频率调制的味细胞传感器苦味响应特性研究

摘要

味觉是人类的基本感觉之一，是人和动物探知外界环境的重要感觉。味觉感受器官对味觉物质超高的敏感性引起了人们对人工智能感官极大的研究热情。随着传感技术的发展，把味觉感受细胞作为敏感元件的味觉细胞传感器应运而生。它可以采集和处理味觉物质刺激味觉细胞产生的生理生化信号，从而对不同种类和浓度的味觉物质溶液产生相应的响应信息，达到对其区分辨识响应的程度。由于味觉细胞传感器是味觉物质直接与味觉感受细胞发生的生物识别感受过程，因此，它与一般意义上的仿生味觉传感器（电子舌）在感受的机制上有很大的差别。
　　 实验室前期已经构建了一套以STC-1细胞为敏感元件的苦味细胞传感器，并且在1KHz固定频率条件下，对一系列苦味剂和混合苦味剂溶液的辨识响应研究。但是，单一频率下的味质响应信号特征的了解并不能全面地涵盖传感器的响应特性，这极大地影响了味觉细胞传感器向实际应用转变的过程。本文针对激励信号频率条件改变对味觉细胞传感器响应特征的影响进行了深入研究，以STC-1细胞和小鼠味蕾细胞为苦味传感器的敏感元件，在广泛的频率范围内研究了苦味的响应特性。研究结果如下:
　　 1.构建了苦味感受细胞传感器敏感元件
　　 利用免疫组化和WesternBlot实验验证了STC-1细胞和小鼠味蕾细胞中味觉转导功能因子α-gustducin、PLCβ2、TRPM5的表达;然后通过电镜拍摄电极表面培养的STC-1细胞和小鼠味蕾细胞，结果表明细胞在电极上贴壁良好，形态正常;最后，利用表面涂有PLL的载玻片模拟电极培养STC-1细胞的条件，在培养箱外短时间培养，实验证明，细胞在整个味觉传感器检测实验周期中的活性良好，满足实验需要。
　　 2.建立了频率调控的苦味味觉传感器响应特性的研究方法
　　 频率调控的STC-1细胞传感器和小鼠味蕾细胞传感器的实验方法的建立，主要包括:选择了从100Hz-10000Hz间28个激励信号频率，分为低频、中频和高频3个频率段进行实验;依据苦味受体和苦味配体的相互作用关系，选择4种具有代表性的苦味剂（放线菌酮、奎宁、苯基硫脲、丙硫氧嘧啶）;每种苦味剂溶液依照感官阈值设置7个浓度;针对实验组设置了空白对照组;数据处理的方法采用了随机共振的方法。采用随机共振的数据处理结果表明，不同频率下，具有苦味受体或者相应苦味转导因子的STC-1细胞和小鼠味蕾细胞会对苦味物质的刺激产生特征性响应，验证了实验方法的可行性和可靠性。
　　 3.频率调控的苦味味觉细胞传感器的响应特性研究
　　 在广泛的激励信号频率调制下，苦味代表物质对培养了STC-1细胞和小鼠味蕾细胞的苦味细胞传感器的响应特性如下:(1)传感器特征响应具有广泛性:以STC-1细胞和小鼠味蕾细胞为敏感元件的传感器在广泛的激励信号频率扰动范围内几乎都具有特征响应，说明研究构建的苦味传感器具有广泛的检测频率范围。(2)传感器特征响应具有特殊性:每种苦味物质与细胞的作用产生的特征峰的峰型都有较优的频率段:放线菌酮的苦味响应信号在中频(1100Hz-2000Hz)范围内特征峰的峰型明显，是检测放线菌酮的较优频率段;奎宁对STC-1细胞刺激的味觉信号在低频(500Hz-1000Hz)和中频(1100Hz-2000Hz)范围内的特征峰峰型明显，是检测奎宁的较优频率段;苯基硫脲和丙硫氧嘧啶对STC-1细胞刺激的的味觉特征响应信号较相似，在几乎所有的频率范围内都有较好的峰型。(3)传感器特征响应具有迁移性:在随机共振的处理结果中，不同频率激励信号扰动下，苦味物质刺激细胞产生的信号随频率的变化而变化，出峰位置的噪声强度随频率的升高而增加。说明不同频率下，同一种苦味物质的响应特征在不同频率扰动下的特征不同。
　　 4.传感器特异性响应特征产生的可能性原因分析
　　 从味觉受体配体相互作用关系、细胞内钙振荡和细胞阻抗谱特性三个方面对实验中出现的现象作了可能性分析:苦味受体与配体的相互作用是产生这一现象的基础，胞内钙振荡为随机共振理论的介入分析提供了插入点，而细胞阻抗谱特性是激励信号频率扰动的噪声源，是弱信号提取的辅助手段。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 味觉感受

1．1．1 味觉感受的生理基础

1．1．2 味觉受体和离子通道

1．1．3 味觉信号转导

1．2 味觉细胞传感器

1．2．1 味觉细胞传感器概述

1．2．2 味觉细胞传感器技术

1．3 味觉细胞传感器系统简介

1．3．1 丝网印刷电极

1．3．2 恒温自动灌流系统

1．3．3 阻抗谱信号采集系统

1．3．4 信号分析系统

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 味觉细胞传感器苦味感受敏感元件设计

2．1 实验材料

2．1．1 实验细胞和电极

2．1．2 主要实验试剂

2．1．3 实验溶液配制

2．1．4 实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 细胞培养方法建立

2．2．2 免疫组化

2．2．3 细胞蛋白提取

2．2．4 Western blot

2．2．5 丝网印刷电极处理和细胞接种方法

2．2．6 环境扫描电镜观察细胞形态

2．2．7 苔盼蓝排斥实验

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 细胞形态观察鉴定

2．3．2 味觉细胞感受基础鉴定

2．3．3 电极表面培养细胞形态表征

2．3．4 细胞接种成活率

2．4 小结

第3章 频率调制细胞传感器实验条件方法建立

3．1 实验材料

3．1．1 细胞选择

3．1．2 苦味剂选择

3．2 实验方法

3．2．1 实验频率选择

3．2．2 实验系统参数设置及实验步骤

3．2．3 空白对照组设置

3．2．4 实验数据处理

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 频率调制的STC-1细胞传感器实验可行性验证结果

3．3．2 频率调制的小鼠味蕾细胞传感器实验可行性验证结果

3．4 小结

第4章 频率调制的细胞传感器苦味响应特性研究

4．1 实验材料

4．2 实验方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 频率调制STC-1细胞传感器苦味响应结果

4．3．2 频率调制的小鼠味蕾细胞传感器苦昧响应结果

4．3．3 讨论

4．4 小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士研究生期间发表论文

致谢

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