的应用

摘要

味觉作为哺乳动物感受外界环境中化学物质的基础，为生存、觅食、繁殖等活动提供了重要的保障。经过长期的进化，味觉感受系统能够快速、灵敏、特异地识别和检测复杂的液体环境中大量不同的物质，是迄今为止性能最佳的化学检测系统之一。受哺乳味觉感受系统的结构和信息编码方式的启发，研究者们提出了电子舌的概念。目前国际上的电子舌系统通常采用离子选择电极等电化学传感器或味觉仿生材料作为敏感元件，在检测的灵敏度和特异性上存在问题。与电子舌相比，生物味觉感受系统具有与生俱来的优势，其核心功能部件如感受细胞、受体等，适合作为电子舌中的敏感元件，以实现高特异性和灵敏度的检测与识别。
　　本文提出了一种新型在体生物电子舌系统:以哺乳动物味蕾中的味觉细胞作为初级感受器，味觉信息经传入神经及孤束核等脑区的整合处理后，在味觉皮层中汇集，该区域的神经元因此具有交叉敏感的味觉响应特性。微电极阵列实时记录味觉刺激前后相关神经元的胞外电位信号，通过降维、模式识别等技术建立味觉种类的分类模型和味觉强度的定量检测模型。同时，本文验证了在体生物电子舌系统对苦味和甜味物质的检测性能，包括特异性、灵敏度、长时稳定性等。另外，本文还提出了一种基于永生细胞系的生物电子舌，并将应用于受体特异性的苦味物质筛选中。
　　本文主要的创新性研究工作为:
　　1.首次提出了在体生物电子舌概念，并实现了苦味物质的高灵敏度检测
　　受在体生物电子鼻概念的启发，本研究在国际上首次提出了在体生物电子舌的概念，其核心为建立味觉皮层神经元胞外电位的活动模式与味觉刺激的映射关系，完成味觉种类和强度的检测。实验结果表明，基于清醒大鼠的在体生物电子舌局部场电位输出具有苦味特异性，且β振荡和γ振荡的功率谱密度(power spectral density，PSD)特征均与苦味刺激的浓度相关。γ振荡PSD对苦味刺激浓度变化更为敏感，苦味物质苯甲地那铵的检出限可达0.076μM。由于保证了味觉细胞和相关神经元的在体环境，在体生物电子舌与基于离体生物电子舌相比具有更长的使用寿命，稳定的输出信号平均可维持22天;与行为学实验结果的对比也表明，基于清醒大鼠的在体生物电子舌的定量检测模型具有较高的可信度，验证了其用于苦味物质识别与检测的可行性。
　　2.提出了基于麻醉大鼠的在体生物电子舌，完成了苦味物质快速准确识别
　　为了减少动作噪声等对检测的不利影响，我们提出了基于麻醉大鼠的在体生物电子舌以提高实验记录的成功率;同时，研究了在体生物电子舌的锋电位信号携带的味觉信息。实验结果表明，该在体生物电子舌的锋电位和局部场电位都可以对苦味刺激产生快速的响应，平均响应延迟约为0.2s，平均响应时长小于4s。在使用支持向量机算法建立的模型中，锋电位和局部场电位信号的特征融合显著提高了苦味响应识别的准确度，苦味与非苦味物质的二元分类准确度达到88.15％。同时，本研究分别建立了基于锋电位发放频率和局部场电位PSD的苦味定量检测模型，虽与清醒大鼠的在体生物电子舌相比损失了部分灵敏度，但使用寿命得以延长，稳定的信号输出平均可维持30天。
　　3.首次将在体生物电子舌用于甜味物质的识别和检测，并针对实际样品的检测与人类味觉感官进行了对比
　　基于清醒大鼠的在体生物电子舌利用局部场电位的味觉特异性响应包络和随机梯度下降算法，完成了四种不同类型味觉物质分类;更进一步，本研究利用哺乳动物味觉编码的动态性，构建了区分天然糖和人工糖的分类模型。同时，建立了基于局部场电位PSD的甜味物质定量检测模型，并得到了行为学结果的验证。另外，本研究首次针对实际样品，对比了在体生物电子舌的响应强度与人类味觉感官测试的结果，分析了在体生物电子舌用于提高品味员工作效率的可行性。
　　4.研制了一种基于受体细胞的新型离体生物电子舌，实现了苦味物质的受体特异性识别，并探索了其用于药物苦味检测的可行性
　　Caco-2细胞内源性表达有人类苦味受体T2R38，与异源表达系统相比，具有天然完整的信号通路和更理想的贴壁能力，适合作为细胞阻抗传感器的敏感元件。实验结果表明，该离体生物电子舌可以对苦味物质苯硫脲和丙基硫氧嘧啶的定量检测，检测结果可以模拟人类的苦味感受，且该系统具有受体特异性，可以用于异硫氰酸酯类药物的苦味识别。另外，对比了该系统与基于精细胞的离体生物电子舌、在体生物电子舌检测中药苦味的结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 哺乳动物的味觉感受系统

1．1．1 哺乳动物味觉感受机理

1．1．2 味觉神经系统

1．2 味觉传感技术研究现状

1．2．1 电子舌技术的发展

1．2．2 基于味觉功能材料的生物电子舌

1．2．3 基于生物味觉感受系统的在体生物电子舌

1．3 本论文主要内容

参考文献

第2章 在体生物电子舌的概念及研究方法

2．1 引言

2．2 在体神经信号记录电极的设计

2．2 电极植入与组织鉴定

2．2．1 电极植入手术

2．2．2 生物组织鉴定方法

2．3 在体生物电子舌的系统构成

2．3．1 电生理记录装置

2．3．2 材料和试剂

2．3．3 味觉刺激装置

2．3．4 神经信号处理通用技术

2．5 本章小结

参考文献

第3章 基于清醒大鼠的在体生物电子舌及其在苦味高灵敏检测中的应用

3．1 引言

3．2 味觉皮层中苦味响应区域的定位

3．3 在体生物电子舌苦味检测性能分析

3．3．1 苦味物质的特异性识别

3．3．2 苦味物质的高灵敏度检测

3．3．3 苦味检测可再现性及长时稳定性

3．4 行为学检测大鼠苦味感受阈值

3．4．1 研究方法

3．4．2 研究结果与讨论

3．5 本章小结

参考文献

第4章 基于麻醉大鼠的在体生物电子舌用于苦味物质的快速准确识别

4．1 引言

4．2 在体生物电子舌对苦味刺激的快速响应

4．3 基于麻醉大鼠的在体生物电子舌对苦味物质的准确识别

4．3．1 在体生物电子舌的苦味响应分类模型

4．3．2 在体生物电子舌对二元混合物的抗干扰分析

4．4 基于麻醉大鼠的在体生物电子舌对苦味物质的定量检测

4．5 在体生物电子舌的长时稳定性和可再现性

4．5．1 长时稳定性

4．5．2 苦味检测可再现性

4．6 本章小结

参考文献

第5章 在体生物电子舌用于甜味物质检测及其与人类味觉的对比研究

5．1 引言

5．2 在体生物电子舌对甜味物质的特异性识别

5．2．1 基于在体生物电子舌spike信号的甜味分类模型

5．2．2 在体生物电子舌动态性响应用于天然糖和人工糖的识别

5．3 在体生物电子舌对甜味物质的定量检测

5．3．1 在体生物电子舌对天然糖的定量检测

5．3．2 在体生物电子舌对人工糖的定量检测

5．4 行为学检测大鼠甜味物质感受阈值

5．5 在体生物电子舌与人类感官评价在检测实际样品中的对比

5．6 本章小结

参考文献

第6章 离体生物电子舌的受体特异性苦味检测及其与在体生物电子舌的初步比较

6．1 引言

6．2 细胞阻抗传感器的原理及应用

6．2．1 细胞阻抗传感器原理

6．2．2 细胞阻抗传感器在苦昧物质检测中的应用

6．3 离体生物电子舌检测参数优化

6．3．1 DMSO对细胞阻抗的影响

6．3．2 苦味刺激时间

6．3．3 细胞密度对阻抗响应的影响

6．4 离体生物电子舌对已知苦味配体的定量检测

6．5 离体生物电子舌的配体特异性苦味识别

6．5．1 苦味响应的特异性

6．5．2 T2R38配体响应的特异性

6．6 离体生物电子舌的应用

6．6．1 离体电子舌对苦味类似物的筛选

6．6．2 离体生物电子舌对药物苦味成分的识别

6．6．3 离体生物电子舌在中药苦味检测中的应用及其与在体生物电子舌的对比

6．7 本章小结

参考文献

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简历

攻读学位期间主要发表论文和研究成果