1 生物传感器概述
化学传感系统评估环境化学成分以检测有益或有害条件及物体的能力，启发了模拟或改进这些自然过程的平台开发。在所谓的“第四次工业革命”（工业4.0）中，生物仿生学和生物转化处于前沿领先地位。同时，纳米生物电子学这一整合了纳米材料、纳米科学、生物学和电子学的多学科领域，克服了现有的生物电子挑战并开辟了新前沿。从这一视角出发，工程化生物体嗅觉系统的概念应运而生，旨在创建一种能够检测和区分气体混合物中的挥发性化学物质以识别特定条件的人工嗅觉系统。将生物启发技术融入化学检测和分析系统，在医学诊断、环境监测和食品质量控制等领域展现了显著的应用机遇，因为它们模拟了自然生物系统固有的效率和多功能性。
1.1 生物传感器技术与生物启发识别元件概述
“电子鼻”（E-NOSE）的概念于20世纪80年代提出。目前，固相微萃取气相色谱-质谱联用（SPME-GC/MS）通常用于分析和识别气味分子。虽然SPME-GC/MS精度高，但其步骤繁琐、分析时间长、仪器庞大且需要高素质人员和昂贵试剂。生物传感器作为一种解决方案，显著提高了在广泛应用中检测特定分析物的可及性、实用性和成本效益。
生物传感器的组织包括几个关键元素：能够识别分析物的生物受体、将生化事件转换为可测量物理信号的转换器、处理信号的电子部分以及显示结果的单元。大多数现有生物传感器是通过将生物受体与各种传感器集成而开发的，例如测量单位面积质量振动的石英晶体微天平（QCM）、表面声波（SAW）传感器、电化学阻抗谱（EIS）传感器、金刚石生物微机电系统（MEMS）和场效应晶体管（FET）。所有这些先进的检测系统都能检测和量化分析物与识别元件之间的相互作用，将化学信号转化为可量化的电信号。
然而，复制生物嗅觉的高灵敏度仍面临挑战。哺乳动物中仅有约50种OR被“去孤儿化”，需要新策略来克服当前的灵敏度限制。电子鼻的分析精度受到多种因素影响，包括水蒸气或高分析物浓度导致的灵敏度降低、传感器随时间的漂移以及缺乏绝对校准标准。此外，缺乏特定法规和标准化也限制了其更广泛的工业应用。
2 昆虫的化学感受
化学感受是指检测特定化学信号的能力，是生物与环境互动的最古老机制之一。在昆虫的整个生命周期中，化学感受至关重要，它响应各种化学、生物和环境信号，帮助寻找和选择食物来源、配偶、产卵地点以及躲避捕食者。昆虫的化学感受系统检测多种挥发性和可溶性化学物质。
化学感受神经元位于称为感器的特殊感觉器官内。昆虫感器是表皮衍生的特殊毛发状或钉状结构，从触角突出，作为周围环境化学和物理刺激的受体。昆虫化学物质的检测由被称为嗅觉、味觉和离子型受体的分子以及可溶性嗅觉蛋白如OBP和化学感受蛋白（CSP）介导。OBP和CSP在将疏水性化学化合物从外部环境携带到感器淋巴，然后递送到感觉神经元膜上的受体方面尤为重要。
2.1 昆虫气味结合蛋白
术语OBP指两类结构不同的蛋白质：脊椎动物OBP，属于脂质运载蛋白超家族，折叠成β-桶状基序；昆虫OBP，主要由α-螺旋结构域组成。尽管结构不同，两类功能相似。OBP主要与嗅觉和化学感受相关，存在于脊椎动物和昆虫的感觉器官中，在脊椎动物的鼻腔粘液和昆虫的感器淋巴中尤为丰富。
昆虫OBP是小型蛋白质，由130-150个氨基酸（13-17 kDa）组成，可根据氨基酸长度分为长链、中链和短链类型。经典OBP具有六个保守半胱氨酸的模式，形成三个互锁的二硫桥。这些二硫桥限制了分子的灵活性，但确保了更高的抗降解和变性稳定性。结构上，OBP由六个α-螺旋结构域组成，形成具有疏水腔的紧凑折叠，用于结合和运输气味分子。它们表现出显著的热和pH稳定性，并且在变性后可以重新折叠至其天然构象，保持其功能完整性。
当挥发性化合物接触昆虫触角时，它们通过感器外表面的无数小孔进入，并扩散到富含CSP、感觉神经元膜蛋白（SNMP）和气味降解酶（ODE）等可溶性蛋白的感器淋巴中。气味分子通过感器孔扩散，被OBP捕获，OBP将其运输通过感器淋巴，到达位于感觉树突膜上的OR。昆虫OR作为配体门控离子通道发挥作用。每个嗅觉感觉神经元通常表达一个或几个配体结合OR，以及高度保守的辅助受体Orco，后者对于正确的受体组装和信号传递至关重要。气味-OBP复合物启动受体激活。
2.2 昆虫OBP与哺乳动物OBP
在哺乳动物中，OBP和PBP是150-160个氨基酸的酸性多肽（17-20 kDa），以非共价二聚体或单体形式存在。基于其氨基酸序列和三维结构，这些蛋白质可归类为脂质运载蛋白超家族的一部分。它们具有双重功能：溶解和运输挥发性信息素到OR，并结合这些分子以促进其释放到环境中。所有这些蛋白质都具有脂质运载蛋白典型的β-桶状三维折叠，由八个反平行β-链形成的杯状腔，辅以C末端附近的短α-螺旋片段。
脊椎动物和昆虫的OBP在氨基酸序列上不显示同源性，三维结构也不相似，尽管它们共享捕获、运输和释放小VOC的功能。昆虫OBP由于其独特的结构和内在特性，代表了稳健且经济高效检测设备的理想解决方案。
3 昆虫的嗅觉行为分析：对生物标志物检测和生物传感器应用的意义
观察和分析昆虫的嗅觉行为为了解检测机制提供了关键见解，有助于选择对特定情境或条件特征性气味有吸引力的物种。例如，研究表明，感染恶性疟原虫（导致疟疾）会改变宿主的 odor 谱，诱导产生特定的挥发性化合物，增加疟疾媒介冈比亚按蚊的吸引力。这些发现表明，寄生虫诱导的气味变化可用于开发新的疟疾控制策略。法老蚁（Formica fusca）已被证明是通过感知VOC进行癌症检测的有前途的工具。这些行为源于复杂分子事件的转导，其中OBP构成了VOC识别的第一个分子水平，这为识别高性能OBP及其在先进生物传感器中用作识别元件提供了坚实的理性基础。
4 创新应用的新兴生物传感器
4.1 环境
在环境领域，基于OBP的生物传感器代表了一种检测污染物相关VOC的有效策略。在发展中国家，获得清洁饮用水是一项重大挑战。水传播疾病对公共卫生构成严重威胁。基于冈比亚按蚊OBP AgamOBP1的生物传感器已被开发为对大肠杆菌相关分析物高度特异和灵敏的检测器。该技术能够快速识别水中即使低水平的大肠杆菌污染。
4.2 安全与防卫
在安全应用中，昆虫OBP对硝基芳香族和麻醉化合物的分子敏感性代表了以高灵敏度检测危险物质的有效替代策略。Scorsone等人表达了14种蛋白质，包括昆虫和哺乳动物OBP的野生型和突变变体。这些蛋白质对硝基芳香族爆炸物和麻醉品进行了测试。计算模拟证实配体与OBP之间的结合能是亲和力的关键指标。实验上，一些OBP被固定在涂有纳米金刚石的SAW生物传感器上。其中，AgamOBP4对TNT表现出高亲和力，而AgamOBP19对氨基-DNT和三硝基苯甲醚表现出优异结果。LmigOBP1则在检测大麻素方面显示出潜力。
4.3 遇难者检测
对于搜救行动，将OBP集成到传感平台中能够区分与人类相关的VOC，旨在复杂环境中定位生还者和遇难者。SMURF机器人配备了一个基于OBP的微型检测模块（“嗅探器”）。对于生还者，已识别的化学标志物包括丙酮和正庚醛。对于遇难者，主要标志物包括尸胺、腐胺、粪臭素和吲哚。现场测试表明，该“嗅探器”模块能有效区分生还者和遇难者。
4.4 食品工业
在农业食品领域，用OBP功能化的生物传感器可用于检测污染物、评估食品质量和保质期。例如，基于果蝇OBP衍生的肽与碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）结合的新型生物电子鼻被开发用于检测火腿中的沙门氏菌污染。该生物传感器对受污染样品显示出显著信号，检测限（LOD）低至1 fM，实现了高灵敏度检测。在食品安全方面，监测农药残留也至关重要。一种基于柑橘木虱（Diaphorina citri）OBP2蛋白功能化金纳米颗粒（AuNP）与局部表面等离子体共振（LSPR）数字纳米等离子体技术（DiNM）相结合的仿生传感器被开发用于同时检测新烟碱类农药。该传感器对啶虫脒、呋虫胺和噻虫胺的LOD显著低于国际最大残留限量（MRL）。在食品领域，除了污染物检测，分解过程监测对确保供应链中的质量和安全也起着至关重要的作用。基于黑水虻（Hermetia illucens）重组OBP的纳米生物传感器被开发用于检测指示有机分解早期阶段的VOC。
4.5 害虫防治
一种利用OBP的嗅觉生物传感器被开发用于特异性检测昆虫寄主植物释放的化学信息素，促进对这些相互作用的分子水平研究。该传感器采用了源自橘小实蝇（Bactrocera dorsalis）的BdorOBP2，将其固定在聚乙二醇（PEG）涂覆的叉指电极上，形成电化学阻抗谱（EIS）生物传感器。该传感器对寄主植物释放的三种化学信息素（乙酸异戊酯、β-紫罗兰酮、苯甲醛）表现出强结合亲和力，LOD范围在10-7至10-8M。这为了解昆虫与寄主植物之间的化学相互作用提供了平台，支持间接害虫控制策略。
4.6 诊断
在医学诊断中，OBP选择性结合特定疾病相关VOC的能力为开发快速、低成本、非侵入性检测设备提供了有前景的基础。疾病存在时VOC的化学谱会发生显著变化。基于蜜蜂（Apis mellifera）OBP14蛋白功能化还原氧化石墨烯（rGO）的场效应晶体管（FET）传感器被开发用于检测溶液中的高香草酸（HVA），这是一种神经母细胞瘤和恶性嗜铬细胞瘤的肿瘤标志物。该装置表现出良好的配体检测性能。OBP的替代方案是使用其衍生的肽。一种基于CNT-FET的多路复用传感器被开发用于选择性检测与COVID-19相关的VOC。另一种例子是基于QCM的设备，它采用模拟蛾类（Helicoverpa armigera）HarmOBP7蛋白醛结合位点的肽用于乙醛检测。这些初步结果证明了仿生设计的有效性。
5 结论
OBP因其固有的稳定性、在广泛环境条件下的功能以及结合大量VOC的显著灵活性，正在成为开发高灵敏度和特异性生物传感器的优秀候选者。与GC/MS等传统方法相比，基于OBP的生物传感器具有便携、快速、用户友好等显著优势。昆虫OBP的另一个优势在于其可持续性。OBP作为识别元件的另一个优势是其高度多功能性。尽管取得了进展，这些设备的实际应用还需要进一步的改进。
6 未来方向
在不远的将来，OBP的使用可能从简单的分子识别元件演变为能够以动态和上下文方式处理化学信息的生物数字工具的关键组成部分。然而，这种转变需要解决一些已知的关键问题，包括嗅觉编码的复杂性、环境因素产生的干扰管理以及缺乏标准化和共享法规。将基于OBP的系统、创新材料和机器学习算法相结合，将使得能够创建受生物逻辑启发的智能嗅觉平台。
