Электронный нос и электронный язык
Электронный нос и электронный язык
Качество продуктов питания определяется совокупностью свойств, обусловливающих их пригодность в удовлетворении определенных потребностей человека в соответствии с назначением. Для оценки потребительских достоинств пищевых продуктов широко используются сенсорные, или органолептические, методы, основанные на анализе ощущений органов чувств человека. Выяснение принципов функционирования биологической системы обоняния позволило сформулировать подходы к созданию на основе датчиков таких технических средств для анализа газового состава, которые сравнимы по эффективности с биологическим аналогом, называемых в литературе приборами вида «электронный нос» [6].
«Электронными носами» принято называть мультисенсорные системы распознавания газообразных веществ, работающие на различных физических принципах, в частности портативные анализаторы подвижности ионов, портативные газовые хроматографы. В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективных чувствительных элементов, «электронные носы» используют набор относительно неселективных сенсоров. Реализация систем типа «электронный нос» возможна благодаря современным технологиям наноэлектроники и методам обработки многопараметрической информации [2].
«Электронные носы» используются во многих областях, но необходимо подчеркнуть важность их применения в отношении продуктов питания (рис. 1).
ЭН внедряются в область пищевой промышленности с целью контроля качества, процесса мониторинга, оценки свежести продуктов, определения срока годности и т.д. Тем не менее реальные масштабы применения устройств данного типа в этой области являются все еще низкими вследствие сложности химического состава ароматов пищи, представляющих собой смесь многих различных пахучих молекул, которые находится в различной концентрации.
Общая функциональная схема «электронного носа» представлена на рис. 2.
Рис. 1. Области применения мультисенсорных систем типа «электронный нос»
управляющий сигнал; 
исследуемый газ; 
информативный сигнал
Рис. 2. Общая функциональная схема «электронного носа»
Принцип работы заключается в осуществлении отбора пробы из среды контроля с помощью универсальных или специфических устройств пробоотбора с ее последующей подготовкой для газового анализа. Проведение газового анализа, как правило, осуществляется при стабилизированном расходе потока исследуемого газа, а полученные информативные сигналы с матрицы газовых сенсоров подвергаются дальнейшей обработке с помощью специализированного программного обеспечения для выделения полезных составляющих и определения их количественных характеристик.
В исследованиях [3 – 6] проведены эксперименты с целью определения возможностей современных «электронных носов» для задач контроля свежести, определения качественных показателей пищевых продуктов, определения фальсификата, классификации продуктов питания по различным показателям.
Например, с целью решения задачи классификации образцов кофе с различным уровнем обжарки возможно использование услуг дегустаторов с различным уровнем мастерства и подготовки. Однако данный способ ведения контроля качества является очень субъективным. В связи с этим целесообразно использование «электронного носа» в кофейной отрасли при анализе различных видов кофе, оценке качества кофе с целью определения лучшего периода для упаковки, выявления различных марок и смесей и др.
В работе [6] для демонстрации результатов распознавания кофе «электронным носом» «ЭНОС» (рис. 3) в исследовании использовался миндальный тип кофе Арабика. «ЭНОС» состоит из камеры концентрации, а также матрицы газовых сенсоров, обнаруживающих летучие соединения, электронной системы управления, программного обеспечения обработки данных, объединенных в одном блоке. Газовый датчик представлен набором из 8 металло-оксидных полупроводниковых (МОП) сенсоров фирмы Figaro. Сенсоры на основе МОП обладают очень высокой чувствительностью, быстрым временем реакции и восстановления. Хотя сенсоры на основе МОП реагируют на широкий спектр летучих веществ, они лучше позволяют распознать альдегиды, спирты и кетоны и менее чувствительны к молекулам ароматических соединений и органических кислот. Принцип действия таких сенсоров основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников на основе оксидов олова, цинка, титана, вольфрама, индия и иридия, легированных металлами с каталитическими свойствами (палладий, платина) при повышенной температуре в присутствии анализируемых газов [1].
Рис. 3. Внешний вид «электронного носа» «ЭНОС» с камерой концентрации
Результаты измерений показали, что «электронный нос» может быть использован для контроля качества кофе, так как удалось классифицировать по степени обжарки большинство образцов. Однако образцы зеленого кофе не были классифицированы оборудованием из-за низких концентраций летучих компонентов кофейных зерен, что говорит о необходимости повышения порога чувствительности сенсоров.
Качество вина связано с его основными характеристиками: визуальной, вкусовой или ароматической. Это отражается на его цене. Среди недостатков вина выделяется один наиболее важный – чрезмерная концентрация уксусной кислоты, способной скрыть аромат и вкус, снижая тем самым качество вина и делая его менее привлекательным, иногда даже непригодным для питья. Таким образом, очень важно для винодельческой промышленности иметь методы исследования, обеспечивающие мониторинг чрезмерной концентрации уксусной кислоты в вине в реальном времени.
Для проведения исследования [2] концентрации уксусной кислоты в вине использовался портативный «электронный нос» PEN3 в сочетании с пробоотборником Headspace HSS32 (рис. 4). Портативный «электронный нос» (PEN3) состоит из аппарата отбора пробы, датчика, содержащего множество сенсоров, и программного обеспечения распознавания образов для записи и обработки данных. Датчик состоит из 10 МОП химических сенсоров. Было доказано, что сенсоры, установленные в «электронном носе» PEN3, способны обнаруживать присутствие уксусной кислоты в 10 %-х водных растворах этанола при концентрации большей или равной 2 г/л. Для более качественного анализа необходимо также повышать порог чувствительности сенсоров.
Рис. 4. Внешний вид электронного носа PEN3
Свежесть мяса является одним из важных показателей его качества и безопасности. Определить степень свежести на начальных стадиях порчи очень сложно и вместе с тем это очень важно с гигиенической и экономической точек зрения. На практике ученые и технологи пытаются контролировать или изменять некоторые параметры (например, температуру), чтобы либо продлить срок хранения мяса, либо создать новые продукты с приемлемым сроком годности.
Для анализа качества мясных продуктов в исследованиях [4] была применена система «электронный нос» Cyranose 320 (рис. 5), состоящая из 32 сенсоров на основе проводящих полимеров (ПП). Исследовались образцы говядины в вакуумной упаковке, которые были переупакованы, имитируя условия розничных магазинов, и хранились при температуре 4 °С и 10 °С после прививки им сальмонеллы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что «электронный нос» может определить образцы мяса, инфицированные сальмонеллой при уровне концентрации 0,7–2,6 log10 КОЕ/г. Точность классификации образцов двух выбранных типов мяса с помощью сенсоров на основе ПП достигает 95 %.
Рис. 5. Внешний вид «электронного носа» Cyranose 320
Свежесть также является наиболее важным фактором для контроля качества рыбы. Традиционно оценка качества рыбы была основана на органолептических испытаниях. Этот тип тестирования является субъективным, даже если выполняется опытным и хорошо обученным персоналом. Использование для оценки «электронного носа» FishNose дало следующие результаты: уровень классификации в диапазоне между 93 % и 95 % для свежих образцов, тогда как для старых образцов значения колебались от 81 % до 93 % [3].
Молочная промышленность использует различные проверки качества, которые включают химические или физические анализы: определение жира, оценку осадка, определение количества бактерий, определение температуры замерзания, белка и т.д. Тем не менее, большинство из этих измерений являются дорогими и трудоемкими. На рынке молока и молочных продуктов, пользующихся стабильным спросом, находятся сотни его наименований и многие из них активно рекламируются, поэтому соблазн подделать или увеличить объемы молока и молочной продукции путем разбавления водой всегда имеется как у продавца, так и у производителя молочной продукции. Этот процесс разбавления молока водой (или обезжиренным молоком, нейтрализующими веществами) называется фальсификацией.
В работе [3] представлены результаты распознавания фальсификации молока с использованием «электронного носа» PEN2. «Электронный нос» был в состоянии различать фальсифицированное обезжиренное молоко с различными объемами воды и восстановленного молока, а также определить образцы обезжиренного молока, хранящиеся от 1 до 4 дней, однако не в состоянии различить образцы, хранящиеся в течение 5–7 дней.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что потенциал для дальнейшего развития и новых применений устройств «электронный нос» для пищевой промышленности огромен, новые технологические открытия в конструкции электронного датчика позволят ускорить развитие новых возможностей газового зондирования. Текущая тенденция развития «электронных носов» для конкретных узких применений, вероятно, продолжится, потому что такие инструменты дешевле и обеспечивают большую полезность, производительность и эффективность в операциях газового зондирования в специализированных промышленных применениях. Для успешного решения многих из перечисленных задач технологии, применяемые при изготовлении «электронного носа», должны быть значительно более совершенны [1].
Главное направление совершенствования системы типа «электронный нос» – миниатюризация датчиков в сенсорной системе, а также повышение порога чувствительности и снижение стоимости. Представленным условиям удовлетворяют сенсоры на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), которые реализуются с применением современных фотолитографических технологий, развитых в микроэлектронике, что определяет технологические и стоимостные преимущества ПАВ по отношению к другим типам сенсоров [7].
Как работает «электронный нос»: подробно о сложном
Восприятие человеком запаха и вкуса устроено даже сложнее, чем зрение или слух. Причиной тому — великое разнообразие рецепторных клеток: в носу их число достигает 50 млн, на языке — 400−500 тысяч, и у каждой свой набор чувствительных рецепторов. При контакте с определенными молекулами некоторые из них активируются, возбуждая рецептор. Этот сигнал поступает на «вышестоящие» нейроны, каждый из которых связан сразу со множеством рецепторных клеток. Восприятие создает специфический паттерн, шаблон активации нейронов, который интерпретируется головным мозгом.
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.
«Сердце» носа
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.
Нос в молоке
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.
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.
Болезненный запах
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 («Популярная механика» 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.
Нос широкого профиля
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?
Нос и язык, которым нужны батарейки
Автор
Редактор
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Говорят, что рыба ищет, где глубже, а человек — где лучше. А умный человек — где не только лучше, но еще и проще. Столкнувшись с неизвестной субстанцией, самым прямым путем ее распознать будет попробовать или понюхать. Однако если по ряду причин поступать так не хочется (см. заглавную картинку) или не очень-то получается, тут стόит начать придумывать что-то получше. Путем нехитрого синтеза получаем не простые нос и язык, а электронные. Чтобы могли почуять и сорт вина, и загрязненность воздуха, и онкомаркеры.
Обратите внимание!
Эта работа опубликована в номинации «лучшая обзорная статья» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Развитие электронных носов и языков началось еще на заре 20 века с создания теории ионного обмена. Придуманное на этой базе техническое устройство — всем нам знакомый pH-метр. Время шло, и с ним были изобретены еще несколько датчиков на основе полупроводниковых технологий. Все они базировались на одном принципе: переводе химического сигнала в электрический.
Используя накопленный багаж знаний и технологий, в 1982 году Персод и Додд сконструировали первый электронный «нос», который состоял из трех полупроводниковых сенсоров на основе оксидов металлов и мог различать до 20 одорантов (отдельных пахучих веществ). А в 1995 году был представлен и первый электронный «язык» — совместная разработка российских и итальянских ученых, — способный качественно и количественно оценивать состав жидкой смеси [1].
Определение понятия «электронный нос» появилось еще в далеком 1988 году, однако оно используется в неизменном виде и сейчас: это аналитическое устройство для быстрой регистрации и идентификации смеси одорантов, имитирующее принципы работы человеческого носа. Идея достаточно проста — химические сенсоры, взаимодействуя с газообразной смесью, создают определенный «ароматный» профиль (как сейчас модно говорить, фингерпринт), который сравнивается с уже существующим стандартом (рис. 1).
Рисунок 1. Получение фингерпринта для определения рака легких и степени свежести рыбы.
Примерно такие же процессы происходят и в мозге человека, уже знакомого с определенным спектром запахов. Впрочем, как и наш нос, он способен обучаться, запоминая новые запахи. Забегая вперед, это и составляет суть всего метода: сперва вычленяют спектры веществ при нормальном и нежелательном состояниях, а затем сравнивают опытный образец с этими стандартами. Однако на этом сходство заканчивается — в устройстве и деталях работы наше и электронное обоняние совсем не похожи (рис. 2).
Восприятие человеком запаха и вкуса устроено несколько сложнее, чем зрение или слух. Причина кроется в количестве и разнообразии рецепторных клеток. В носу число ресничных клеток, реагирующих на молекулы пахучих веществ, достигает 50 миллионов, на языке их 400-500 тысяч, и на каждой из них могут быть рецепторы к разным молекулам. Все эти клетки различаются по содержанию рецепторов к конкретным веществам. При взаимодействии со сложной смесью веществ (а в жизни мы чаще всего и встречаемся со сложными вкусами и запахами) активируются лишь некоторые из них. Более того, возбуждение в сенсорных клетках передается от специфического рецептора через довольно сложную систему внутриклеточной сигнализации (в отличие от электронных сенсоров, объединяющих рецептор и передатчик «в одном флаконе»). Это генерирует потенциал действия, который принимают вышестоящие по иерархии нейроны, причем каждый из них взаимодействует не с одной, а с несколькими рецепторными клетками. Таким образом формируется специфический паттерн активации, в дальнейшем интерпретируемый в соответствующих центрах коры головного мозга. Стоит отметить, что восприятие вкуса тесно переплетено с обонянием; также в распознании вкуса участвуют термо- и механорецепторы [2]. Очевидно, что точно скопировать количественное и качественное содержание химических сенсоров (а также скопировать их взаимодействия при передаче сигнала) довольно трудно. Поэтому большинство сконструированных электронных носов имеет лишь ограниченную область применения, оперируя примерно 30 сенсорами за раз — с определенной степенью точности и специфичности. То же справедливо и для электронного языка, разве что образец в данном случае будет жидким, а вещества — не обязательно пахучими.
Рисунок 2. Сравнение устройства нашего и электронного носов. Рисунок с сайта www.nature.com.
Так что же можно найти внутри «носа» и «языка»?
В общем представлении электронные нос и язык состоят из четырех компонентов [3]:
Рисунок 3. Нюхоскоп профессора Фарнсворта (м/с «Футурама») вынюхивает даже космический мусор.
Со стороны функциональной организации «носов» и «языков» существует два основных подхода к дизайну. Первый основывается на высокой специфичности (строго к своему соединению) каждого датчика в массиве. Таким способом мы получаем дискретные сигналы от каждого из сенсоров — есть вещество или нет — и по ним делаем выводы о составе смеси. Второй подход предполагает использование рецепторов с меньшей «разборчивостью» в плане регистрации молекул. Но если все сенсоры будут немного разными, они будут давать немного различающийся ответ на одно и то же соединение. Для детекции чаще используют первый подход: при диагностике люди обычно знают, что они хотят или чего не хотят обнаружить. Но и второй вариант находит своего исследователя (об этом чуть подробнее рассказано в последней части статьи).
Но каким бы ни был подход, в большей степени определять работу прибора будет массив сенсоров, так как именно тип и количество элементов в нём отвечают за точность регистрации и разнообразие воспринимаемых молекул. В процессе сбора информации сигнал переводится из формы химических реакций в другую: электрическую, химическую, магнитную, температурную.
Пока же рассмотрим важнейшие характеристики сенсоров разных типов.
Рисунок 4. Схематическое устройство биосенсора.
Распробовать, затем понять
Упомянутые элементы вполне могут быть объединены в массивы или cкомбинированы в одном устройстве, тем самым расширяя обонятельные и гастрономические возможности приборов; тип и количество сенсоров будут определять область применения конкретного «носа». Ожидаемо, что при обогащении сенсора датчиками получаемая от них информация становится всё больше похожа на беспорядочный поток данных. А значит, и метод анализа этого хаоса должен быть значительно хитрее, чем у односенсорного прибора (рис. 5) [9].
Рисунок 5. Обработка информации о сложной смеси веществ. Рисунок с сайта www.researchgate.net.
Умный анализатор сперва осуществит предварительную оценку и корректировку полученного сигнала, уберет шумы. Затем запустится и сам анализ. Самым простым его вариантом будет графическое отображение гистограммы необработанных данных или радиальной диаграммы. В таком случае будет проводиться сравнение с такими же диаграммами уже известных фингерпринтов, фактически на глаз. Также можно использовать кластерный анализ и иные статистические методы. Последней же тенденцией стало использование искусственных нейронных сетей. Они очень хороши для случаев, когда результат конкретного анализа непредсказуем либо нет никаких стандартов для сравнения. В процессе дегустации чего-то нового связи между отдельными элементами искусственной нейронной сети будут усиливаться или ослабевать; «мозг» электронного носа или языка тем самым будет учиться распознавать конкретный запах и определять полученные данные как тот или иной тип вещества.
Что и зачем будем дегустировать
Когда средневековый король боялся стать жертвой игры престолов, он заводил себе придворного дегустатора — если что, его не очень жалко. Да и когда король был относительно спокоен за свое место на троне, этому слуге тоже хватало работы — еда вполне могла быть испорченной, зараженной или просто невкусной. Сейчас же эту грязную работу мог бы взять на себя электронный нос (или язык).
Конечно, как вариант, можно сделать иммуноанализ или ПЦР — они быстрее. Но в долгосрочной перспективе всё еще значительно дороже. Альтернатива таким подходам — приборы на кондуктометрических полимерных сенсорах. По сути, они не «чуют» конкретных бактерий, но, зная разные варианты запаха испорченного молока, могут вынести вердикт: похоже или нет. Кроме того, по размерам и сложности в управлении они напоминают нынешние смартфоны [10].
Впрочем, и не молоком единым. При продуманном подборе сенсоров эти устройства способны быстро оценивать разные продукты методом сравнения с определенным набором стандартов. Да и производство их всё более удешевляется, вплоть до вывода на массовый рынок. Например, компания Peres уже сейчас предлагает приобрести Food Sniffer по цене меньше 150 долларов, декларируя его способность определять испорченность или зараженность продуктов патогенами (рис. 6).
Рисунок 6. Электронный нос Food Sniffer от компании Peres. Рисунок с сайта www.irishtimes.com.
Раз можно научить «носы» и «языки» находить ненадлежащие составляющие в еде, сравнивая со стандартами, значит, можно и пробовать вычленять известные компоненты из блюд. Такое экзотическое направление, как молекулярная кулинария, очень требовательно к точности гастрономических свойств продуктов. Традиционному ресторанному повару тоже будет полезно знать, что у него сейчас в сковороде. Скажем, есть такие электронные носы: определяющий наиболее ароматные продукты [11] и распознающий состав приправ, использованных при приготовлении курицы и говядины [12]. С учетом большого числа одорантов, составляющих аромат одного конкретного продукта, задача решена внушительная.
Рисунок 7. Снятие этикетки выводит из строя рецепторы сомелье, но не сенсоры электронного «языка». Рисунок с сайта www.pinterest.com.
Чем больше и сложнее будет система сенсоров, тем вероятнее, что электронные носы и языки начнут конкурировать и с профессиональными дегустаторами. В этом есть рациональное зерно. Во-первых, таких профи очень мало. Во-вторых, человеческое восприятие довольно субъективно. Прибор не станет работать иначе из-за того, что поссорился с женой, не выспался, терпеть не может пробуемый шпинат или на тарелке лежит не слишком привлекательное блюдо. К слову, в 2004 году было проведено забавное исследование: людей попросили продегустировать в темноте клубничный йогурт, а на самом деле им дали шоколадный. В итоге 19 из 32 человек отметили «выраженный клубничный вкус». Конечно, можно возразить, что они не были критиками. Но и эксперты нередко проваливают тесты из-за особенностей ситуации. Чуть позднее была проведена серия экспериментов с профессиональными сомелье. В первом из них 54 критикам дали белое вино с красным безвкусным красителем, и ни один сомелье не распознал вкус белого вина. Также им предложили определить, в какой из двух бутылок без этикеток вино изысканное и дорогое, а в какой — обычное столовое (рис. 7). Команды разошлись во мнениях — 12 к 20. И были немало удивлены, узнав, что в обеих бутылках находится одинаковое вино среднего класса [13].
Более того, даже без внешнего влияния люди уже начинают проигрывать новым прототипам электроники. В исследовании Миланского университета две панели датчиков соревновались в обонянии с группой испытуемых — и сенсоры показали лучшие результаты [14].
Еще до внедрения электронных носов и языков обоняние было подручным диагностическим инструментом — например, для распознания газовои гангрены на поле боя или кетоацидоза в палате неотложнои помощи. Притом обоняние не только человеческое: некоторые животные чуют более остро. Инфекционные заболевания и злокачественные новообразования часто ассоциированы с метаболическими изменениями в организме, которые достаточно чувствительное обоняние может уловить. Впервые это было замечено, как водится, случайно. В 1980 годах некая собачница посетила дерматолога с необычными жалобами: пёс постоянно принюхивался к родинке на ее ноге и даже пытался ее откусить. Обследование выявило меланому, и проводивший его доктор очень заинтересовался феноменом [15]. На данный момент накоплено много исследовании диагностического применения обоняния: описана, например, практика выявления рака легких и молочной железы, гипогликемии, астмы с использованием обоняния тренированных собак, а также обнаружение туберкулеза обученными крысами.
Технология привлекла внимание ученых-биомедиков. Ведь воздух, выдыхаемый человеком, полон ценной информации: помимо CО2, СО, О2 и N2 с выдохом выделяются метаболиты, которые перед этим разрушаются до малых летучих соединений. Вполне подходящая работа для электронного носа. Метод очень быстр и неинвазивен, что в определенных ситуациях важно и даже необходимо для диагностики.
Наверняка многие слышали, что запах ацетона изо рта свидетельствует о таких неприятных заболеваниях, как сахарный диабет или тиреотоксикоз. Но врач-диагност может ощутить запах только тогда, когда заболевание уже прилично запущено. Для отлова болезни на ранней стадии можно использовать полупроводниковые датчики на основе оксидов металлов. Сходным способом можно регистрировать аммиачные соединения — признак почечной недостаточности. В норме их концентрация не должна превышать одной частицы на миллиард. Нос доктора учуять этот запах не может, а нос робота — успешно справляется [1].
«Нос» или «язык» могут найти и инфекционных агентов. Например, для современного иммунотеста белков оболочки вируса гриппа нужно в три раза больше, чем для биосенсора с антителами в составе [16]. По сравнению с ПЦР — стандартным, но всё равно редко использующимся методом — этот подход куда менее точен, однако более быстр и дешев, а также не требует специальной подготовки (например, выделения ДНК из образца) [4].
Не обошел стороной метод и онкологическую диагностику. Самым первым и самым ожидаемым применением в ней электронного носа была диагностика рака легких [1]. На тот момент накопилось много исследований различий состава легочного воздуха в норме и при патологии. Например, при онкозаболевании (впрочем, как и при астме, а также муковисцидозе) наблюдается закисление выдыхаемого конденсата [17]. С определением изменения pH очень быстро справится самый простой в устройстве электронный язык. Это быстрый и действенный, хотя и низкоспецифичный способ диагностики: он определяет большинство серьезных легочных патологий. Однако путем сравнения образцов конденсата больных и здоровых людей (а также построения схем этих паттернов) выявили 17 летучих веществ, предположительно служащих маркерами развития рака легких (рис. 8). Для регистрации паттернов таких веществ применяют сенсоры, несущие порфириновые кольца, — вещества, образующие разнообразные физико-химические связи с аналитом. Уже используют и массивы наночастиц золота, покрытые молекулами с длинными углеводородными хвостами и тиоловыми группами для прочного (ковалентного) связывания. Большинство этих технологий пока находится на стадии развития и проработки, но некоторые успешно применяются в лабораториях и клиниках.
Рисунок 8. Паттерны одорантов, определяющих наличие/отсутствие рака легких, зарегистрированные электронным носом (реальные и искусственные образцы). Рисунок с сайта www.nanowerk.com.
Рисунок 9. Открытка из космоса. Рисунок из [19].
В разделе о сенсорах уже упоминалось об удобстве «носов» и «языков» для экологических тестов. Клеточные биосенсоры могут определить, всё ли в порядке с водой и воздухом, а физико-химические — что именно не в порядке. Более того, окружающая среда — понятие широкое, вплоть до воздуха на космической орбитальной станции. Здоровье и безопасность космонавтов в замкнутом пространстве космической жестянки предстает первостепенной задачей. Так, в 2003 году NASA завершило разработку электронных носов, применяющихся как для оценки условий жизни космонавтов, так и для тестирования выхлопов механизмов станции (рис. 9) [18, 19].
Приборы, безусловно, можно применять и в криминалистике — ведь используют же с давних времен собак-ищеек для выслеживания преступников. Забавно представить Шерлока Холмса, бегущего по улицам Лондона с электронным носом наперевес. Хотя. полицейские некоторых штатов США уже экипированы простейшими электронными носами, заточенными на определение дыма марихуаны [20]. В такой прибор встроена и система геолокации источника запаха. Берегись, правонарушитель-растаман!
Помимо разработки «носов» для более-менее узкого применения, ученые пытаются максимально приближенно сымитировать работу человеческого носа (или языка). Таким приборам разумно быть низкоселективными, но способными по-разному отвечать на одно и то же соединение (ввиду небольших различий в структуре самих сенсоров). Самая сложная задача при создании таких эмуляторов — разработать похожий по величине сенсорный массив с достаточной комбинаторной сложностью, чтобы распознавать запахи реального мира. Также важно, чтобы эти датчики могли быть произведены с высокой химической точностью. Ученые подумали и пришли к выводу: таким требованиям вполне могут отвечать однонитевые цепочки ДНК — было обнаружено, что их ответ на взаимодействие с молекулами зависит от нуклеотидного состава и последовательности [21]. Так, уже создан рабочий прототип электронного носа, претендующего на роль дублера носа человеческого (рис. 10). В нём используют огромный массив молекул ДНК, связанных с флуоресцентной меткой и закрепленных на твердом субстрате. При достаточном размере такой массив способен регистрировать очень широкий спектр сложных запахов (разумеется, с предварительной тренировкой прибора на смесях стандартов).
Рисунок 10. Электронный нос, созданый в Медицинской школе Университета Тафтса, США. Рисунок с сайта e-nose.blogspot.ru.
Применение «носам» и «языкам» такого плана может найтись в протезировании, создании баз данных окружающих нас запахов и вкусов, а также в робототехнике. Например, сейчас роботы-повара уже не считаются чем-то новым. Большинство из них просто научено подражать живым поварам во всех их действиях. Получается аккуратно и вкусно. Но до полноценной замены живого шефа (что жутко пугает одних людей и воодушевляет других) им недостает каких-то креативных решений и смелости отойти от рецепта. И то, что мешает сделать робо-Гордона Рэмзи — это невозможность ощущать вкус и запах, выносить суждения и вносить улучшения на лету. Именно поэтому роботы могут сварить много вариаций супа, но не могут сделать суп просто «лучше». Однако вмонтировав им «нос» и «язык», их можно научить принимать субъективные решения.
Такая очеловеченная субъективность пригодится еще и в парфюмерной отрасли во всём ее разнообразии — от высокого искусства до промышленного синтеза отдушек. Для создания концептуально нового аромата (а не копирования запаха манго для сорта жвачки) самый главный критерий — общая приятность. Вещь, хоть и субъективная для каждого, на достаточной выборке работать будет. И для этого тоже уже есть свой «нос»: французские ученые оптимизировали и сравнили несколько вариантов приборов для определения вероятности того, насколько полюбится человеку тот или иной аромат. И, судя по исследованию, машины неплохо с этим справляются [22].
В перспективе развития технологии — модификации и усовершенствования сенсорной части аппарата: 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 [23]. Таким образом, графеновые и фуллереновые химические и биосенсоры должны стать следующим шагом в исследовательском и коммерческом применении электронных носов и языков. И, разумеется, никто не отменял производство каких-то забавных гаджетов, которые через пару-тройку лет, может, доведется купить в онлайне. Например, китайская студентка Джу Джинксан разработала концепт электронного носа, совмещенного с небольшим принтером (рис. 11) [24]. Сканируешь ароматное блюдо — прибор ищет в базе картинку, связанную с этим запахом, и ароматическими чернилами печатает ее на почтовой открытке. Ну а почему бы и нет?
Рисунок 11. Пищевой принтер Джу Джинксан. Рисунок из [24].