傳感器應(yīng)用科學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用了類似唾液的化學(xué)抗性離子水凝膠錨定在柔軟的基材上,形成柔軟的人造舌頭,該傳感器基于簡(jiǎn)單的擦拭和檢測(cè)方法檢測(cè)飲料和水果中的澀味程度。
人造舌頭具有檢測(cè)五種基本味覺的能力,因此受到越來越多的關(guān)注,但是直到現(xiàn)在,科學(xué)家們?nèi)詿o(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中完全啟用類似于人類舌頭的仿生技術(shù)。
為了模仿人類舌頭般的澀味感,Jeonghee Yeom和韓國(guó)蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)學(xué)院能源工程與化學(xué)工程的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用了類似唾液的化學(xué)抗性離子水凝膠錨定在柔軟的基材上,形成柔軟的人造舌頭。他們將構(gòu)建體暴露于澀味化合物,并允許疏水聚集體在微孔網(wǎng)絡(luò)中形成,將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈纳频碾x子電導(dǎo)率的微/納米孔結(jié)構(gòu)。他們使用獨(dú)特的人類舌頭狀結(jié)構(gòu),檢測(cè)到單寧酸(TA)的光譜范圍廣(0.0005至1重量百分比),具有高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間。
作為概念證明,該傳感器基于簡(jiǎn)單的擦拭和檢測(cè)方法檢測(cè)飲料和水果中的澀味程度。該平臺(tái)將在類人機(jī)器人中具有強(qiáng)大的未來應(yīng)用,并且作為味道監(jiān)測(cè)設(shè)備,其研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。
水凝膠人造舌傳感器
舌頭是一個(gè)肌肉器官,它是身體最柔軟、最靈活、最敏感的部位之一,含有一系列的機(jī)械感受器和離子通道。一層幾百微米厚的唾液薄膜可以保持舌頭的水分,它含有99%的水、電解質(zhì)、免疫球蛋白和分泌蛋白的混合物。唾液在味覺感知過程中起著重要作用,它能溶解味覺物質(zhì),使其與受體細(xì)胞結(jié)合或有效地通過離子通道流動(dòng)。人類可以區(qū)分五種基本的口味,包括甜、酸、苦、咸和鮮味。水溶性味覺可以通過味覺感受器細(xì)胞或離子通道檢測(cè),這些味覺感受器細(xì)胞結(jié)合味覺化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生甜、苦和鮮味感覺后去極化產(chǎn)生電信號(hào)。對(duì)于咸味和酸味,這一過程取決于鈉或氫離子通過離子通道的流動(dòng)。
人類可以通過接觸主要存在于未熟水果、葡萄酒和茶中的多酚來感覺到澀味。它們是一種強(qiáng)抗氧化劑和消炎物質(zhì),但能引起負(fù)面的營(yíng)養(yǎng)影響或在高劑量下致死。由于攝入的收斂劑和覆蓋舌頭的鼠尾草蛋白有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,所以可以檢測(cè)到收斂劑。在口腔內(nèi),收斂劑可以與分泌的蛋白質(zhì)結(jié)合,形成不溶性沉淀物,收縮上皮,造成干燥、皺褶的感覺。到目前為止,生物工程師還沒有開發(fā)出一種完全靈活和柔軟的人造舌頭,用于選擇特定的收斂劑。
在這項(xiàng)工作中,研究人員通過引入一種軟性水凝膠人造舌,模擬了人類的收斂感知機(jī)制。它們受到人類舌頭上唾液薄層的生物啟發(fā),通過共價(jià)鍵合在柔性聚合物基底上形成同樣柔軟和薄的水凝膠膜。
人造舌中含有黏蛋白作為分泌蛋白,氯化鋰(LiCl)、聚丙烯酰胺(PAAm)和三維多孔聚合物網(wǎng)絡(luò)以方便電解質(zhì)的流動(dòng)。200微米的軟水凝膠厚度相當(dāng)于人類舌頭上的唾液層,有助于收斂劑的有效吸附和擴(kuò)散。例如,研究人員實(shí)驗(yàn)中使用了鞣酸(TA),當(dāng)TA擴(kuò)散到水凝膠基質(zhì)中時(shí),進(jìn)入的TA分子與粘蛋白結(jié)合和復(fù)合形成疏水性聚集體。這一過程將微孔凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂性鰪?qiáng)離子導(dǎo)電性的分層微孔或納米孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能成功地檢測(cè)出真實(shí)飲料的澀味程度,并能有效地監(jiān)測(cè)水果的成熟度。
澀味可檢測(cè)傳感器的工作原理。
人造舌頭具有極高的穩(wěn)定性
研究人員還利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和拉曼光譜研究了粘蛋白與單寧的結(jié)合機(jī)理,并對(duì)其化學(xué)組成進(jìn)行了研究。粘蛋白的振動(dòng)峰對(duì)應(yīng)于酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ的蛋白帶,結(jié)合單寧引起背景構(gòu)象的變化。為了設(shè)計(jì)一種使用唾液狀水凝膠和柔性電極基底的柔性化學(xué)電阻傳感器,科學(xué)家們使用聚(乙烯萘酸酯)(PEN),然后通過氧等離子體處理形成親水(親水)PEN表面,以有效地將表面附著到唾液狀PAAm水凝膠網(wǎng)絡(luò)。然后,他們?cè)谧贤饩€(UV)聚合下使用化學(xué)錨定劑在基底之間進(jìn)行共價(jià)鍵合。
在其作用機(jī)理中,流動(dòng)的LiCl離子在三維微孔網(wǎng)絡(luò)中使人工唾液膜表現(xiàn)出中等的導(dǎo)電性,而電解質(zhì)粘附在親水微孔上,離子輸運(yùn)能力差。研究人員將TA引入人工舌中,粘蛋白和TA復(fù)合形成疏水性聚集體,增強(qiáng)了離子在整個(gè)層次孔隙結(jié)構(gòu)中的傳輸,這種轉(zhuǎn)變通過增加離子導(dǎo)電性促進(jìn)了收斂性感知。研究小組通過監(jiān)測(cè)不同濃度TA下電流的相對(duì)變化來量化感官表現(xiàn)。
該傳感器具有傳感范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中具有許多潛在的優(yōu)勢(shì)。為了測(cè)試真正飲料的收斂性,科學(xué)家們使用了三種不同的葡萄酒,包括紅色、玫瑰色和白色,以及不同釀造時(shí)間的紅茶。與之前的TA一樣,他們監(jiān)測(cè)了特定的電流變化,以評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的收斂性,紅酒由于其單寧的濃度而具有最高程度的收斂性。
科學(xué)家們隨后考慮了傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。為了防止主要由水組成的唾液樣水凝膠脫水,他們?cè)谌嗽焐囝^上采用了LiCl作為導(dǎo)電和保濕劑。人造舌由于其粘液成分的存在,在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的傳感性能。雖然人的舌頭可以通過舔來檢測(cè)化合物的痕跡,但人造舌頭檢測(cè)微量分析物的能力有限。相比之下,新研制的收斂性傳感器直接分析液體分析,通過一個(gè)擦拭和檢測(cè)方案在一個(gè)靈活的擦拭過程中內(nèi)置傳感器裝置。研究小組隨后用這種裝置對(duì)未成熟的柿子進(jìn)行了測(cè)試,這種水果自然含有大量的單寧,以喚起澀味。當(dāng)他們把人造舌頭貼在柿子的心上時(shí),他們發(fā)現(xiàn)柿子的收斂性相對(duì)較高。果實(shí)成熟后,其收斂性相對(duì)較低。新裝置檢測(cè)到不同程度的收斂性,因此可以作為一種基于特定區(qū)域內(nèi)電變化的便攜式味覺測(cè)量裝置。
通過這種方式,楊正熙和他的同事開發(fā)了一種人造舌頭,完全受人類感知機(jī)制的啟發(fā)。他們利用在柔性基底上的紫外聚合制備了實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu),以觀察非凡的傳感能力。這種類似人類舌頭的裝置具有很寬的感應(yīng)范圍和低的檢測(cè)濃度限制,以及對(duì)其他特定口味的高選擇性。研究小組將該裝置暴露于收斂劑化合物中,并記錄了其作用機(jī)理。他們打算進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)成人工構(gòu)建物的蛋白質(zhì),以提高其普遍的傳感能力。人造舌頭傳感器的杰出成果使其在味覺量化或評(píng)價(jià)、味覺障礙研究以及仿人機(jī)器人內(nèi)部的集成等方面具有吸引力。
翻譯自https://phys.org/news/2020-06-soft-ion-conducting-hydrogel-artificial-tongue.html
自新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)以來,傳感器專家網(wǎng)一直密切關(guān)注疫情進(jìn)展,根據(jù)國(guó)家及地方政府的最新調(diào)控與安排,為更好的服務(wù)相關(guān)企業(yè),在疫情期間,傳感器專家網(wǎng)免費(fèi)發(fā)布企業(yè)相關(guān)文章,免費(fèi)成為傳感器專家網(wǎng)認(rèn)證作者,請(qǐng)點(diǎn)擊認(rèn)證,大家同心協(xié)力,抗擊疫情,為早日打贏這場(chǎng)防控攻堅(jiān)戰(zhàn)貢獻(xiàn)自己的一份力量。
聲明:本文由個(gè)人作者撰寫,版權(quán)歸原作者或原出處所有,觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表傳感器專家網(wǎng)立場(chǎng)。如有侵權(quán)或者其他問題,請(qǐng)聯(lián)系我們,本站擁有對(duì)此聲明的最終解釋權(quán)。
-
傳感器
+關(guān)注
關(guān)注
2542文章
50279瀏覽量
750193 -
FTIR
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
33瀏覽量
8988
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論