專利名稱：多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種嗅覺生物感測裝置，特別是有關(guān)于一種多元陣列壓電晶體生物感測裝置。
食品香味、酒類品質(zhì)、惡臭物質(zhì)、空氣污染監(jiān)視、化妝品工業(yè)、爆炸物、毒品或戰(zhàn)場上生化毒劑等揮發(fā)性物質(zhì)的偵測有多種方法，然而，各種已知的方法大都靈敏度不夠，或者是只能用來偵測特定的氣味分子或作特殊的用途，在使用上不方便。
因而本發(fā)明的目的是要提供一種靈敏度高、使用方便的嗅覺生物感測裝置。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的，本發(fā)明的裝置結(jié)合了生物化學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)，采用兩種主要元件一是生物分子辨認(rèn)元件，另一是信號轉(zhuǎn)換元件。信號轉(zhuǎn)換元件乃是一種壓電晶體(pizeoelectricquartzcrystal)信號轉(zhuǎn)換器，而生物分子辨認(rèn)元件乃是從脊椎動物所分離純化出的各種受體蛋白質(zhì)，包括嗅覺受體蛋白質(zhì)群，或神經(jīng)受體蛋白質(zhì)或抗體等，這些嗅覺受體蛋白質(zhì)被涂覆或固定在各種不同的壓電晶體上。當(dāng)外來氣味分子與在壓電晶體上的受體蛋白質(zhì)結(jié)合后產(chǎn)生極微小的質(zhì)量變化，此質(zhì)量變化足以使壓電晶體產(chǎn)生回應(yīng)頻率衰減信號。再將各種不同氣味分子在壓電晶體上產(chǎn)生的頻率衰減信號輸入電腦存儲器中就可以組成一嗅覺生物感測裝置。
由于壓電晶體信號轉(zhuǎn)換器的偵測靈敏度可達(dá)10-9-10-12克，涵蓋了人類嗅覺閾值10-6-10-8分子(molecules)，而且非常適合在氣相條件下偵測，故本發(fā)明的嗅覺生物感測裝置的靈敏度極高。
本發(fā)明的另一特征為同時使用若干個壓電晶體，于其上包覆或固定各種不同、但具部分選擇性的各種受體蛋白質(zhì)，因此可對每一分析物產(chǎn)生陣列回應(yīng)，如同辨認(rèn)指紋般將被分析物鑒定出來。
以下結(jié)合附圖及實例詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明的壓電晶體嗅覺生物感測裝置在氣相下測定的典型應(yīng)答曲線圖;
圖2為依據(jù)頻率衰減值模數(shù)化后的圖譜描述基準(zhǔn)設(shè)定圖式;
圖3為根據(jù)斜率值(△F/時間)的圖譜描述設(shè)定基準(zhǔn)圖式;
圖4為本發(fā)明的多元陣列嗅覺生物感測裝置的構(gòu)造示意圖;
圖5為本發(fā)明連續(xù)式測定容器構(gòu)造示意圖;
圖6為本發(fā)明批式測定容器構(gòu)造示意圖;
圖7a-圖7f為實例1中對6種不同氣味劑由本發(fā)明裝置作測試后繪制出的形狀圖譜;
圖8為包覆嗅覺受體蛋白質(zhì)的壓電晶體對不同樣品量的高梁酒的頻率變化圖;
圖9a、9b為KM1-1、KM1-3、KM(old)依據(jù)斜率值繪出的形狀圖譜;
圖10為各種高梁酒及配制酒精的樹枝狀譜系圖;
圖11為表示酒精濃度與相似值的線性關(guān)系圖;
圖12為表示人類嗅覺閾值與氣味劑對嗅覺生物感測裝置的分配系數(shù)圖;
圖13為活性及去活性的嗅覺受體蛋白質(zhì)對正-己酸的反應(yīng)比較圖;
圖14為表示經(jīng)長時間測試的本發(fā)明的壓電晶體的穩(wěn)定性圖。
首先敘述本發(fā)明的壓電晶體測定原理。一般壓電石英晶體用來當(dāng)做微質(zhì)量天平(Quartzcrystalmicrobalance，QCM)使用時，其石英板通常以兩片金屬電極(例如金、銀、鋁、鎳、鈀等)如同三明治般夾在中間。電極的作用為沿晶片表面垂直方向?qū)胍徽袷庪妶?oscillatingelectricfield)。此一振蕩電場迫使晶體內(nèi)部產(chǎn)生機械振蕩行為;假使石英板的厚度一定，此種機械振蕩可以以一額定的頻率表現(xiàn)出來。由于晶片厚薄不同，其基本振蕩頻率通常介于2-20兆赫(MHz)之間。此種由于機械與電子兩種振蕩交聯(lián)所產(chǎn)生的諧振頻率決定于下列數(shù)項因素，其間某些因素在正常情況下均為固定值，包括石英晶片的物理性質(zhì)如厚度、密度和剪力系數(shù)等;某些情況下，下列因素亦保持在一固定值，包括與氣體或液體接觸時，晶體表面的密度、粘度、橫跨晶片兩面間的壓力差與溫度等。然而改變晶體頻率最大的因素為電極的質(zhì)量或外加附著在電極上的薄膜的質(zhì)量變化。此種因質(zhì)量的改變所導(dǎo)致的頻率變化，即為微質(zhì)量天平的基本原理。
薩爾布瑞(Sauerbrey)在1959年首先導(dǎo)出了層積在石英晶體上的金屬膜質(zhì)量與頻率變化的關(guān)系式，用來描述大部分場合下，尤其在氣相狀態(tài)下壓電晶體電極表面的質(zhì)量變化與頻率應(yīng)答的關(guān)系，如下式△F/F＝-△Ms F/AρN其中△F頻率變化F頻率△Ms任何以薄膜方式包覆在晶體上的物質(zhì)的質(zhì)量A石英晶體的表面積ρ石英晶體的密度N頻率常數(shù)本發(fā)明中所使用的壓電石英晶體為AT切角，其頻率常數(shù)(N)為0.1679MHz/cm，密度(ρ)為2.648g/cm3，將這些數(shù)值代入上式即得△F＝-2.3×106F△M/F2其中△F表示因包覆所產(chǎn)生的頻率變化F為石英晶體的振蕩頻率△M為包覆的質(zhì)量(g)
因此，由上式可知質(zhì)量負(fù)載(△M)增加，頻率衰減值(△F)越大。如上述本發(fā)明所使用的壓電石英晶體為AT切角，基本振蕩頻率在5-15兆赫之間。根據(jù)薩爾布瑞方程式預(yù)測對空氣中揮發(fā)性分子的測定極限值可達(dá)10-2克左右。
參見圖1，圖1為壓電晶體嗅覺生物感測裝置在氣相下測定時的典型的應(yīng)答曲線圖。圖中基準(zhǔn)線(Baseline)部分為穩(wěn)定的基本振蕩頻率;箭頭a↓表示注入氣體樣品的時間;待測氣體分子與晶體表面包覆材料發(fā)生吸附反應(yīng)后，引起頻率衰減回應(yīng)。曲線A、B、C、D分別表示不同吸附反應(yīng)的動力模式;箭頭b↑為開始移除氣體樣品，其后，表面吸附的氣體開始發(fā)生脫附現(xiàn)象，晶體振蕩頻率開始回升，回升的速率與發(fā)生吸附反應(yīng)的形式有關(guān)，當(dāng)發(fā)生物理性吸附時，脫附速度快，如曲線D;然而當(dāng)發(fā)生化學(xué)性吸附時，脫附速率則相當(dāng)慢，如曲線C0由基準(zhǔn)頻率線至回應(yīng)曲線的平穩(wěn)谷底之間的差值(△F)，可依薩爾布瑞方程式換算為吸附的氣體質(zhì)量(△M)。
用來涂覆或固定在壓電晶體上的受體蛋白質(zhì)可為從脊椎動物分離純化重組的嗅覺受體蛋白質(zhì)群或神經(jīng)受體蛋白質(zhì)或抗體等。其中以從脊椎動物的嗅覺纖毛所分離出的分子量在53-116千道爾頓(KDa)的膜蛋白質(zhì)為佳。
脊椎動物如牛、蛙、狗、豬、鼠類、兔等的嗅覺上皮組織均可使用。其分離方法乃是于4℃冷房內(nèi)，將上述活體脊椎動物的鼻腔解剖開，取出嗅覺上皮組織部分，修除其余組織，隨即將嗅覺上皮放入含5-20%(V/V)酒精、0.1M氯化鈉、2mMEDTA、30mMTris-HCl、PH8.0的緩沖溶液中以去除鼻粘液(mucus)。2分鐘后取出移入含有5-20mMCaCl2的林格氏溶液中，輕微攪拌15分鐘以上，使嗅覺纖毛(olfactory cilia)斷裂下來。使用1000×g轉(zhuǎn)速離心5分鐘取出含有纖毛的上清液(supernatant)，隨后使用雙層干凈棉紗濾布過濾。取濾液于10000×g、4℃冷凍離心10分鐘，除去上清液、沉淀部分使用10mMTris-HCl，PH8.0緩沖溶液洗滌二次。沉淀部分使用含有0.3%TritonX-100的50mMTris-HCl、PH7的緩沖溶液將膜蛋白質(zhì)溶解下來。最后使用10000×g、4℃冷凍離心30分鐘取出上清液。該上清液即為含有嗅覺受體蛋白質(zhì)的粗制液。
上述分離的粗制液再以微凝膠管柱作進(jìn)一步層析。管柱內(nèi)先以含有0.1%TritonX-100及0.1MNaCl的50mMTris-HCl、PH7.2的緩沖溶液于4℃冷房內(nèi)，以0.4-1.0毫升/每分鐘的流速洗脫36小時以上使達(dá)平衡，再以同樣流速將樣品溶液注入管柱中。洗脫液以分液收集器(fractioncollection)收集。層析完成后的各份洗脫液使用分光光度計在254nm波長下測吸光值，將具有吸光值波峰的各分液管收集進(jìn)行濃縮操作。
上述經(jīng)濃縮的蛋白質(zhì)須再經(jīng)重組以提高其活性，重組方法為取上述濃縮后的各份樣品，分別以1∶1的體積比例加入含有1.8mg/ml的phosphstidylinosital，0.5mMphenanthroline，0.5mMEDTA，0.1mMphenylmethylosulfonalfluoride及12.5mMMes pH7.2的溶液混合均勻置于室溫培育1小時以上。接著按1∶1(V/W)比例與AmberliteXAD-2或Bio-beadsSM-2混合均勻，振蕩培育1小時以上，以移除界面劑。上述步驟完成后，取出上清液部分，即為本發(fā)明所使用的嗅覺受體蛋白質(zhì)。
本發(fā)明的嗅覺受體、神經(jīng)受體蛋白質(zhì)或荷爾蒙受體蛋白質(zhì)等生物分子辨認(rèn)元件可直接以微注射管注入晶體電極表面，涂抹使其成均勻薄膜，然后保存于干燥器內(nèi)即可。
為了達(dá)到更佳的結(jié)合，依照本發(fā)明可先將壓電晶體(例如9-15MHz、AT切角、以銀或金作電極、電極直徑約4.5mm)作陽極氧化處理。其處理方法為將上述晶體置于陽極，陰極使用白金絲置于適量的0.5MNaOH溶液中，通以0.5-5V直流電源，氧化時間及電流強弱視鍍金膜厚度而定，陽極氧化后使原先具有疏水性的電極表面轉(zhuǎn)變成帶有-OH基團(tuán)的親水性表面，然后再將受體蛋白質(zhì)固定在此親水性表面上，其方法為將陽極氧化后的壓電晶體電極事先以溶劑清洗干凈，待溶劑揮發(fā)干燥后將晶體電極浸入含有5-10%γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(或任何其它硅烷)的甲苯或氯仿或丙酮等溶劑中，回流反應(yīng)12小時以上，反應(yīng)完成后先使用甲苯清洗，再用丙酮清洗取出風(fēng)干。干燥后的晶體浸于適量含有2-10%的麩醛的0.1M磷酸緩沖溶液中(pH7.0)反應(yīng)1小時以上，取出晶體使用磷酸緩沖液沖洗，直至沒有醛味道為止。將上述處理后晶體浸入含有適量體積的重組后的嗅覺受體蛋白質(zhì)、神經(jīng)受體蛋白質(zhì)、抗體或荷爾蒙接受器等的0.1M、pH7.0磷酸緩沖液中，輕微攪拌反應(yīng)1小時以上，隨后取出用磷酸緩沖液沖洗數(shù)次，再使用0.1M甘氨酸溶液清洗，以阻斷尚未反應(yīng)的醛基。
上述反應(yīng)過程表示如下
依照上述方法，由于電極表面與硅烷是以共價鍵結(jié)合故結(jié)合更佳。
依照本發(fā)明，當(dāng)外來氣體分子與晶體上的受體蛋白質(zhì)結(jié)合后，引起回應(yīng)頻率衰減信號，此信號再經(jīng)數(shù)據(jù)處理后以圖譜表示。將各氣味分子的圖譜繪成圖譜資料庫存入電腦存儲器中。在測量時將所測得的信號也經(jīng)數(shù)據(jù)處理后與資料庫作辨認(rèn)比較，就可達(dá)到定性及定量的功能。
以下說明依照本發(fā)明的形狀圖譜與數(shù)據(jù)處理的原理。依照本發(fā)明，形成圖譜的描述可分為兩種一種為根據(jù)頻率衰減值模數(shù)化后的描述方法;另一種則為依據(jù)斜率值的描述方法。
首先，說明根據(jù)頻率衰減值的圖譜描述方法，請參閱圖2，圖2為根據(jù)頻率衰減值模數(shù)化后的圖譜描述基準(zhǔn)設(shè)定圖式。此圖可為3軸、4軸、5軸、6軸或7軸等，視所采用的壓電晶體數(shù)目而定。圖2為說明6軸的形狀圖譜描述基準(zhǔn)設(shè)定圖的方法，圖中由三條交叉直線的交點定為軸心，稱為零點，向外以等分60°角輻射伸出六個向量軸，分別代表所使用的包覆有嗅覺受體蛋白質(zhì)、抗體、神經(jīng)受體蛋、特定有機、無機吸附物質(zhì)的壓電晶體，如圖中a、b、c、d、e、f等軸所式，各晶體的回應(yīng)頻率值經(jīng)模數(shù)化(頻率衰減值(△F)/包覆量)后所得的振幅值，再以振幅值分別于代表該晶體的軸上取對應(yīng)點，連接各點后可得一六角形形狀描述圖譜。圖形處理時另設(shè)放大值將計算所得的振幅值乘以該放大值，使描述圖譜容易閱讀。
其次說明根據(jù)斜率值的圖譜描述方法，請參閱圖3，圖3為根據(jù)斜率值(△F/時間)的圖譜描述設(shè)定基準(zhǔn)。圖中由三條交叉直線的交點定為軸心或稱零點，向外以等分60°角射伸出六個向量軸，如圖中a、b、c、d、e、f所示。自軸心向外量取50單位設(shè)定為各軸的基準(zhǔn)點，連接各基準(zhǔn)點可得一等邊六角形abcdef，此六角形表示描述圖譜的基準(zhǔn)，亦即在該基準(zhǔn)上的點無吸附或脫附現(xiàn)象發(fā)生。再于各軸向的基準(zhǔn)點開始朝內(nèi)方向表示吸附(因吸附反應(yīng)時斜率值為負(fù)值)，朝外方向表示脫附。圖形處理時另設(shè)放大倍率，將實驗所得的斜率值乘以該放大值。因此圖形的放大倍率越大，越可明顯顯示出差異性。
以下，請參考圖4，如圖表示本發(fā)明多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置之一示意圖。首先，待測定的氣味氣體由容器1吸入送到過濾裝置2，其中裝有硅膠以將待測氣味氣體中的水份除去，經(jīng)三通閥4送至本發(fā)明的壓電晶體感測器5中。在此處所用的壓電晶體為小圓板狀而晶體兩面均鍍以5-20A°的金作為電極。此壓電晶體共有7個。氣體分子就與感測器5的壓電晶體12表面上的蛋白質(zhì)薄膜產(chǎn)生專一性或選擇性吸附反應(yīng)，產(chǎn)生回應(yīng)頻率，回應(yīng)頻率信號經(jīng)由振蕩電路8送至一多通道計數(shù)器9再送入一微處理單元10，此微處理單元之中的存儲器存有各種氣味分子的形狀圖譜，送入氣體樣品的形狀圖譜可由顯示器11顯示出來。比較用的干燥無味空氣則送入裝置3的入口，裝置3的管中裝有硅膠及活性炭，以將空氣中的水分及氣味除去。6為一氣體流量計，而7為一抽真空用的真空泵。
請再參閱圖5，其為圖4中壓電晶體感測器5的測定容器的示意圖，此容器為連續(xù)式測定容器。由圖中可看出，此容器5成一圓筒型，分為上部51及下部52，待測的氣味氣體或比較用的干燥無味空氣均由入口53經(jīng)由圖4所示的三通閥4送入。7個壓電晶體12則成環(huán)狀固定在下部52之上，在下部有一氣體出口55連接至圖4中的氣體流量計6。測定容器的上部由一滲透膜54分隔開，其目的是當(dāng)氣體由入口53送入時能在緩沖區(qū)56中均勻混合后再經(jīng)滲透膜54送到區(qū)域57，以被壓電晶體12上的受體蛋白質(zhì)吸附，同時再作一次過濾。此滲透膜的厚度一般為1-5μm。而此容器本體最好用特氟隆(Teflon)樹脂制成。
以上圖4及圖5所揭示的裝置為本發(fā)明采用連續(xù)式測定之一示意圖，當(dāng)然本發(fā)明的裝置也可作為分批式測定，而作為分批式測定的批式測定容器6則如圖6所示。其也分為上部61及下部62，待測氣味氣體或比較用的干燥無味氣味氣體由入口63用注射器打入。七個壓電晶體12成環(huán)狀固定在下部62之上，在下部也有一氣體出口65。測定容器上部61也由環(huán)狀的擋板64分隔成66及67兩個區(qū)域。要作分批測定時則分次將待測樣品從入口63打入。雖然壓電晶體感測裝置比其他形式的化學(xué)分析儀器要來得靈敏，然而與大多數(shù)化學(xué)分析儀器一樣，受到干擾物的影響也很大。事實上，很難找到一種吸附性的包覆材料可以以絕對專一性地對某單一化合物進(jìn)行測定。通常只是選擇性的優(yōu)劣程度而已。因此，本發(fā)明的壓電晶體多元陣列感測裝置使用多個晶體，于其上包覆或固定各不相同的、但均具選擇性的吸附材料以代替單一感測裝置的測量方法。其優(yōu)點為對每一分析物所產(chǎn)生的陣列回應(yīng)，可以如同辨認(rèn)指紋般地被鑒定出來。同時，由于程序化學(xué)分析通常要求多成分分析技術(shù)，因此對具有專一性或選擇性高的包覆材料，多元陣列感測裝置的最大好處是可以同時定量多種成分;對僅具部分選擇性的包覆材料所制成的多元陣列感測裝置，比較傾向于定性功能。
以下舉出實施例再詳細(xì)說明本發(fā)明。
實施例1在本實施例中從牛蛙鼻腔，依照前述分離純化、重組方法得到牛蛙嗅覺受體蛋白質(zhì)粗制液，此嗅覺受體蛋白質(zhì)粗制液經(jīng)由微凝膠管柱分離成五種不同分子量的嗅覺受體蛋白質(zhì)并經(jīng)前述方法分別涂覆在壓電晶體之上，分別稱之為F25、F51、F71、F90、F100，并以FrCK(代表膜脂質(zhì))作為對照。然后對六種氣味劑β-紫羅酮(β-ionone)、(±)沉香醇(Linalool)、己酸乙酯、乙酸異戊酯、正-癸醇及正己酸各取1μl在30℃作測試，其結(jié)果如下表1所示
將此六種氣味劑的振幅值表示成形狀圖譜，其結(jié)果如圖7a、7b、7c、7d、7e、7f所示。
實施例2在本實施例中使用與實施例1相同的得自牛蛙的嗅覺受體蛋白質(zhì)并以同樣的方法分別涂覆在六個壓電晶體之上，亦同樣以F25、F51、F71、F90、F100、FrCK代表之。但在本實施例中乃是對復(fù)雜的氣體混合物酒類樣品的上部空間氣體進(jìn)行測試。
由于酒類樣品的上部空間氣體極多，大部分為醇、酯、酸、醛和酮類化合物，因此，在嗅覺受體蛋白質(zhì)上的吸附行為與實施例1的單純香味的穩(wěn)定吸附行為差異甚大。因此，在本實施例中先使用包覆有F100的嗅覺受體蛋白質(zhì)的晶體，分別對1μl-5μl的金門高粱酒-道頭(KM1-1)樣品的頻率變化情形作實驗，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，隨樣品量的增加，頻率變化越大，但均無法獲得穩(wěn)定的頻率衰減值(△F)，然而自注入3μl樣品量的頻率變化曲線，開始發(fā)現(xiàn)有一轉(zhuǎn)折現(xiàn)象(如圖上箭頭標(biāo)示處)，而于4μl量時呈明顯轉(zhuǎn)折變化，此一變化所表現(xiàn)出的吸附與脫附現(xiàn)象，是由于酒類樣品的上部空間氣體成分之間的竟?fàn)幬叫袨樗?。且均在實驗開始后的100秒至200秒之間明顯表現(xiàn)。
因此，接著對各種不同的酒類樣品均取4μl量作測試，其反應(yīng)速率斜率值的實驗結(jié)果如下表2所示。
物約50毫升，分別置于200ml之分液漏斗中，搖勻數(shù)次后，靜置5分鐘后觀察分液漏斗中之溶液是否為均勻狀。得出結(jié)果如表四
M表示完全互溶A:HCFC-141b 98.5 B:HCFC-141b 97.75M.L 0.25M.L 1.5 EtOH 2.0C:HCFC-141b 95.5 D:HCFC-141b 97.9M.L 0.5 M.L 2.0MeOH 4.0 MeNO20.1Lub C國光牌機油 Lub MMobil 潤滑油表四之結(jié)果顯示本發(fā)明組合物與大部分的有機溶劑及油脂有極佳的互溶效果，而互溶性的效果，直接的影響組合物作為清洗劑時，清洗能力的優(yōu)劣。
13CH11115110114CH131-2-4-2-9-115CH2119814116CH23-2-13-1-6-317KM11212-1-2218KM13-305-4-4019KM213112-1020KM230002-2-321KM(old)21-1-3-1-1表4群集數(shù)群集偶聯(lián)新群集假假標(biāo)準(zhǔn)化相似值之頻率 F t
2 RMS距離2038210.62※0.3140310.79064619921210.04※0.3469540.76869718CL20439.841.350.3532120.76452517171929.49※0.4007980.73280116101429.27※0.4259450.71603615CL18648.722.080.4471750.701883145728.55※0.4987600.66749313CL191138.262.570.5116640.65890412162028.35※0.5392800.64048011CL13CL1757.792.490.5616790.62554710121828.01※0.6122140.59185791228.39※0.6201990.5865348131528.98※0.6285490.5809677CL11CL1678.823.000.6463570.5690956CL14CL849.422.010.6964670.5356885CL7CL1299.912.790.7153970.5230684CL15CL5138.526.660.8016780.4655483CL4CL6177.336.300.9413070.3724622CL3CL10198.924.131.0575640.2949571CL9CL221※8.921.4864030.009065＊這些數(shù)據(jù)已被標(biāo)準(zhǔn)化至平均0，變異1均方根總樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差＝1觀察間的均方根距離＝4由該結(jié)果所得的群集偶聯(lián)(clusterjoin)及相似值(similarityvalue)再繪制成各種高粱酒及配制酒精的樹枝狀譜系圖(hierarchicaldendrogram)，如圖10所示，可以有效地量化酒類品質(zhì)。
實施例3為了檢視實施例2品質(zhì)量化的準(zhǔn)確性，將表3中的配制酒精濃度30%、45%、60%、70%的樣品作酒精濃度對相似值的回歸分析，分析結(jié)果如下表5所示。
表5酒精濃度相似值回歸后3024.693877551454640.204281633607275.7142857147010099.387755102回歸輸出常數(shù)Y之標(biāo)準(zhǔn)誤差-66.326530612R平方5.2450170716觀察次數(shù)0.9894272851自由度42X系數(shù)2.3673469388系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差0.1730406868將上表所得結(jié)果繪制成酒類濃度與相似值的比例關(guān)系，則如圖11所示。
由圖11可以看出，酒精濃度在30%(V/V)-70%(V/V)范圍時，與數(shù)值量化后所得的相似值有一良好的線性關(guān)系。此種結(jié)果證實了本發(fā)明的嗅覺生物感測裝置在酒類品質(zhì)量化的可靠性。
實施例4本實施例乃是為了探討本發(fā)明的嗅覺生物感測裝置與人類嗅覺閾值之間的關(guān)系。
在本實施例中使用從牛蛙分離出的嗅覺受體蛋白質(zhì)粗制液對β-紫羅酮(β-ionone)、香豆?jié)M(comarin)、檸檬醛(citral)、1-辛醇(1-octanal)、乙酸異戊酯、乙酸甲酯及二乙醚作測試，得到吸附量并由下式計算出上述5種氣味成分對該嗅覺受體蛋白質(zhì)薄膜的分配系數(shù)P分配系數(shù)(P)＝ (吸附量)/(測定容器內(nèi)香味物質(zhì)的飽和蒸汽量)表6即為各種氣味的吸附量與分配系數(shù)的計算結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)香味吸附在晶體電極面上的質(zhì)量約在10-7克-10-8克之間。將各香味對包覆有嗅覺受體蛋白質(zhì)的分配系數(shù)取對數(shù)值，并對人類嗅覺閾值(空氣中每毫升所含的分子數(shù))的對數(shù)值作圖，可得圖12。
由圖10可知，本發(fā)明的壓電晶體嗅覺生物感測裝置與人類嗅覺閾值之間有一良好的線性關(guān)系。
實施例5本實施例證實壓電晶體的頻率衰減確系由于嗅覺受體蛋白質(zhì)與氣味物質(zhì)結(jié)合所造成。
在本實施例中使用從牛蛙分離出的嗅覺受體蛋白質(zhì)粗制液對正-己酸作測試，比較同一個包覆有嗅覺受體蛋白質(zhì)的壓電晶體在失去活性前后對正-己酸氣味回應(yīng)的情形，去活性處理為將晶體在105℃烘箱中干熱一小時，測試結(jié)果如圖13所示。由圖上可以看出去活性化的晶體與味道分子的結(jié)合力很明顯地減弱。推測可能由于熱變性，結(jié)果導(dǎo)致蛋白質(zhì)活性受到破壞所致。
實施例6在本實施例中測試了本發(fā)明的嗅覺生物感測裝置的測試穩(wěn)定性，測試方法為對涂覆有嗅覺受體蛋白質(zhì)粗制液的晶體作一長時間的測試，先是每隔一天測試一次，連續(xù)測試12天，接著隔三個月做一次，連續(xù)二次，所得結(jié)果如圖14所示。發(fā)現(xiàn)包覆嗅覺受體蛋白質(zhì)的晶體儲存在干燥器內(nèi)，經(jīng)150天后并無明顯的靈敏度損失現(xiàn)象。
由以上說明可知，本發(fā)明的嗅覺生物感測裝置不但靈敏度高，而且對各種氣味分子的回應(yīng)頻率數(shù)值化輸入電腦存儲器中，即可用來偵測各種氣味分子，應(yīng)用范圍甚廣。不像已知儀器均只能針對某些氣味分子作偵測，或者需由香味師的嗅覺感官來作氣味鑒定辨認(rèn)。
權(quán)利要求
1.一種多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，包括(a)一個以上AT切角的壓電晶體；(b)一生物分子辨認(rèn)元件，它是擇自從脊椎動物所分離純化出的受體蛋白質(zhì)，包括嗅覺受體蛋白質(zhì)、神經(jīng)受體蛋白質(zhì)及抗體，其涂覆或固定在該壓電晶體之上以與氣味分子結(jié)合；(c)一微處理單元，其將氣味分子與該生物分子辨認(rèn)元件結(jié)合后在該壓電晶體上所產(chǎn)生的回應(yīng)衰減頻率轉(zhuǎn)換成電信號；(d)一顯示裝置，將從該轉(zhuǎn)換器送來的電信號顯示出來。
2.如權(quán)利要求1所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于，該微處理單元被設(shè)計成可于接收到在各壓電晶體上所產(chǎn)生的回應(yīng)衰減頻率(△F)信號時與在各壓電晶體上所涂覆的受體蛋白質(zhì)的涂覆量(△Mc)的信號，依△F/△Mc的式子作運算處理產(chǎn)生對應(yīng)的坐標(biāo)方位信號，并將各信號連接成一圖譜信號輸出到該顯示裝置以顯示出來。
3.如權(quán)利要求1所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于，該微處理單元被設(shè)計成可于接收到在各壓電晶體上所產(chǎn)生的回應(yīng)衰減頻率(△F)信號時與時間(t)依△F/t作運算處理，然后產(chǎn)生對應(yīng)的坐標(biāo)方位信號，并將各信號連接成一圖譜信號輸出到該顯示裝置以顯示出來。
4.如權(quán)利要求1所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于它還包括若干個振蕩電路以將由各壓電晶體所產(chǎn)生的回應(yīng)衰減頻率振蕩，以及一多通道計數(shù)器以計算該振蕩電路送來的頻率值，以輸入到該微處理單元中。
5.如權(quán)利要求1所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于壓電晶體的基本振蕩頻率在5-15MHz之間。
6.如權(quán)利要求1所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于生物分子辨認(rèn)元件為從脊椎動物分離的受體蛋白質(zhì)。
7.如權(quán)利要求6所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于生物分子辨認(rèn)元件為從牛蛙分離出的分子量在53-116千道爾頓的嗅覺受體蛋白質(zhì)。
8.如權(quán)利要求5所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于壓電晶體為小圓板狀，而晶體兩面均鍍以5-20A°的金作為電極。
9.如權(quán)利要求1所述的多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，其特征在于壓電晶體的數(shù)目為1-7個。
全文摘要
一種多元陣列壓電晶體嗅覺生物感測裝置，此裝置是將脊椎動物的嗅覺受體蛋白質(zhì)涂覆在AT切角的壓電晶體之上。當(dāng)待測氣味分子與嗅覺受體蛋白質(zhì)結(jié)合就會因質(zhì)量負(fù)載作用而使壓電晶體產(chǎn)生一振蕩頻率變化，將此振蕩頻率變化處理，轉(zhuǎn)換成電信號輸入電腦存儲器就能偵測、辨認(rèn)各種氣味分子。本發(fā)明的嗅覺生物感測裝置的偵測靈敏度可高達(dá)10-12克。
文檔編號G01D5/243GK1087994SQ9311480
公開日1994年6月15日 申請日期1993年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月20日
發(fā)明者吳宗正 申請人:蕭舜章