Как работает «электронный нос»: подробно о сложном

Идея имитировать эти принципы возникла десятилетия назад. Требовалось лишь создать «электронный нос» — набор сенсоров, которые, взаимодействуя с газовой смесью, будут реагировать на разные пахучие компоненты (одоранты) в ее составе. Срабатывая, сенсоры могут создавать «паттерн» аромата (фингерпринт), который можно сравнить с набором заранее заготовленных стандартов. «Электронный язык» должен действовать примерно так же, разве что образец в данном случае будет жидким, а вещества — не обязательно пахучими.

Создатели таких систем идут двумя принципиально разными путями. Первые добиваются высокой специфичности каждого датчика в массиве, так, чтобы каждый срабатывал на свое — и только свое — соединение. Вторые, апеллируя к принципам работы мозга, используют не столь «разборчивые» датчики, реагирующие на группы похожих молекул. Подразумевается, что если каждый датчик будет реагировать немного по-разному, то их совместное срабатывание сформирует уникальный фингерпринт. Его уже можно сравнить с набором опорных спектров и примерно оценить содержание веществ.

Но в любом случае ключевым элементом электронных носов и языков оказываются сенсоры. Их задача — перевести сигнал, возникший в виде химических реакций, в более удобную для регистрации и интерпретации форму: электрическую, химическую, магнитную, температурную... Для этого применяется восемь основных типов датчиков — кондуктометрические, амперо- и вольтметрические, потенциометрические, импедометрические, пьезоэлектрические и оптические (колори- и флуориметрические), — основанные на принципах хроматографии и/или масс-спектрометрии. Ведутся разработка и внедрение биосенсоров на базе органических полимеров и даже целых клеток.

В одном устройстве часто комбинируют элементы, работающие на разных принципах, обогащая его возможности — и затрудняя интерпретацию полученного сигнала. Впрочем, и без этого усложнения анализ данных, полученных массивом датчиков «электронного носа», остается непростой задачей. Последней тенденцией в этой области стало использование искусственных нейронных сетей. Они особенно хороши, если результат конкретного анализа непредсказуем или нет точных стандартов для сравнения данных. В процессе обучения на тестовых данных и дегустации чего-то незнакомого связи между отдельными элементами искусственной нейронной сети будут усиливаться или ослабевать, и «мозг» прибора научится распознавать новый запах.

Мы не напрасно начали с истории о дегустации. Сегодня проверка безопасности и качества еды становится самой «горячей» областью внедрения этих приборов. Действительно, одно дело попробовать кусок королевской булочки, другое — проверить, испорчена ли партия говядины, содержит ли вредные примеси вино, нет ли патогенных бактерий и грибов в пшенице. Применяющиеся для этой цели химические и биохимические, микробиологические и иммунологические методы достаточно точны, но недешевы и небыстры. Последнее особенно критично в условиях нынешнего бума на свежую еду без консервантов.

Представим молочный завод, производящий непастеризованное — «живое» — молоко. Обычные патогены цельного молока — сальмонеллы и листерии, кишечные палочки и шигеллы, возбудители бруцеллеза и кампилобактериоза. Диагностический бактериальный посев потребует в лучшем случае два дня времени: пожалуй, от непереработанного молока за это время останется мало хорошего. Впрочем, и не молоком единым. При продуманном подборе сенсоров эти электронные носы способны быстро оценивать разные продукты. Тем более что производство становится все дешевле, приближая их выход на массовый рынок. Например, компания Peres уже сейчас предлагает приобрести Food Sniffer по цене меньше $150, декларируя его способность определять испорченность или зараженность продуктов патогенами. Но это явно только начало.

Чем больше и сложнее будут становиться системы сенсоров, тем скорее электронные носы и языки начнут конкурировать даже с профессиональными дегустаторами. В этом есть рациональное зерно: человеческое восприятие субъективно и капризно, так что в некоторых нашумевших экспериментах даже лучшие специалисты, поставленные в неудобную ситуацию, оказывались неспособны отличить красное вино от подкрашенного белого, а клубничный йогурт от шоколадного. Прибор же не станет работать иначе из-за того, что поссорился с женой, не выспался, терпеть не может шпинат или на тарелке лежит не слишком привлекательное блюдо.

Обоняние — ценный диагностический инструмент медицины. Можно вспомнить массу сцен из исторических фильмов, в которых врач с опаской принюхивается к ране: не началась ли гангрена? Вообще инфекционные заболевания и новообразования часто ассоциированы с метаболическими изменениями, которые может уловить обоняние. Например, описано выявление рака легких и молочной железы, гипогликемии и астмы с использованием тренированных собак, а также обнаружение туберкулеза обученными крысами («TechInsider» писала об этих методах в статье о животных-диагностах, № 4'2016. — Прим. ред.).

Заинтересовали запахи болезни и создателей электронных носов. Наверняка многие слышали, что запах ацетона изо рта может свидетельствовать о таких неприятных заболеваниях, как сахарный диабет или тиреотоксикоз. Кроме того, можно регистрировать аммиачные соединения — признак почечной недостаточности. Электронный нос способен обнаружить и инфекционных агентов, причем весьма эффективно и на очень ранних стадиях. Например, для современного иммунотеста нужно в три раза больше белков оболочки вируса гриппа, чем для «обоняющего» биосенсора с использованием антител.

Не обошел стороной метод и онкологическую диагностику. Самым логичным применением в ней электронного носа было бы выявление рака легких. Давно замечено, что при этом онкозаболевании (впрочем, как и при астме, а также муковисцидозе) наблюдается закисление выдыхаемого конденсата. С определением изменения pH справится простейший электронный язык, дав быстрый, хотя и далеко не однозначный результат. Однако путем сравнения образцов конденсата больных и здоровых людей (а также построения моделей этих образцов) ученые уже выявили спектр из 17 летучих веществ, которые служат точными маркерами развития рака легких и поддаются распознаванию с помощью масс-спектрометрии, хроматографии и других методов.

Однако по-настоящему разборчивые электронные носы, возможно, будут работать с использованием ДНК. Как отмечают многие разработчики, эти молекулы не отличаются особой селективностью в распознавании, зато ввиду небольших различий в структуре способны по-разному отвечать на одно и то же соединение. ДНК предлагает огромную комбинаторную сложность и возможность без особых проблем синтезировать «рецепторную» молекулу из любой нужной последовательности нуклеотидов. Рабочий прототип такого прибора уже создан, он использует огромный массив молекул ДНК, связанных с флуоресцентными метками.

Такие совершенные электронные носы и языки могут стать основой для разработки достойных имплантов для замены естественных — или оснащения ими роботов. В конце концов, роботы-повара уже работают на некоторых кухнях. Но для полноценной замены людей следовать рецептам и уметь управляться со сковородой недостаточно, и робоповару понадобится научиться элементарно определять качество ингредиентов по запаху, а готовность блюда — по вкусу. В перспективе развития технологии — модификации и усовершенствования сенсорной части: ее чувствительности, селективности и стабильности. Особо активно в этот процесс вмешиваются углеродные наноматериалы с их многообещающими свойствами — монокристаллическая структура, точно определенные химический состав и пространственное строение, а также уникальные характеристики наносоединений, связанные с поверхностными эффектами. Возможно, именно графеновые и фуллереновые био- и химические сенсоры должны стать следующим шагом в исследовательском и коммерческом применении электронных носов и языков. И, разумеется, гаджеты тоже никто не отменял: китайская студентка уже предложила концепт электронного носа, совмещенного с небольшим принтером. Сканируешь блюдо, прибор ищет в базе картинку, связанную с его запахом, и ароматическими чернилами печатает ее на почтовой открытке. Ну а почему бы и нет?