Острое обоняние — мощная способность, присущая многим организмам. Однако оказалось, что это сложно воспроизвести искусственно. Исследователи объединили биологические и инженерные элементы, чтобы создать так называемый биогибридный компонент. Их датчик летучих органических соединений может эффективно обнаруживать запахи в газообразной форме. Эта технология будет полезна в медицинской диагностике и обнаружении опасных материалов.
Трудности поставленной задачи
Электронные устройства, такие как камеры, микрофоны и датчики давления, позволяют машинам количественно определять окружающую среду оптически, акустически и физически. Однако наше обоняние, несмотря на то, что оно является одним из самых первобытных природных чувств, оказалось очень трудно воспроизвести искусственно.
Эволюция усовершенствовала это чувство на протяжении миллионов лет, и теперь исследователи упорно трудятся, чтобы наверстать упущенное. «Запахи, содержащиеся в воздухе, могут нести полезную информацию об окружающей среде или исследуемых образцах. Однако эта информация не используется должным образом из-за отсутствия датчиков с достаточной чувствительностью и селективностью», — сказал профессор Седзи Такеучи из лаборатории биогибридных систем Токийского университета.
Брать пример с живой природы
Ученые давно отметили, что различные биологические организмы чрезвычайно эффективно используют информацию о запахах. Поэтому они решили объединить существующие биологические датчики напрямую с искусственными системами для создания высокочувствительных датчиков летучих органических соединений. Такие сенсоры получили название «биогибридных».
Седзи Такеучи и его команда пересадили набор обонятельных рецепторов насекомого в устройство, которое передает определенные запахи на рецепторы, а также считывает, как рецепторы реагируют на эти запахи. Анализ электрических сигналов от обонятельных рецепторов показывает, какие молекулы инициировали эти сигналы. Этот метод обеспечивает высокую чувствительность и возможен благодаря тому, что рецепторы физически связаны внутри липидных бислоев.
Секрет новой разработки
В предыдущих экспериментах такой метод ограничивал способ доставки запахов к рецепторам, но команда нашла эффективное решение и этой проблемы. Рецепторы реагируют на молекулы в капле жидкости, поэтому одной из основных задач было создание устройства для трансплантации молекул из воздуха в эти капли.
Ученые спроектировали и изготовили микромасштабные щели под ними, через которые проходит капля, чтобы вызвать этот обмен молекулами. Вводя газ в микрозазор, они смогли увеличить вероятность контакта между газом и каплей и эффективно передать целевые молекулы жидкости. С помощью этой системы исследователи смогли обнаружить следы химического вещества октенол, также называемого грибным спиртом, который, как известно, привлекает комаров.
Возможности искусственных датчиков
Новый датчик летучих органических соединений может определять концентрации вещества в пропорциях один на миллиард. Это примерно в тысячу раз меньше, чем чувствительность собачьего носа, но тем не менее это впечатляющее достижение, которое вдохновило команду на продолжение исследований. Есть вероятность, что в будущем ученым удастся приблизиться к более высоким показателям.
Набор химических сенсоров используется для имитации ряда белковых рецепторов в носу животного. Каждый из этих датчиков по-разному реагирует на разные запахи. Сигналы от этих датчиков передаются через электронику на микропроцессор или компьютер. Электроника заменяет нейроны в обонятельной лимбической системе, а компьютер или микропроцессор действует, как мозг. Позже сигналы можно интерпретировать с помощью специального программного обеспечения для распознавания образов.
«Я хотел бы расширить аналитическую сторону системы, используя какой-то искусственный интеллект. Это может позволить нашим биогибридным сенсорам обнаруживать более сложные виды молекул. По сути, наши компьютеры научатся нюхать, — сказал Седзи Такеучи. — Такие уточнения могут помочь в достижении наших целей — не только находить опасные материалы в окружающей среде, но, возможно, даже определять ранние стадии заболеваний по дыханию пациента и запаху его тела».