Остаться с электронным носом: создан прибор для распознавания запахов
Диагностировать болезни, определять свежесть продуктов и даже находить опасные вещества по запаху сможет уникальный биоэлектронный нос — его разрабатывают российские ученые. Прибор состоит из микрочипов, оснащенных нанодетекторами, которые способны распознать единичный запах из газовой смеси. В дальнейшем устройство будет способно найти любые соединения. К примеру, таким биоэлектронным носом можно будет заменить поисковых собак, которых используют в аэропортах и на вокзалах для поиска наркотиков и взрывчатки.
На уровне молекул
Ученые из научно-производственного комплекса «Технологический центр» Московского института электротехники (МИЭТ) разработали уникальный прибор, который способен имитировать природные системы обоняния. Как пояснил «Известиям» директор комплекса Александр Сауров, по сути, это набор биосенсоров, настроенный на определение или классификацию того или иного состава газовой смеси, то есть запаха.
— Если говорить непосредственно про сами разработки в этой области, то они очень разнообразны, — рассказал он. — В качестве биоматериала датчиков пробуют использовать фрагменты или рецепторы обоняния, отдельные клетки, фрагменты эпителия или даже отдельные органы, например усики насекомых. Мы предложили новую концепцию такого датчика и показали, что она работоспособна.
Изначально ученые задались целью сделать универсальную платформу, которую можно было бы настраивать под разные соединения, присутствующие в запахе. В результате в основу биоэлектронного носа легли генно-инженерные технологии. Для узнавания молекулы-ароматизатора специалисты предложили использовать ДНК-аптамеры — одноцепочечные молекулы ДНК. Они способны сворачиваться в трехмерные конструкции, которые могут избирательно связываться с интересующей исследователей молекулой.
Ароматы ванили
Первым запахом, который унюхал разработанный в «Технологическом центре» биоэлектронный нос, стал аромат ванили.
— Мы отобрали ДНК-аптамер на хорошо известный ароматизатор — ванилин. Дальше перед нами стояла задача придумать такую конструкцию системы, которая позволяла бы определять компонент запаха из газовой фазы, учитывая, что сами наши биосенсоры работают исключительно в водной среде (ДНК-аптамеры могут существовать только в жидкости), — сообщил «Известиям» начальник НИЛ НПК «Технологический центр» Александр Кузнецов.
Сам по себе нос состоит из микрочипов, созданных при помощи нанотехнологий. Чипы оснащены нанодетекторами, сформированными на дне специальных микроячеек. Эти емкости сверху закрыты гидрофобными мембранами, которые блокируют протекание воды сквозь них, но при этом пропускают внутрь воздушную смесь. Такая конструкция позволяет поддерживать над поверхностью нанодетектора слой водного раствора, который подается через боковой микроканал толщиной всего в 1 микрон. Определяемые молекулы запаха через мембрану попадают в раствор с ДНК-аптамером, и их взаимодействие регистрирует нанодетектор на дне ячейки.
— Мы показали, что предложенная конструкция способна избирательно определять молекулы ароматизатора ванилина в запахе жареного кофе. Для справки: данный запах формируется из 300 летучих соединений, и соотношение всех этих соединений зависит от места происхождения кофейного зерна, метода и интенсивности его обжарки, — отметил Александр Кузнецов. Определить какое-то одно конкретное химическое соединение в такой смеси — сложная аналитическая задача.
Нюх как у собаки
Ученые предполагают, что прибор будет использован для проведения быстрого химического анализа смесей сложного состава.
— На основе данной разработки можно сделать целую серию аналитических приборов, которые будут полезны и в науке, и в медицине, и в быту, — уверен Александр Сауров.
К примеру, ученым это устройство могло бы помочь в расширении арсенала оборудования для химического анализа. В медицине такие устройства наверняка найдут применение в области неинвазивной диагностики — например, определении шизофрении по запаху (о методике «Известия» писали ранее). В быту с помощью подобного датчика и смартфона человек сможет проверить свежесть продуктов в магазине. Еще одно возможное применение биоэлектронного носа в отдаленной перспективе — поиск взрывчатки и наркотиков в аэропортах и на вокзалах.
Исследования в области газовых сенсоров являются горячей темой современной науки, рассказал старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физикохимии материалов, инженер научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ЮУрГУ Дмитрий Жеребцов.
— Эксперимент МИЭТ не уступает работам ведущих мировых лабораторий. Биоэлектронный нос можно будет доработать и вывести на промышленный уровень, чего пока никто в мире не делал, — уверен он.
Данная разработка объединяет несколько областей знаний — химию, материаловедение и биомедицину, что очень перспективно, считает директор по развитию Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ (вуза — участника проекта «5-100») Марина Трусова.
— Технология может войти в обиход организаций по выявлению наркотических веществ или Роспотребнадзора, — считает эксперт.
Разработка пока находится на начальном этапе, до коммерциализации биоэлектронного носа пройдет не один год, отмечают сами ученые. Проект выполнен при поддержке РНФ. За три года на его реализацию было затрачено 18 млн рублей.
