嗅觉是生物体与周围环境互动的五种感官之一。在进化过程中，嗅觉在生存中发挥了至关重要的作用，使生物体能够检测并解读成千上万种不同的气味信号，这些气味可能预示着食物来源、配偶、捕食者、疾病或有毒物质。数十亿年的进化促使出现了专门的蛋白质和生物结构，它们能够识别导致物体气味的挥发性有机化合物（VOCs）。
对VOCs的敏感和选择性检测不仅在生物学上具有重要意义，而且在多个领域也至关重要，包括食品质量控制、环境监测和医学诊断（Del Carlo等人，2014年；Lough等人，2017年；Seesaard等人，2022年；Khorramifar等人，2023年；Haick，2024年）。
直到1991年，嗅觉的分子基础——即生物鼻识别多种VOCs的能力，即使在化学性质相似的复杂混合物中也能实现——仍然是个谜。Buck和Axel首次描述了嗅觉是通过一组以组合方式交叉反应的嗅觉受体（ORs）来介导的（Buck和Axel，1991年）。每个嗅觉受体可以与多种气味分子相互作用，亲和力各不相同，而每种气味分子也可以激活多个嗅觉受体。这种机制使生物体能够用有限的基因数量检测到广泛的气味。
然而，有些气味分子即使在微量浓度下也能被极其特异地检测到（Buck和Axel，1991年）。这一观察结果表明，负责交叉反应识别的“广调谐”嗅觉受体得到了“窄调谐”嗅觉受体的辅助，后者的结合方式类似于基于特定识别的锁钥相互作用（Malnic等人，1999年）。
尽管在揭示生物鼻的奥秘方面取得了巨大进展，但复制其性能仍然是一个重大的科学和技术挑战。在过去四十年中，人工嗅觉技术取得了显著进展（Kim等人，2022年），包括嗅觉生物传感器（El Kazzy等人，2020年）和电子鼻（eNs）（Khatib和Haick，2022年）。嗅觉生物传感器通常使用嗅觉受体（ORs）（Hou等人，2007年；Vidic等人，2007年；Lee等人，2018年）或气味结合蛋白（OBPs）（Hou等人，2005年；Manai等人，2014年；Di Pietrantonio等人，2015年；Kotlowski等人，2018年；Hurot等人，2019年；Gao等人，2020年）。相比之下，电子鼻依赖于合成受体，如聚合物（Lv等人，2017年）、金属氧化物半导体（Nikolic等人，2020年）、纳米颗粒（Compagnone等人，2015年）、碳纳米材料（Llobet，2013年）、金属有机框架（Tietze等人，2022年；Matav?等人，2023年）和染料（Li等人，2019年）。
然而，现有系统要么仅依赖特异性识别原理，要么仅依赖交叉反应识别原理，其性能远低于生物嗅觉系统，尤其是在灵敏度和选择性方面。要实现可比的性能，需要一种新的概念方法，将这两种识别模式结合在一个能够进行实时、多重检测的集成平台上。
最近，我们的团队开发了一种基于表面等离子体共振成像（SPRI）技术和一系列交叉反应肽的光电鼻（opto-eNose）（Brenet等人，2018年；Maho等人，2020年）。该系统展示了高区分能力，包括对VOCs的单碳分辨率和手性识别。在这项研究中，我们首次将特异性识别原理和交叉反应识别原理结合在一个设备中，从而模仿了生物嗅觉系统的机制。
肽因其化学多样性、高稳定性和可调性而成为特别有前景的受体元素。通过组合具有不同电荷、疏水性和极性的天然氨基酸，可以合理设计出交叉反应寡肽，从而实现广泛的VOC识别。另一方面，噬菌体展示技术可以发现对特定分子目标具有强亲和力的高选择性肽（Smith和Petrenko，1997年；Escobar和Hou，2025年）。噬菌体展示是一种体外选择技术，可以筛选包含数十亿肽的文库，以识别高亲和力的结合剂（Smith和Petrenko，1997年）。丝状噬菌体（通常是M13型）经过基因工程改造，在其衣壳蛋白上展示随机肽，从而在基因型和表型之间建立了强大的联系。通过连续的结合、洗涤和扩增循环——称为生物淘选（biopanning）——逐渐富集出对目标具有最强亲和力的噬菌体，并对其进行测序以确定有潜力的候选肽。
在这里，我们使用pIII型噬菌体展示文库来开发针对BTEX家族（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）单环芳香族VOCs的高亲和力短肽。这些化合物由于具有毒性和致癌性，在环境和健康方面引起了广泛关注，它们既来自自然来源，也来自人类活动，如石化过程和车辆排放（Allouch等人，2013年）。选择pIII型噬菌体展示文库是因为其较低的肽价（每个噬菌体五个拷贝）有利于选择高亲和力的结合剂，而之前报道的肽是通过pVIII型文库获得的，后者通常会导致选择偏向于较弱的相互作用（Ju等人，2015年）。
传统的BTEX检测方法，包括基于吸附的预浓缩和色谱分析，虽然灵敏度高，但复杂、昂贵，不适合现场实时检测（Kim和Kim，2012年；Cao等人，2020年；Krishna等人，2024年）。因此，迫切需要紧凑且响应迅速的传感器，能够在气相中直接检测BTEX化合物（Hamdi等人，2019年）。
尽管噬菌体展示肽已成功集成到检测平台中以增强检测能力（Wang等人，2024年，2025年），但在VOC检测中应用噬菌体展示技术面临独特挑战，因为选择过程在液相中进行，而检测过程在气相中进行，而且VOCs体积小、易挥发，难以用于生物淘选。此外，肽的选择在液相中进行，而实际检测却在气相中进行。先前的研究仅取得了部分成功。例如，Sawada等人（2013年）鉴定了一种对溶液中的萘具有选择性的肽，Ju等人（2015年）使用类似苯的表面开发了针对苯类化合物的肽。Tanaka等人（2019年）后来使用pIII型文库实现了气相中的苯甲醛检测，尽管选择性仍然有限（Tanaka等人，2019年）。
在这项工作中，我们从pIII型噬菌体展示文库中选择了短而高亲和力的肽，并评估了它们在气相中检测BTEX的性能，并与之前报道的肽进行了比较。最后，我们展示了一种仿生光电鼻，该鼻子在单个SPRI平台上结合了选择性的噬菌体展示肽和交叉反应寡肽。这种双重识别设计紧密模仿了生物嗅觉机制，提供了更高的选择性、灵敏度和区分能力。这些进展共同代表了向下一代人工嗅觉系统迈出的重要一步，用于实时检测环境相关的VOCs。
