纳米粒子增强蝗虫的嗅觉 – 物理世界

美国研究小组利用特殊设计的纳米颗粒，人为地增强了蝗虫的嗅觉。由...领着 斯里坎特·辛加马尼尼（Srikanth Singamaneni） 和 巴拉尼·拉曼（Barani Raman） 在圣路易斯华盛顿大学，研究人员的方法可能会产生一种新型的生物化学传感器。

许多不同的动物已经进化出了远远优于我们的嗅觉。即使在今天，化学传感器的最新设计仍未能赶上生物嗅觉系统的灵敏度以及区分细微不同物质的能力。

最近，研究人员试图在生物化学传感器中利用这些能力。最初，辛加马尼的团队计划用蝗虫来做这件事，蝗虫的触角上有嗅觉器官。

生物学做了艰苦的工作

拉曼解释说：“我们让生物学来做更艰巨的工作，将气态化学物质的信息转化为电神经信号。” “这些信号在昆虫触角中被检测到并传输到大脑。我们可以在大脑中放置电极，测量蝗虫对气味的神经反应，并将它们用作区分化学物质的指纹。”

然而，这种方法很快就遇到了困难。 Singamaneni 的团队发现，在不伤害昆虫的情况下，它们可以使用的电极数量以及可以放置的区域都受到严格限制。最终，这意味着他们检测到的神经信号太弱，系统无法充当可靠的化学传感器。

为了克服这一挑战，研究人员探索了如何在光热纳米粒子的帮助下增强蝗虫的神经信号，光热纳米粒子在将光转化为热方面非常有效。 “热量会影响扩散——想象一下在热咖啡中加入冷牛奶，”拉曼说。 “这个想法是利用纳米结构产生的热量来局部加热并增强神经活动。”

在这种情况下，研究小组研究了如何使用局部施加的热量来控制神经递质的释放。这些分子负责在大脑神经元之间传递电信号。

熔蜡

为了实现这一目标，他们首先将光热聚多巴胺纳米颗粒包裹在多孔二氧化硅涂层中。然后他们将该结构与含有 1-十四醇的染料混合。后者在室温下为蜡状固体，但仅在 38°C 时熔化。最后，他们将神经递质“货物”装载到纳米结构中，并将其注射到蝗虫的大脑中。

为了测试他们的方法，研究小组在蝗虫的头上放置了随机的电极阵列，并在它们暴露于不同的气味时监测它们的神经信号。当他们检测到神经信号时，研究小组随后在信号出现的地方发射近红外激光。

光热纳米颗粒吸收近红外光，将周围的 1-十四烷醇加热到其熔点以上，从而将结构中的神经递质释放到其周围环境中。

增强嗅觉

由于神经递质暂时丰富，蝗虫的神经信号暂时放大了 10 倍。这改善了昆虫的嗅觉，也将蝗虫的神经活动提高到可以通过团队的电极更准确地测量的水平数组。即使纳米粒子没有放置在最佳位置，情况也是如此。

Locust 耳膜是一个微型频率分析仪

拉曼解释说：“我们的研究提出了一种通用策略，可以可逆地增强放置电极的大脑部位的神经信号。”当不再需要信号放大时，多余的神经递质分子就会被天然酶分解。从长远来看，纳米结构将会生物降解，从而使蝗虫免受伤害。

研究人员相信，他们的方法可能是迈向新一代生物化学传感器的有希望的一步。

拉曼解释说：“它将把现有的被动方法（简单地读取信息）转变为主动方法，充分利用神经回路作为信息处理基础的能力。”如果实现的话，这将提高化学传感器的灵敏度，并提高它们区分不同化学物质的能力。

该研究描述于 自然纳米技术.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-enhance-locusts-sense-of-smell/