文摘
我们描述的测量声表面波速度(看到)来识别五个有气味的分子通过使用看到设备系统。我们得到一个新的频率方程锯锯设备系统中的传播Cynops pyrrhogasterlipocalin (Cp-Lip1)蛋白质,以识别五个有气味的分子,R-limonene (R-Lim)丁酸乙酯(Eth) 2-isobutylthiazole (Iso),苯甲酮(本),和2-acetylthiazole (Ace)。我们开发了一个方法来识别这些有气味的分子结合Cp-Lip1气味结合蛋白。频率方程可以令人满意地预测不同气味分子Cp-Lip1看到设备。此外,我们的数据表明,锯主要的传播速度与密度和浓度Cp-Lip1有气味的分子混合物。在同一样品浓度,传播速度取决于密度。同样的有气味的分子,传播速度随浓度增加而减小。
1。介绍
在过去的几十年里,气味传感器面向生物功能吸引了相当大的兴趣。设备被称为一个气味传感器通常是基于一些传感原理,多传感器系统和一个传感器是用来显示漂移和缺乏敏感度。这将导致明显的缺陷在传感器阵列校准和再现性。生物实用气味传感器结合传感技术和生物嗅觉原理改进的人工识别气味,因此更接近生物嗅觉的良好的性能。生物的实用气味传感器与传感器的鼻子需要满足各种应用的需要的生物电子鼻系统。在某些情况下,生物的实用气味传感器可以用于医学应用、生化研究和环境监测。电化学方法、光学方法和声学技术用于生物是面向功能的气味传感器(1]。在这些方法中,声学技术最近气味传感器系统得到广泛的重视,因为他们的高灵敏度、快速检测,和安全2- - - - - -4]。声表面波(看到)设备,瑞利波传播,也为生物研究面向功能的气味传感器(5]。
然而,看到设备传感器有气味的媒介解决方案有一定的缺点,和值得投资努力解决这些缺点。生物的实用气味传感器的发展是一个持续的挑战由于有气味的分子的疏水性(6,7]。实验调查表明嗅觉受体有气味的分子可以直接结合有气味的分子,但大多数有气味的分子是低分了化合物的挥发性和疏水性8- - - - - -11]。然而,尽管一些承诺通过这些实验进展,进一步理论研究仍然需要看到设备传感器(12- - - - - -14]。
在各种气味传感器、看到设备传感器已成为一个有趣的候选人,因为它们波能集中在压电材料表面的能力(5]。特别是,看到设备传感器的高频应用的范围100 MHz几个GHz (4]。看到设备也被用作气体探测化学传感器(15- - - - - -17]。他们因此被用作生物目标面向功能的气味传感器。
要克服的问题由于有气味的分子的疏水性,我们认为是非常重要的使用气味结合蛋白看到设备传感器。气味结合蛋白是蛋白质水溶性小,可以绑定和溶解气味在水环境中(11]。虽然很少有研究报道使用气味结合蛋白(18,19)或基于气味结合蛋白肽(20.),我们所知,还没有报告发现报道看到设备传感器基于气味结合蛋白的应用,除了只有一个研讨会报告21]。我们使用Cynops pyrrhogasterlipocalin (Cp-Lip1)蛋白在蝾螈发现一个气味结合蛋白,可以结合各种疏水有气味的分子(11]。
Cp-Lip1看到设备系统指的是不同的有气味的分子绑定到Cp-Lip1气味结合蛋白在看到设备。验证的有效性Cp-Lip1看到设备系统作为生物的实用气味传感器,我们实验观察到看到设备具有不同的传播速度有气味的分子绑定到Cp-Lip1蛋白质。我们还从理论上计算声表面波的传播速度传播的设备。有两个锯的一般模式,也就是说,瑞利波和漏水的瑞利波传播在看到设备5]。瑞利波的频率方程计算了1960年(22]。自那时以来,许多研究也集中在漏水的瑞利波(23]。然而,这些研究没有提供漏水的瑞利波的频率方程。因此,在这里,我们推导出漏水的瑞利波的频率方程基于弹性波传播理论。漏水的瑞利波辐射的纵波液体(23]。因此,固液界面的边界条件从理论上阐述了。然后,实验结果的Cp-Lip1有气味的混合与相应的理论结果进行了比较和分析。
理论上计算传播速度,很难精确定义的总密度有气味的媒介。为了克服这个问题,我们采用的总质量和总量的计算。计算总质量的至关重要的方面是Cp-Lip1有气味的混合质量。此外,液体的纵波的传播速度也应计算。我们解决了这些问题,通过计算的总量有气味的媒介。
本文组织如下。节2,我们推导出频率方程的声表面波速度传播看到设备传感器。我们观察的锯在锯设备Cp-Lip1有气味的混合物用作液体介质。然后我们分析Cp-Lip1看到设备系统的实验结果。部分3提出了一种比较理论和实验结果,最后,在部分4,我们将讨论这些结果并提出本研究的结论。
2。材料和方法
2.1。材料
在这篇文章中,我们考虑一个Cp-Lip1看到设备系统识别五个有气味的分子。该系统是基于Rayleigh-type看到设备开发的半导体器件的研究实验室室兰理工学院(5]。我们测量不同种类的Cp-Lip1 Rayleigh-type看到设备上有气味的混合物。因此,该设备被称为Cp-Lip1看到设备,如图1。Cp-Lip1看到设备系统使用剪切水平(SH-SAW)模式。一个叉指式换能器(IDT)可以处理电信号通过压电效应[锯5]。我们使用Cp-Lip1看到设备的频率为157.6 MHz。压电衬底层42 y-45x ST-cut石英。两个IDT电极之间的距离是25.00毫米。五Cp-Lip1有气味的混合物被放置在一个槽上Cp-Lip1看到设备。槽的宽度和高度是0.41毫米和0.26毫米,分别。
看到设备检测有气味的东西,速度变化由于气味结合应该测量。作为研究的第一步,Cp-Lip1和有气味的预拌形成Cp-Lip1有气味的混合物,和(速度Cp-Lip1有气味的混合物)速度变化是由于气味结合的测量不同瑞利波和总表面声波的速度,当Cp-Lip1有气味的混合物在槽。表1介绍了五个实验中使用的有气味的分子。这些有气味的分子结合Cp-Lip1蛋白具有高亲和力(24]。Cp-Lip1蛋白质的分子量约为18604.56,比这高得多的有气味的分子。示例解决方案,Cp-Lip1和有气味的混合物,是由绑定Cp-Lip1和五个有气味的分子之一,本报告中使用的测试Cp-Lip1看到设备。此外,三羟甲基氨基甲烷(羟甲基)氨基甲烷或THAM缓冲液被用来稳定有气味的介质的pH值。三羟甲基氨基甲烷基础液的分子量为121.14,密度是1.353克/厘米3。这五个样品的解决方案被用来分析声表面波的速度Cp-Lip1看到设备。
2.2。方法
声表面波速度由于Cp-Lip1看到设备,并推导了计算公式。然后测量实验的速度看到通过使用Cp-Lip1看到设备系统。众所周知,一些研究分析了各向同性模型(25,26]。然而,他们不直接计算弹性波的传播速度,利用液体的密度和基质材料的泊松比。图2显示了锯传播Cp-Lip1看到设备和传播距离的看到的。在石英衬底上的液体时,看见IDT产生漏水的瑞利波的传播。波传播的纵波散发到液体。辐射角纵波的液固界面是漏水的瑞利角,它是表示θLR在这篇文章中。如果装有液体槽,漏水的瑞利波从耦合波事件兴奋的液体。波能量散失照射到液体由于耦合相互作用。液体和固体之间的交互耦合效应的界面也会影响声表面波的传播速度。
考虑一个点P (x,y,z)在一个各向同性固体和假设一个理想的固体。固体材料的密度ρ年代,一个各向同性固体只有两个弹性常数,也就是说,蹩脚的常数,λ和μ,其中μ也被称为刚性或剪切模量22]。假设点P是流离失所,位移的坐标是(u,v,w)。不支持运动方程的横波对理想液体。这些方程将感到满意,如果潜在的功能ϕ和φ我(我=x,y,z)是波方程的解决方案。波方程 在哪里cd和ct是纵波和横波的速度,分别的衬底Cp-Lip1看到设备。液固界面的边界条件是液体的压力等于固体的正应力,和横向应力为零22]。推导出方程描述了声表面波运动Cp-Lip1看到设备,我们再考虑体积元素的平衡。然后,我们有三个方程ρ年代和x,y,z表面方向积极协调面临的方向。这些方程, 适用于各向同性和各向异性材料。我们将这些边界条件插入到潜在功能和计算的频率方程。假设漏水的瑞利波的传播速度cLR和液体介质中纵波的速度cl。Cp-Lip1看到设备的频率方程 在哪里j是一个复杂的数字。泊松比之间的关系(ν)的基质Cp-Lip1看到是 在哪里cd和ct是纵波和横波的速度,分别的衬底Cp-Lip1看到设备。在(3),当ρl是零,右边的方程变成了零。换句话说,它成为了频率方程vacuum-solid Cp-Lip1看到设备的接口。这种表面波被称为瑞利波(22]。此外,它被观察到3)有8个复根和两个实根。一双真正的根显示了漏水的瑞利波的传播速度。前面提到的θLR取决于ct和cl。由斯涅尔定律
我们观察到,(3)可用于理论计算声表面波的传播速度的Cp-Lip1看到设备。然而,更重要的是,它应该澄清的密度Cp-Lip1有气味的混合物。有气味的介质的体积和质量是用于这些计算。
传播距离的锯Cp-Lip1看到设备如图2。可以看到,几何关系 槽的宽度和高度在哪里吗l和H,分别。瑞利波的传播距离,漏水的瑞利波,纵向DR,DLR,Dl,分别。液体的传播速度c液体取决于漏水的瑞利波的传播速度和纵波。因此,它是计算
我们的理论是通过实验研究验证的。是锯的传播时间的测量Cp-Lip1看到设备。在自由表面瑞利波的传播。因此,它是测量Cp-Lip1看到没有槽的装置。瑞利波的传播时间可以计算为一个区间通过分析输入和输出信号之间的互关联系数。互相关的峰值对应的区间。这个区间被认为是瑞利波的传播时间。漏水的瑞利波和纵波传播Cp-Lip1看到设备上时,液体槽。可以测量的速度Cp-Lip1有气味的混合物通过瑞利波之间的速度差异和表面声波的总速度当Cp-Lip1有气味的混合物在槽。
纯水作为标准的解决方案。10μ在10 M的Cp-Lip1蛋白质μ米三羟甲基氨基甲烷缓冲液作为绑定解决方案。示例解决方案是由绑定Cp-Lip1绑定解决方案和五有气味的分子,它是用于识别不同的有气味的分子Cp-Lip1看到设备。气味,R-Lim乙,Iso,本,和高手在这个实验0.1毫米或1毫米。图3显示了传播速度的测量设置的锯Cp-Lip1 Cp-Lip1看到设备有气味的混合物。标准的解决方案和示例解决方案被放置在槽。我们在每个解决方案测量波30倍。信号处理方法的细节如下:(1)同步输入信号,确定相应的输出信号;(2)同步添加信号来确定准确的测量信号;(3)通过分析互关联系数计算信号延迟时间;(4)计算的传播速度看到基于延迟时间;(5)和基于信号的计算标准偏差测量30倍。
3所示。结果
图4显示了泊松比之间的关系和无量纲速度。图中的虚线和实线显示了漏水的瑞利波和瑞利波的传播速度,分别。理论结果表明,无量纲速度的漏水的瑞利波速度比的瑞利波在同一衬底。从以往的研究结果也同意瑞利波(22]。这也证明我们的理论结果是显著可靠。此外,理论计算了瑞利波的速度(3)。图5显示了瑞利波的传播速度在不同的材料。石英用于我们的实验的泊松比是0.266。理论计算结果表明,瑞利波的传播速度是3118米/秒的石英衬底。为了证实这一结果,我们测量了瑞利波在Cp-Lip1看到设备没有槽。图6显示测量信号没有样本时Cp-Lip1看到设备和互关联系数。实验数据表明,输入和输出信号的延迟时间是8.235μ年代。因此,瑞利波的实验速度是3036米/秒。这个结果也非常密切地与理论计算的结果。这表明理论结果可以帮助我们识别不同的有气味的分子。
我们进行了一个分析来识别不同的有气味的分子之间的差异。为此,标准溶液和样品溶液在Cp-Lip1相比看到设备。数据7和8显示测量信号的标准和绑定解决方案(10μ在10 M Cp-Lip1蛋白质μ三羟甲基氨基甲烷缓冲液)Cp-Lip1看到设备的互关联系数,分别。本质上,输入和输出信号的延迟时间是一个标签的时间与液体传播时间的团体,其中包含漏水的瑞利波的传播时间,纵向波和瑞利波。因此,液体的传播速度计算通过使用(7)。计算结果表明,标准溶液的速度是2068米/秒,和绑定解决方案的速度是1168米/秒。
然后我们比较样品的实验和理论结果的解决方案。图9显示了五个样品的看到速度Cp-Lip1看到设备解决方案。Cp-Lip1绑定解决方案的实验结果与理论结果在良好的协议,这表明Cp-Lip1看到设备的频率方程能够成功识别Cp-Lip1看到设备的有气味的分子。当浓度是一样的,样品溶液的传播速度取决于密度。密度增加时,传播速度也增加。结果说明,在相同浓度不同的有气味的分子可以被识别,因为传播速度和密度Cp-Lip1看到设备是线性相关的。在不同浓度,传播速度的0.1毫米R-Lim,乙,Iso,本,和Ace绑定解决方案是比在1毫米。浓度较高时,速度慢。这些结果说明Cp-Lip1看到设备的频率方程是有效的。没有明显差异的实验和理论速度乙,Iso, Ben和王牌。值得注意的是,实验R-Lim速度比理论速度较慢,但差异不显著。 The results may be related to the internal structure of the odorant molecule solutions. Our study provides considerable insight into the Cp-Lip1 SAW device system. These results offer invaluable evidence for the biological function-oriented odor sensors with surface acoustic waves and hydrophobic odorant molecules.
4所示。讨论和结论
本研究的主要目标之一是开发一种方法预测Cp-Lip1有气味的分子蛋白质Cp-Lip1看到设备的速度。我们的数据表明,声表面波的传播速度在很大程度上是与液体密度和浓度有关。我们最初认为有气味的分子的密度等于Cp-Lip1的有气味的分子。然而,更仔细的分析调查发现,总有气味的介质的密度影响实验结果。这些发现因此需要仔细解释。
我们的研究结果并不完全符合我们的预期。我们意识到,我们的研究有两个局限性。首先需要定义的总密度Cp-Lip1有气味的分子。其次,需要有相同的浓度测量有气味的分子。这些限制是证据的理论计算和实验数据收集困难。虽然我们的研究是基于有限的浓度Cp-Lip1有气味的混合物,最后的结果表明,Cp-Lip1看到设备系统可以识别不同的有气味的分子。我们的研究提供了进一步的证据,看到生物面向功能的气味传感器研究的理论。
在本文中,我们提出了一个看到Cp-Lip1看到设备系统的理论研究。我们确定一个新的数学公式估算的速度锯,Cp-Lip1看到传播的设备。进展在我们的新方法,新方法,我们已经考虑到液体的性质,如密度、浓度,和弹性,有效改善细化锯的计算速度。我们发现的理论和实验传播速度Cp-Lip1有气味的分子是几乎相同的。我们获得令人满意的结果,证明我们的频率方程可以预测不同气味分子Cp-Lip1看到设备。我们希望我们的研究将是有益的在解决生物问题的实用气味传感器。此外,我们相信,有气味的转移可以通过使用这种解决Cp-Lip1看到设备系统。我们的研究提供了一种新方法的基础上开发生物面向功能的气味传感器。
我们的研究表明,有气味的分子的浓度有显著影响的识别不同的气味。我们希望我们的理论计算不会影响将来有气味的浓度。令人惊讶的是,同样的有气味的分子,传播速度随浓度增加而减小。这对于未来的研究是一个重要的问题。我们的结果是有前途的,应该通过一个更大的样品溶液进行验证。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是支持的部分科研补助金(c) (16 k07431, 25440164)从日本社会科学(jsp)和促进科学研究补助金在创新领域(研究提出的研究领域,24120006)Tatsuo埃瓦萨。作者还要感谢一Ogawa博士好水晶有限公司,日本,为他提供了实验数据和宝贵的建议。