综述：人工嗅觉系统的运作机制与应用进展

摘要

人工嗅觉系统是一种仿生平台，旨在模拟生物嗅觉机制以实现挥发性化合物的检测与区分。生物嗅觉通过挥发性分子与嗅觉受体（OR）、嗅素结合蛋白（OBP）及相关化学感应蛋白的特异性结合来高效感知气味，随后通过神经编码完成信息处理，这为人工嗅觉系统的设计提供了理论基础。本综述整合了来自Web of Science、PubMed和Scopus数据库的现有文献，选择标准侧重于感知机制、设备架构和应用转化方面。文章对基于生物受体的嗅觉平台（包括使用嗅觉受体、嗅素结合蛋白和合成肽的生物电子鼻系统）以及非生物受体型传感方法（如利用化学响应染料的比色阵列和金属氧化物半导体（MOS）传感器）进行了深入评估。这些技术的应用领域主要包括：通过检测呼吸中的挥发性生物标志物进行医学诊断、通过监测新鲜度进行食品安全评估、对空气和水质的环境监测，以及在危险物质检测中的公共安全应用。研究还探讨了包括特征提取和基于机器学习的模式识别在内的信号处理方法。同时，也分析了关键的技术转化挑战，如生物识别元件的长期稳定性有限、传感器漂移和环境干扰等问题。比较分析表明，基于生物受体的平台具有更高的灵敏度，适合检测微量生物标志物；而非生物受体型传感器则具备更强的操作稳定性，适用于连续监测；而结合生物选择性和强大合成信号转换机制的混合式架构则为下一代嗅觉系统的发展指明了方向。