近日，汉王科技智能感知实验室在国际权威期刊《Sensing and Bio-Sensing Research》上发表最新研究成果。研究团队通过工程化改造人体天然嗅觉受体，构建了一种高灵敏度生物传感器，实现了对废水中关键污染物 —— 中链脂肪酸的快速、特异检测，为复杂环境水质监测提供了一条全新的仿生技术路径。
该研究以人类嗅觉系统为原型，将“感知 — 识别 — 响应”的生物机制引入环境监测领域，不仅突破了传统检测方式在实时性与现场应用上的限制，也为生物传感器的可设计化与规模化应用提供了重要实验依据。
图 1 汉王科技智能感知实验室最新研究成果01 破解废水监测困境
在日常生活中，工厂排放、市政污水中的有机物腐败常会产生令人不快的臭味。这背后有一类名为“中链脂肪酸”的物质在起作用，它们不仅是恶臭的来源之一，同时也是生产生物燃料和高附加值化学品的宝贵原料。因此，实时、精准地监测它们在废水中的浓度，对于控制污染和实现资源回收都至关重要。传统的检测方法，如气相色谱-质谱联用，虽然精准，但依赖大型仪器和复杂的样品前处理，难以在污水处理现场实现快速、连续的监测。如何能像我们的鼻子感知气味一样，快速、灵敏且特异地嗅出水中的这些物质，一直是环境监测领域的一个挑战。
02 向自然借智慧
人体嗅觉系统能辨别成千上万种气味，其核心在于鼻腔中约 400 种不同类型的嗅觉受体。它们如同高度专一的“分子锁”，能识别并结合特定的气味“钥匙”，继而向大脑发送信号。基于这一天然特性，研究团队锁定了一个名为 OR51L1 的人类嗅觉受体。他们发现，这把“锁”天生对戊酸、己酸等中链脂肪酸有不错的亲和力。团队以此构建了活细胞传感器：将 OR51L1 植入工程细胞，当废水中的目标物与受体结合，便触发细胞内荧光信号，实现定量监测。
图 2 工程化改造嗅觉受体传感器检测原理
03 精妙的蛋白质改造
初始的 OR51L1 受体虽有用，但检测范围和灵敏度仍有局限。团队决定对这把“分子锁”进行精准升级。通过计算机模拟，他们对受体与脂肪酸的结合口袋进行原子级分析。模拟显示，口袋中第 161 位的苏氨酸，其体积和极性可能阻碍了与更长链脂肪酸的结合。团队据此设计了一个巧妙的单点突变：将苏氨酸替换为更小巧、疏水的丙氨酸。这如同对锁芯进行了一次精密打磨，旨在优化内部空间，增强与疏水脂肪酸链的兼容性。
图 3OR51L1 蛋白改造前后对不同链长脂肪酸的响应情况对比
04 传感器性能跃升
实验成功制备了 OR51L1 (T161A) 突变传感器，其在模拟废水实验测试中不仅验证了其卓越性能，也微观印证了性能提升的结构机理，主要体现在：
检测谱拓宽：不仅对原有目标戊酸、己酸响应更强，首次实现了对庚酸的检测。
灵敏度与稳定性兼得：在复杂模拟废水中，对己酸的检测限低至 25 微摩尔，且在宽浓度范围内信号稳定。
抗干扰能力出色：面对其他常见杂质，传感器信号保持高度特异。
图 4 传感器在模拟废水中的响应强度与检出限结果
图 5 OR51L1 蛋白改造后性能提升的结构机理
这项基于蛋白质理性设计的仿生传感技术，其意义远超单一的废水监测。它验证了一条清晰的技术路径：通过计算模拟引导，对生物元件进行定向改造，从而定制出满足特定需求的高性能传感器。这种模块化、可编程的生物传感平台，拥有广阔的应用想象力。
未来，通过集成针对不同目标的工程化受体阵列，可以实现在精准医疗、公共卫生监测、食品工程及香精香料研发等领域的规模化应用，开启智能嗅觉的新时代。
汉王科技股份有限公司智能感知实验室
汉王科技股份有限公司于 2017 年成立智能感知实验室（Intelligent Perception Laboratory），专注于机器嗅味觉技术的前沿研发。实验室面向世界科学前沿，立足国家战略发展需要，坚持自主创新与前沿交叉并重，融合基础研究与应用研究，致力于推动科技、教育、产业与社会的协同进步。目前，实验室汇聚了来自杜克大学、清华大学、中科院自动化所等国内外知名高校与科研机构的研究人员，组建了一支涵盖神经生物学、生物技术、分析化学、计算化学、人工智能、精密仪器、控制科学与工程等多学科交叉的高水平人才队伍。实验室聚焦于人类“五感”中尚未被完全数字化的化学感知功能 —— 嗅觉与味觉，开展前沿探索与技术攻关。目前已成功研发出 1500 余种仿生嗅味觉细胞传感器，并构建了集感知与计算于一体的嗅味觉数字化技术平台。该平台在食品、烟草、酒类、香料香精、安检、环保、医疗等多个领域具有广泛应用前景，为国家技术创新与产业升级提供重要支撑。
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