当水凝胶粒子“拥有”形状：AI解锁多重气味检测新技能

想象一下，未来的气味检测仪，不仅能像鼻子一样灵敏，还能同时分辨出多种不同的气味分子，无论是环境污染物、腐败食物的标志性气味，还是疾病的特殊挥发性信号，都无处遁形。这听起来像是科幻场景，但一项结合了合成生物学、水凝胶微颗粒与人工智能的新型传感器技术，正将其变为现实。

传统的电子鼻或细胞传感器在检测多种气味时，往往需要将不同的感应单元精确排列在芯片上，过程复杂且难以扩展。而近日，一项发表于《Small》期刊的研究，另辟蹊径地利用水凝胶颗粒的“形状” 来编码不同种类的气味感应细胞，再通过深度学习模型进行自动识别与分析，成功实现了对多种气味分子的同步、精准检测。

技术核心：当细胞穿上“形状外衣”

这项技术的巧妙之处在于其核心设计（图1）：

图1.用于气味传感器细胞多重分析的形状编码水凝胶颗粒

工程化细胞：研究人员改造了细胞，使其表达特定的昆虫气味受体，并携带钙离子敏感的荧光蛋白。当气味分子与受体结合时，细胞内的钙离子浓度会发生变化，从而触发荧光信号。

形状编码：将不同种类的工程化细胞（每种细胞识别一种特定气味）分别包裹在琼脂糖水凝胶中，并使用特制的活检针，将水凝胶制成圆形、三角形、方形等不同的几何形状。这样，形状就成了每种气味感应细胞的独特“身份证”。

混合检测：将所有形状的传感颗粒混合在一起。当加入含有未知气味分子的样品时，不同的颗粒会根据其内部细胞识别的气味，产生强弱不一的荧光。

AI赋能：一眼看穿颗粒“身份”

面对混杂在一起的、不同形状的传感颗粒，如何快速准确地判断每个颗粒的身份和其荧光信号？研究人员祭出了卷积神经网络这一AI利器。

他们训练了一个深度学习模型，能够从显微镜图像中自动识别并分类出圆形、三角形和方形颗粒，准确率高达98.4%（图2, 3）。这意味着，AI可以代替人眼，在复杂的混合体系中，毫无困难地完成“辨认身份”的任务，并精准追踪每个颗粒的荧光变化。

图2.颗粒形状识别方案的开发过程

实战表现：精准响应，交叉验证

在实际测试中，研究人员分别向混合颗粒中添加了苯酚、6-甲基-5-庚烯-2-酮和苯乙酮这三种气味分子。结果非常清晰（图3）：

A. 加入苯酚后，圆形颗粒（对应AgOR1受体）发出了最强的荧光信号。

B. 加入6-甲基-5-庚en-2-酮后，三角形颗粒（对应AaOR4受体）响应最为剧烈。

C. 加入苯乙酮后，方形颗粒（对应AaOR15受体）的荧光显著增强。

图3.基于形状的气味传感器粒子多重分析

这不仅验证了形状编码策略的有效性，也证明了不同气味受体对其目标分子的特异性响应。同时，系统也观察到了部分交叉反应，这反而模拟了生物嗅觉系统的复杂性，为未来识别更复杂的气味混合物奠定了基础。

结语

这项研究通过将生物传感、材料工程与人工智能巧妙融合，打破了传统传感器在多重检测中的设计瓶颈。它告诉我们，有时候，解决一个复杂的科学问题，并不一定需要最复杂的工具，一个简单的“形状”创意，在AI的加持下，也能化腐朽为神奇。

随着未来在颗粒编码容量、系统集成和检测通量上的进一步优化，这种“智能嗅觉”系统有望成为我们守护健康、环境和安全的新型利器。

原文链接: https://doi.org/10.1002/smll.202507903