ЭЛЕКТРОННЫЙ HOC (E-nose)

  • Помню большой, весь золотой подсохший и поредевший сад, помню кленовые аллеи, тонкий аро-мат опавшей листвы и — запах антоновских яблок, запах меда и осенней свежести...
  • И.А. Бунин. «Антоновские яблоки»
ЭЛЕКТРОННЫЙ HOC. Симпозиум

Через запахи человек воспринимает окружающий мир, однако всем хорошо известно, что, к примеру, собачий нос гораздо чувствительнее к запахам, чем человеческий. Поэтому в ситуациях, когда требуется идти по следу преступника или искать пострадавшего под развалинами разрушенных землетрясением домов, проверять наличие взрывного устройства или искать спрятанные наркотики, приглашают кинолога с собакой. Однако натренировать собаку — это долгое и дорогостоящее мероприятие. К тому же потребности в определении огромного множества запахов превышают возможности обучения собак. Вероятным релением этой проблемы является разработка учеными так называемого электронного носа — искусственного органа обоняния или портативной лаборатории, которая позволяет качественно и количественно анализировать газы, предоставляя нужную информацию в считанные минуты.

В разработку электронного носа активно включилось множество научных коллективов во многих странах мира, вследствие чего этот термин стал собирательным понятием: одновременно разрабатывается множество разных концепций и принципов функционирования таких аппаратов. Они могут быть основаны на быстрой газовой хроматографии для разделения сложных по составу газовых смесей и последующем детектировании отдельных компонентов, например мультисенсорными полупроводниковыми матрицами, устройствами на поверхностных акустических волнах; на способе масс-спектрометрического анализа; на принципе детектирования молекул с использованием углеродных нанотрубок; на получении аналити-ческого отклика за счет оптического эффекта многократного полного внутреннего отражения в плосковолноводной оптической ячейке и проч. Тем не менее, общими для всех вариантов «электронного носа» являются следующие принципы: высокая чувствительность (нижний предел обнаружения составляет десятки пикограмм вещества), быстрота анализа, распознавание огромного множества разных запахов и уникальная миниатюрность (например, тонкая кремниевая пластина — чип с площадью порядка 2 мм2, содержащий ряд наносенсоров для распознавания молекул и интегрированный с микропроцессором или компьютером).

Еще в 1998 году Ральф Меркле и Эрик Дрекслер предложили принцип определения различных молекул с помощью модифицированных углеродных нанотрубок, в том числе позволяющих идентифицировать возбудителей заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем. В настоящий момент теоретически предсказанные ими наносенсоры выходят на рынок. Для работы чипа Sensation (рис. 1) требуется только одна обычная пальчиковая батарейка. Готовое медицинское устройство индикации уровня углекислоты будет стоить не более 20 долларов.ЭЛЕКТРОННЫЙ HOC. Симпозиум

  • Рис.1. Чип-пластина «электронного носа» из 2200 ячеек-анализаторов Sensation, университет Беркли, США (слева). Быстрый газовый хроматограф GC/SAW лабораторного типа (справа)

Применение газовых наносенсоров

После первых успехов сразу открылось множество потенциальных областей применения газовых наносенсоров — в первую очередь в области медицины и контроля безопасности. Вполне вероятно, что уже в недалеком будущем врачи смогут определять болезнь по запаху. Например, анализируя запахи, содержащиеся в выдыхаемом человеком воздухе, можно будет диагностировать рак легких, туберкулез, диабет или цирроз печени. При этом поставить диагноз будет возможно даже на самых ранних стадиях болезни. И хотя пока еще о внедрении данной разработки в медицинскую практику речи не идет, учитывая нынешние темпы развития высоких технологий, можно предположить, что очень скоро она сможет найти своё реальное применение. ЭЛЕКТРОННЫЙ HOC. Симпозиум

Электронный нос работает как универсальный детектор, способный количественно определять любые типы запахов. Как это достигается? Был предложен изящный подход — применение сенсорных матриц, т.е. одновременное использование нескольких разнородных сенсоров, не обладающих селективным откликом, но проявляющих разные функции отклика на одно и то же воздействие. Последовательный опрос показаний каждого из них дает в результате гистограмму величин откликов детекторов. Новые возможности по улучшению распознавания отдельных компонентов открываются в результате применения скоростной газовой хроматографии.

  • Рис. 2. Визуальные образы VaporPrint™ для болезнетворных микроорганизмов, взрывчатых веществ, наркотиков и горючих жидкостей
При этом время удерживания изображается в виде круговой диаграммы сигнала детектора и дает графический образ, специфический для каждого вещества. Иными словами, прибор превращает запах в картинку, которую нужно распознать, и для этого применяются компьютерные алгоритмы распознавания графических образов под названием «VaporPrint™», позволяющие определять количество анализируемого вещества (рис. 2).