Ніс на батарейках

Якщо середньовічний король боявся стати жертвою «гри престолів», він заводив собі придворного дегустатора. Можна уявити, з яким побоюванням обнюхував той підозрілий блюдо! Зараз цю ризиковану роботу готові взяти на себе електронні носи і мови — прилади, здатні відчути найслабший запах отрути, вибухівки або хвороби.

Сприйняття людиною запаху і смаку влаштовано навіть складніше, ніж зір або слух. Причиною тому — велика різноманітність рецепторних клітин: у носі їх число сягає 50 млн, мовою — 400-500 тисяч, і у кожної свій набір чутливих рецепторів. При контакті з певними молекулами деякі з них активуються, збуджуючи рецептор. Цей сигнал надходить на «вищестоящі» нейрони, кожен з яких пов’язаний відразу з безліччю рецепторних клітин. Сприйняття створює специфічний патерн, шаблон активації нейронів, який інтерпретується головним мозком.

У 2014 році європейський консорціум PHOTOSENS представив прототип електронного носа, виготовленого методом наноимпринтной літографії. Ефект поверхнево-посиленого раманівського розсіювання дозволяє отримати точні спектральні «відбитки» присутніх у суміші речовин, які осідають на спеціально приготовленому шероховатом шарі золота

Ідея імітувати ці принципи виникла десятиліття тому. Потрібно було лише створити «електронний ніс» — набір сенсорів, які, взаємодіючи з газовою сумішшю, будуть реагувати на різні пахучі компоненти (одоранти) в її складі. Спрацьовуючи, сенсори можуть створювати «патерн» аромату (фінгерпринт), який можна порівняти з набором заздалегідь заготовлених стандартів. «Електронна мова» повинна діяти приблизно так само, хіба що зразок в даному випадку буде рідким, а речовини — не обов’язково пахучими.

«Серце» носа

Творці таких систем йдуть двома принципово різними шляхами. Перші домагаються високої специфічності кожного датчика в масиві, так, щоб кожен спрацьовував на своє — і тільки своє — з’єднання. Другі, апелюючи до принципів роботи мозку, використовують не настільки «розбірливі» датчики, що реагують на групи схожих молекул. Мається на увазі, що якщо кожен датчик буде реагувати трохи по-різному, то їх спільне спрацювання сформує унікальний фінгерпринт. Його вже можна порівняти з набором опорних спектрів і приблизно оцінити вміст речовин.

Але в будь-якому випадку ключовим елементом електронних носів і мов виявляються сенсори. Їхнє завдання — перевести сигнал, що виник у вигляді хімічних реакцій, у більш зручну для реєстрації та інтерпретації форму: електричну, хімічну, магнітну, температурну… Для цього застосовується вісім основних типів датчиків — кондуктометричні, амперо- і вольтметричні, потенціонетричні, імпедометричні, п’єзоелектричні та оптичні (колори- і флуориметричні), — засновані на принципах хроматографії та/або мас-спектрометрії. Ведуться розробка і впровадження біосенсорів на базі органічних полімерів і навіть цілих клітин.

В одному пристрої часто комбінують елементи, що працюють на різних принципах, збагачуючи його можливості — і ускладнюючи інтерпретацію отриманого сигналу. Втім, і без цього ускладнення аналіз даних, отриманих масивом датчиків «електронного носа», залишається непростим завданням. Останньою тенденцією в цій галузі стало використання штучних нейронних мереж. Вони особливо хороші, якщо результат конкретного аналізу непередбачуваний або немає точних стандартів для порівняння даних. У процесі навчання на тестових даних і дегустації чогось незнайомого зв’язку між окремими елементами штучної нейронної мережі будуть посилюватися або слабшати, і «мозок» приладу навчиться розпізнавати новий запах.

Ніс у молоці

Ми не марно почали з історії про дегустацію. Сьогодні перевірка безпеки та якості їжі стає найбільш «гарячою» областю впровадження цих приладів. Дійсно, одна справа спробувати шматок королівської булочки, інша — перевірити, чи зіпсована партія яловичини, чи містить шкідливі домішки вино, чи немає патогенних бактерій і грибів у пшениці. Хімічні та біохімічні, мікробіологічні та імунологічні методи, що застосовуються для цієї мети, досить точні, але недешеві і нешвидкі. Останнє особливо критично в умовах нинішнього буму на свіжу їжу без консервантів.

Представимо молочний завод, що виробляє непастеризоване — «живе» — молоко. Звичайні патогени цільного молока — сальмонели і лістерії, кишкові палички і шигели, збудники бруцельозу і кампілобактеріозу. Діагностичний бактеріальний посів потребуватиме в кращому випадку два дні часу: мабуть, від непереробленого молока за цей час залишиться мало хорошого. Втім, і не молоком єдиним. При продуманому підборі сенсорів ці електронні носи здатні швидко оцінювати різні продукти. Тим більше що виробництво стає все дешевше, наближаючи їх вихід на масовий ринок. Наприклад, компанія Peres вже зараз пропонує придбати Food Sniffer за ціною менше $150, декларуючи його здатність визначати зіпсованість або зараженість продуктів патогенами. Але це явно тільки початок.

«Електронні носи» Peres розпізнають понад сотню летючих речовин у харчових продуктах, визначаючи ступінь їх свіжості і чистоти. Литовські розробники, які представили концепт у 2014 році, вже вивели його на ринок під назвою Food Sniffer

Чим більше і складніше будуть ставати системи сенсорів, тим швидше електронні носи і мови почнуть конкурувати навіть з професійними дегустаторами. У цьому є раціональне зерно: людське сприйняття суб’єктивно і примхливо, так що в деяких гучних експериментах навіть кращі фахівці, поставлені в незручну ситуацію, виявлялися нездатні відрізнити червоне вино від підфарбованого білого, а полуничний йогурт від шоколадного. Прилад же не стане працювати інакше через те, що посварився з дружиною, не виспався, терпіти не може шпинат або на тарілці лежить не надто приваблива страва.

Болісний запах

Нюх — цінний діагностичний інструмент медицини. Можна згадати масу сцен з історичних фільмів, в яких лікар з побоюванням принюхується до рани: чи не почалася гангрена? Взагалі, інфекційні захворювання та новоутворення часто асоціюються з метаболічними змінами, які може вловити нюх. Наприклад, описано виявлення раку легенів і молочної залози, гіпоглікемії та астми з використанням тренованих собак, а також виявлення туберкульозу навченими щурами («Популярна механіка» писала про ці методи в статті про тварини-діагности, № 4, 2016. — Прим. ред.).

Зацікавили запахи хвороби і творців електронних носів. Напевно багато хто чув, що запах ацетону з рота може свідчити про такі неприємні захворювання, як цукровий діабет або тиреотоксикоз. Крім того, можна реєструвати аміачні з’єднання — ознака ниркової недостатності. Електронний ніс здатний виявити і інфекційних агентів, причому вельми ефективно і на дуже ранніх стадіях. Наприклад, для сучасного імунотесту потрібно втричі більше білків оболонки вірусу грипу, ніж для «нюхаючого» біосенсора з використанням антитіл.

Не оминув стороною метод і онкологічну діагностику. Найлогічнішим застосуванням у ній електронного носа було б виявлення раку легенів. Давно помічено, що при цьому онкозахворюванні (втім, як і при астмі, а також муковісцидозі) спостерігається закислення видихуваного конденсату. З визначенням зміни pH впорається найпростіша електронна мова, давши швидкий, хоча і далеко не однозначний результат. Однак шляхом порівняння зразків конденсату хворих і здорових людей (а також побудови моделей цих зразків) вчені вже виявили спектр з 17 летючих речовин, які служать точними маркерами розвитку раку легенів і піддаються розпізнаванню за допомогою мас-спектрометрії, хроматографії та інших методів.

Ніс широкого профілю

Однак по-справжньому розбірливі електронні носи, можливо, будуть працювати з використанням ДНК. Як відзначають багато розробників, ці молекули не відрізняються особливою селективністю в розпізнаванні, зате через невеликі відмінності в структурі здатні по-різному відповідати на одне і те ж з’єднання. ДНК пропонує величезну комбінаторну складність і можливість без особливих проблем синтезувати «рецепторну» молекулу з будь-якої потрібної послідовності нуклеотидів. Робочий прототип такого приладу вже створений, він використовує величезний масив молекул ДНК, пов’язаних з флуоресцентними мітками.

Нюх на небезпеку

Надихнувшись особливостями нюху службових собак, вчені Університету Санта-Барбари вирішили зімітувати роботу їх носа для детекції вибухових речовин і наркотиків. Суцільні плюси: безпеку під контролем, а вигулювати і годувати не треба. Отриманий «пес-на-чіпі» являє собою мініатюрний спектрометр-детектор, доповнений наночастинками, що підсилюють сигнал шляхом зв’язування молекул-маркерів (завдяки цьому прилад здатний вловлювати речовини в концентрації однієї молекули на мільярд!). Спочатку «пес-на-чіпі» замислювався як детектор вибухових речовин. Але виявилося, що його нескладно «доналаштувати» на наркотики та інші нелегальні речовини. Прототипи пристрою вже створені в декількох університетах США — примітно, що розміром вони ледь більше смартфона, а деякі оснащені Bluetooth, GPS і WiFi-модулями.

Такі досконалі електронні носи і мови можуть стати основою для розробки гідних імплантів для заміни природних — або оснащення ними роботів. Зрештою, роботи-кухарі вже працюють на деяких кухнях. Але для повноцінної заміни людей слідувати рецептам і вміти управлятися зі сковородою недостатньо, і робоповару знадобиться навчитися елементарно визначати якість інгредієнтів за запахом, а готовність страви — за смаком. У перспективі розвитку технології — модифікації та удосконалення сенсорної частини: її чутливості, селективності та стабільності. Особливо активно в цей процес втручаються вуглецеві наноматеріали з їх багатообіцяючими властивостями — монокристалічна структура, точно певні хімічний склад і просторова будова, а також унікальні характеристики наносоєднань, пов’язані з поверхневими ефектами. Можливо, саме графенові і фуллеренові біо- і хімічні сенсори повинні стати наступним кроком у дослідницькому і комерційному застосуванні електронних носів і мов. І, зрозуміло, гаджети теж ніхто не відміняв: китайська студентка вже запропонувала концепт електронного носа, поєднаного з невеликим принтером. Скануєш страву, прилад шукає в базі картинку, пов’язану з його запахом, і ароматичними чорнилом друкує її на поштовій листівці. Ну а чому б і ні?