Обоняние для нас – третьестепенное чувство. Но когда при насморке мир лишается запаха, то пресной становится самая вкусная еда и не радует смолистый воздух соснового бора.

Мы, люди, давно и успешно занимаемся усилением мощи нашего зрения и слуха. Тут мы достигли выдающихся успехов – мы можем теперь видеть отдельные атомы, смотреть сквозь металлы, слышать шорох растущей травы и разглядывать дальние галактики. Но в мире запахов еще недавно, как и тысячелетия назад, мы могли уповать лишь на собственный, изрядно попорченный цивилизацией нос...

Положение стало меняться буквально в последнее десятилетие. Излишне объяснять, как здорово мы тут отстали и чего из-за этого лишаемся. Сколько жизней могли бы спасти хотя бы искусственные запахолокаторы типа тех, которыми пользуются «дымные жуки»!

Но лед, как говорится, тронулся и здесь. Работы по изучению секретов обоняния, созданию «искусственных носов» ведутся сейчас во всех развитых странах – и небезуспешно. Увы, не всегда с лучшими целями. Показательно, что в США, например, моделирование органов обоняния подчинено прежде всего военным и полицейским нуждам. Так, при изучении обоняния угрей было установлено, что достаточно в Ладожском озере развести грамм спирта, чтобы угорь мог отличить эту воду от другой! Узнали об этом американские военные специалисты и всполошились. Еще бы! Ведь с помощью такого прибора подводная лодка могла бы «взять след», оставленный в открытом океане неприятельским судном... И вот американские инженеры несколько лет бьются над созданием устройства, которое могло бы обнаруживать корабли по запаху.

Несколько лет назад журнал «Ю.С.Ньюс энд уорлд рипорт» сообщил, что американские ученые по заказу Пентагона создали специальный «электронный нос», способный опознавать запах человеческого тела. Установленный на вертолете такой «нос», как утверждают его изобретатели, позволяет на значительном расстоянии обнаруживать скопления людей.

В Иллинойском технологическом институте (США) по контракту с Федеральным агентством авиации разработан «электронный нос» для того, чтобы обезопасить пассажиров от возможных взрывов подкладываемых гангстерами в самолеты бомб. Прибор обнаруживает запахи взрывчатки, даже если концентрация ее паров не превышает одного атома на миллиард. Для обнаружения бомбы достаточно четырех минут, то есть времени, пока самолет рулит с герметически закрытыми дверьми и люками от аэропорта к старту.

В последнее время в американской печати на все лады расхваливается так называемая «электронная ищейка». Она создана по заказу полиции США, поскольку традиционные методы розыска преступников давно уже стали неэффективными и число нераскрытых преступлений, совершаемых гражданами, с каждым годом катастрофически увеличивается.

Грабители и убийцы не оставляют ныне на месте преступления своих вещей – носового платка или перчаток, не оставляют они и отпечатков пальцев, «работая», как правило, в перчатках. Но след все же остается. Этот след – запах. Учеными уже давно доказано, что каждому человеку свойствен свой собственный запах. Этот индивидуальный запах, очевидно, предопределен генетически и схож в этом смысле с дактилоскопическими узорами. «Обонятельный комплекс для обнаружения преступников», которым недавно обзавелась полиция США, представляет собой высокосовершенный анализатор запахов, который, если верить рекламным данным, в тысячу раз чувствительней собачьего носа. «Электронная ищейка», если ее включить в комнате, где, скажем, было совершено убийство, безошибочно определяет, кто находился там в течение последних суток, кроме жертвы преступления. Это устройство, так сказать, активная часть обонятельного комплекса. Другая его часть – «картотека запахов преступников» (вроде картотеки отпечатков пальцев). Устройство и принцип работы «электронной ищейки» полиция держит в секрете. Известно, однако, что «картотека запахов грабителей и убийц» (а возможно, и граждан с «неподходящими взглядами») стремительно пополняется: теперь запахи фиксируются с той же тщательностью, что и отпечатки пальцев.

Разрабатываются, конечно, и иные системы, так сказать, мирного применения. Вот, например, система, следящая за чистотой воздуха. Она состоит из 31 электрической «ноздри», которые размещаются вблизи крупных промышленных предприятий и контролируют содержание сернистого ангидрида в воздухе. Как только его содержание превысит норму, компьютер, к которому подключена установка, дает сигнал, и на электронной карте точно указывается местонахождение завода, виновного в загрязнении воздуха.

Одна иностранная фирма, сдающая напрокат автомобили, приняла меры к тому, чтобы предупредить пьяное лихачество на принадлежащих ей машинах. Она снабдила свои автомобили устройствами, которые не позволяют людям, находящимся в нетрезвом состоянии, завести двигатель. Чувствительный элемент – «нос» прибора – реагирует на наличие в кабине винных паров. Человек, выдыхающий такие пары, не может включить зажигание, сколько бы он ни вертел ключом. «Нос» настолько чувствителен, что делает свое дело даже при сквозняке в кабине и при наличии «помех» от парфюмерии. По понятным причинам ни на какие запахи, кроме спиртного, устройство не реагирует.

По запаху можно диагностировать многие болезни: шизофрению, дифтерит, рак, диабет и некоторые другие. Но такая диагностика возможна, да и то не всегда, лишь когда болезнь вступила в позднюю стадию – на большее человеческий нос не способен. Иное дело «электронный нос». Работы по его созданию для целей раннего диагноза ведутся, и тут успех будет иметь колоссальное значение.

Все перечисленное может привести к мысли, что и в моделировании органов обоняния мы наконец-то превзошли то, чем нас снабдила, природа. К сожалению, это далеко не так, за исключением тех немногих случаев, о которых шла речь. Чаще картина выглядит иначе. Мы можем, например, искусственно анализировать запах земляники. Но такой прибор имеет спираль из стеклянной трубки длиной 120 метров! Анализ занимает около часа, после чего требуется разборка, промывка и перезарядка аппарата.

Что же мешает ученым, бионикам, изобретателям, инженерам выйти на «уровень биологических стандартов»? То хотя бы, что мы до сих пор не можем толком понять, как работает наш собственный нос и что это вообще за штука – запах?

Да, мы этого не знаем. Мы давно поняли сущность зрения и сущность слуха, но что касается обоняния, тут у нас имеются лишь гипотезы. Никто толком не может объяснить, почему одни вещества обладают сильнейшим запахом, а другие не пахнут вовсе, почему одни запахи приятны, а другие омерзительны. У нас нет даже меры, которой можно было бы измерять силу запаха так, как мы измеряем силу звука или освещенность. Один ученый привел такой пример: «Однажды мне захотелось узнать, как пахнет вещество, называемое фенилацетиленом. Я взял «Органическую химию» Рихтера и на странице 446 прочел, что это «...жидкость со слабым запахом». Потом заглянул в «Органическую химию» Вертсена и на странице 414 обнаружил, что это «...жидкость с приятным запахом». А на странице 157 «Руководства по органической химии» Дайсона было указано, что фенилацетилен – это «бесцветная жидкость с неприятным запахом, напоминающим запах лука». Воистину обоняние – самое субъективное из чувств...

Все наши предположения о природе запахов и обоняния сводятся к трем гипотезам. Согласно первой – химической – молекулы вещества каким-то образом непосредственно воздействуют на нервные окончания органов обоняния. По второй гипотезе – физической или колебательной – молекулы пахучих веществ при. столкновении с атомами кислорода и азота воздуха излучают в инфракрасной области спектра, что и фиксируется нервными клетками. Третья, стереохимическая, гипотеза предполагает, что молекулы пахучих веществ взаимодействуют с нервными клетками органов обоняния по принципу «ключа» и «замка», то есть ощущение запаха вызывается формой и размером молекул, причем сами молекулы входят в соответствующие «лунки» нервных окончаний, как ключ в замок. Каждая из этих бегло и упрощенно изложенных гипотез кое-что объясняет и подкрепляется кое-какими экспериментальными данными, но ни одна из них не объясняет всего. Поэтому можно лишь восхищаться, как, не зная, в сущности, что такое запах и как действуют органы обоняния, ученые и инженеры пытаются усилить мощь человеческого носа.

Электронный нос – это прибор, способный заменить человеческое обоняние. Исследования в этой области ведутся уже более 20 лет и достигли значительного прогресса. Современные устройства используют электронное считывание аромата для сравнения, идентификации, количественной оценки и даже хранения и восстановления данных. Электронные носы состоят из трех основных элементов: системы доставки, системы обнаружения и вычислительной системы.

В настоящее время сравнительное изучение ароматов проводится в разных отраслях промышленности довольно трудоемкими и дорогими методами. Для этих целей используется газовая хроматография, или это делают специалисты с развитым обонянием и специфичными навыками, которые позволяют им контролировать вкус и аромат товаров во время производства, а также оценивать их свежесть. По сравнению с этими способами электронный нос дает большие преимущества, является экономически эффективным и позволяет проводить масштабные и быстрые исследования, связанные с контролем качества продукции на большом производстве, и отслеживать свежесть и чистоту буквально каждого продукта, что затруднительно сделать с помощью человеческого восприятия. В этих случаях электронный нос – незаменимый инструмент для контроля качества.

Еще одна область применения – безопасность. Электронные носы можно использовать в качестве первой линии защиты от опасных сред и газов. Искусственные датчики, которые идентифицируют и тестируют ряд параметров, могут быть включены в аналитическое устройство и использованы для сканирования общей ситуации или, в частности, для обнаружения утечки опасных газов или локализации разлагающихся товаров. Также электронные носы могут применяться в косметике и парфюмерии для контроля качества сырья и готовой продукции и для борьбы с контрафактной продукцией.

Основной путь развития в этой области – внедрение в электронные носы микроэлектромеханических датчиков (MEMS). Это позволяет преодолеть основной недостаток современных приборов – их громоздкий размер, который сильно ограничивает использование в настоящее время. MEMS позволяют сделать носы более миниатюрными. Например, разработанный Aryballe Technologies цифровой нос NeOse Pro миниатюрен и способен идентифицировать более 500 запахов с помощью 90 биосенсоров, работающих по принципу обоняния человека. Миниатюрность прибора делает его универсальным, позволяя использовать для самых разных применений.

В настоящее время мировой рынок электронных носов представлен немногочисленными игроками, и вследствие этого приборы довольно дороги. Однако эксперты прогнозируют, что этот рынок будет расти с небольшой, но устойчивой скоростью. Производители вкладывают много сил и средств в создание недорогого массового производства мобильных устройств. К числу основных производителей электронных носов относятся Alpha MOS во Франции, E-Nose Pty в Австралии, Electronic Sensor Technology в США, The e-Nose Company в Нидерландах и Odotech в Канаде.

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».

«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.

«Электронные носы» используются во многих областях, но необходимо подчеркнуть важность их применения в отношении продуктов питания. 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.

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 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.

Для демонстрации результатов распознавания кофе «электронным носом» «ЭНОС» 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.

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 концентрации уксусной кислоты в вине использовался портативный «электронный нос» PEN3 в сочетании с пробоотборником Headspace HSS32. 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.

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 была применена система «электронный нос» Cyranose 320, 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%.

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%.

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 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.

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.

Восприятие человеком запаха и вкуса устроено даже сложнее, чем зрение или слух. Причиной тому – великое разнообразие рецепторных клеток: в носу их число достигает 50 миллионов, 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.

«Электронные носы» Peres распознают более сотни летучих веществ в пищевых продуктах, определяя степень их свежести и чистоты. Литовские разработчики, представившие концепт в 2014 году, уже вывели его на рынок под названием FOOD Sniffer.

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.

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.

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.

Вдохновившись особенностями нюха служебных собак, ученые Университета Санта-Барбары решили сымитировать работу их носа для детекции взрывчатых веществ и наркотиков. Сплошные плюсы: безопасность под контролем, а выгуливать и кормить не надо. Полученный «пес-на-чипе» представляет собой миниатюрный спектрометр-детектор, дополненный наночастицами, усиливающими сигнал путем связывания молекул-маркеров (благодаря этому прибор способен улавливать вещества в концентрации одной молекулы на миллиард!). Изначально «пес-на-чипе» задумывался как детектор взрывчатых веществ. Но оказалось, что его несложно «донастроить» на наркотики и другие нелегальные вещества. Прототипы устройства уже созданы в нескольких университетах США – примечательно, что размером они едва больше смартфона, а некоторые оснащены Bluetooth, GPS и WiFi-модулями.

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?