В израиле создали электронный нос для распознавания взрывчатки. Строение электронного носа Электронный нос принцип работы

Когда родители начинают собирать аптечку для их новорожденного ребенка, то обязательным ее компонентом должен стать аспиратор. Это очень важный предмет для ухода за новорожденным, ведь практически у всех деток в первые недели могут возникать проблемы с дыханием, а это значит, что соответственно будет проблемы и с кормлением. Многие родители не знают о том, что ребенок до 4 месяцев не может нормально есть, если у него заложенный носик. Если в носовых ходах есть большое количество слизи и секрета, то его нужно обязательно удалить. Аспиратор для новорожденного нужен также тогда, когда в комнате, где ребенок проводит большую часть дня, очень сухой воздух. Это может привести к нарушению полноценного функционирования слизистой оболочки носа и развитию ринита. А если учитывать, что для новорожденных детей практически не существует безопасного лекарства для решения проблем с носиком, то потребность в аспираторе возрастает в несколько раз.

Зачем новорожденному нужен аспиратор

Когда ребенку исполняется четыре месяца, то он постепенно учится дышать ртом, что несколько упрощает проблему. В то же время он все равно не умеет сморкаться, чтобы самостоятельно избавиться от накоплений в носике. В таком случае выделения из носа, если они не будут удалены, могут свободно попасть по внутренней слуховой трубе в полость среднего уха. По этой же причине у ребенка начинает развиваться острый отит для которого нужно использовать очень опасные антибиотики.

Аквамарис — капли для новорожденного

Стоит отметить, что очень много детей не знают о том, что у ребенка из-за проблем с дыханием может начать развиваться гипоксия, которая есть очень опасной для здоровья новорожденного, который еще очень слабый. Поэтому если использовать аспиратор вместе с правильно подобранными каплями для носа, то вполне можно решить проблему с затрудненным дыханием у новорожденного ребенка. Также стоит отметить, что весь процесс отсасывания слизи происходит без каких-либо болезненных ощущений, очень быстро и эффективно.

Конечно раньше о аспираторах было слышно совсем немного, но уже сегодня они становятся все более популярными приспособлениями для решения проблем с дыханием у новорожденного ребенка. В то же время многочисленные отзывы показывают то, что аспираторы действительно эффективные и полностью справляются со своей работой.

Аспираторы для новорожденного: все что надо знать родителям

Какие есть виды аспираторов для новорожденных

Плюсы и минусы разных видов аспираторов

Механическими аспираторами очень просто пользоваться: один конец вставляется в носовой ход ребенка, а второй в рот взрослому человеку. Благодаря специальному сменному фильтру слизь не попадает в организм взрослого человека. Кроме того наконечники очень просто стерилизовать, но это в зависимости от модели.

Электронные аспираторы можно использовать не только для удаления слизи, но и для того, чтобы промывать носовые ходы новорожденного, а также для их полноценного увлажнения. Большим недостатком есть стоимость прибора, а также то, что он может довольно часто ломаться. В то же время дети приходят в восторг от веселой музыки, которую издает аспиратор во время работы.

Вакуумные аспираторы работают благодаря бытовым пылесосам, но в то же время имеют независимый регулятор мощности, которые снижает риск травмирования к минимуму. Конечно не все дети нормально реагируют на звук работающего пылесоса, но всю процедуру вполне возможно превратить в игру. Такой аспиратор можно использовать очень долго, но с условием тщательного ухода за насадками.

Комплексные системы для ухода за носиком новорожденного

Применение аспиратора для новорожденного

Израильские инженеры из Центра исследования наноматериалов Тель-Авивского университета и Школы химии создали «электронный нос». Новинка израильских ученых обладает на 2-3 порядка большей чувствительностью к разнообразным взрывчатым веществам, чем нос четвероногих друзей человека - собак. Согласно опубликованному сообщению, изобретенный в Тель-Авиве «нос» представляет собой чип, содержащий несколько сотен сверхчувствительных сенсоров. Именно эти сенсоры отвечают за обнаружение в воздухе молекул взрывчатых веществ.

Сообщается, что на чипе израильской новинки размещены нанотранзисторы, которые в состоянии изменять электропроводность при контакте с ними всего лишь одной молекулы взрывчатки. На основе самых небольших изменений электрической проводимости установленных нанотранзисторов разработанный учеными математический алгоритм осуществляет анализ взаимодействующего с нанотранзисторами вещества. По оценкам израильских ученых, представленное ими устройство в случае его серийного выпуска будет стоить дешевле, чем существующие на данный момент системы поиска взрывчатых веществ.

При этом точная информация о чувствительности созданного чипа не приводится, но говорится о том, что он в состоянии работать при концентрации даже в несколько молекул взрывчатого вещества на квадриллион молекул, принадлежащих другим газам. При этом поиск взрывчатки осуществляется в режиме реального времени. По заверениям израильских инженеров, электронный чип в состоянии успешно дифференцировать взрывчатые вещества от иных веществ, которые при проведении других тестов могут выдавать положительный результат.

Помимо этого, установленные на чипе сенсоры в состоянии находить и самодельные взрывные устройства, в которых могут быть применены нетрадиционные взрывчатые вещества. Сообщается, что «электронный нос» в состоянии определить гексаметилентрипероксиддиамин или пероксид ацетона, вещества которые довольно часто встречаются в самодельных взрывных устройствах. При этом израильский чип, в отличие от многих других систем по поиску взрывчатых веществ, может определять тип взрывчатки с очень высокой точностью. Сообщается, что устройство из Тель-Авива может работать также и с жидкостями.

Подобные исследования ведутся сегодня не только в Израили, но и в США, и России. Так в октябре прошлого года американские инженеры из Университета Вандербильта в Теннесси сделали заявление о создании ими новой технологии, направленной на поиск взрывчатых веществ как большой, так и малой мощности. В разработанном американскими учеными методе применяется фазированный акустический излучатель, который позволяет направить на проверяемый объект ультразвуковой луч.

Одновременно с этим на проверяемый объект наводится и лазерный луч, который позволяет достаточно точно измерить частоту колебаний его оболочки под влиянием воздействия на объект ультразвука. По частоте и силе возникающих колебаний можно с достаточно большой долей вероятности установить взрывчатку. Правда пока что данный способ работает лишь в случаях с взрывчатыми веществами, которые помещены в пластиковый контейнер. При этом разработчики говорят, что в перспективе возможности устройства удастся расширить и на тканевую оболочку.

«Электронный нос» в России

Работы над созданием «электронного носа» ведутся и в России. Еще в марте 2013 года «Российская газета» писала о том, что в нашей стране на одном из предприятий был изготовлен «электронный нос». При этом перед данным устройством ставились самые серьезные задачи - улавливать в воздухе молекулы и атомы вещества для того, чтобы затем определять наличие опасных компонентов и различных взрывчатых веществ.

Эта в высшей степени тонкая работа требует использования достаточно нестандартной элементной базы. Такая база была разработана специально для России белорусскими коллегами, представляющими ГНПО «Планар». Это единственное на сегодняшний день на постсоветском пространстве предприятие, на котором в комплексе осуществляется процесс разработки и производства оборудования, необходимого для выпуска микроэлектронной продукции. При этом данное предприятие объединилось со своими российскими коллегами в рамках реализуемой в союзном государстве научно-технической программы «Микросистемотехника».

Если же возвращаться к «электронному носу», то основным его предназначением является работа с запрещенной химией. Запрещенной химией называют взрывчатые вещества, наркотики, различные отравляющие вещества. При этом количество элементов, входящих в данную негласную таблицу, каждый год растет и эволюционирует. Меняется состав используемых компонентов, возникают новые способы производства. Поэтому распознавать такие вещества традиционными средствами становится с каждым годом все труднее и труднее.

Сегодня на модернизацию систем контроля аэропортов, таможенных и пограничных служб, стратегических объектов расходуется огромное количество бюджетных средств, приобретается большое количество нового оборудования. Хотя в идеальном случае понадобился бы всего один, но универсальный прибор, который смог бы распознавать самые разнообразные вещества, оперативно обучаясь и самосовершенствуясь, был бы простым и компактным. Похоже, что российские инженеры могут предложить промышленности именно такой прибор.

Речь идет об устройстве под названием «электронный нос», которое работает на основе спектрометрии ионной подвижности. По словам доцента кафедры микро- и наноэлектроники Национального ядерного исследовательского университета Николая Самотаева, это достаточно компактное переносное устройство, которое в состоянии определять тысячи существующих видов взрывчатки.

Николай Самотеев отмечает, что при обучении животного ему дают понюхать взрывчатое вещество, поощряя собаку чем-то вкусным. Если собака запомнит, что за нахождение взрывчатки ее ждет вкусный подарок, она всю свою жизнь будет заниматься ее поисками. Перестроится с этой миссии животному трудно чисто психологически. Совсем другое дело современные устройства. Прибор «электронный нос» устроен таким образом, что один раз поднеся к устройству то или иное вещество и нажав кнопку «запомнить», вы гарантировано оставите в его памяти всю необходимую информацию, которая будет храниться в устройстве все время его эксплуатации.

Сам принцип, по которому будет работать небольшое устройство с тонким пластиковым хоботком, был представлен еще в 1960-е годы. Такая технология главным образом использовалась в армии в подразделениях биологической и химической защиты. Сегодня, благодаря очень быстрому развитию микроэлектроники, такой прибор уже не занимает треть грузового автомобиля. Современные устройства не просто весят не больше 3-х килограммов, они стали невероятно чувствительными. Существующие сейчас приборы легко могут показать наличие в воздухе нитроглицерина, RDX, нитротолуола, взрывчатки С4 и одного из самых распространенных в России взрывчатых веществ - гексогена.

При этом в нашей стране прибор создавался совсем не для поисковых операций. Это своеобразный побочный эффект от его создания. Первоначальная задача прибора заключается в охране стратегических объектов компании «Росатом». Именно по этой причине над прибором работал Национальный ядерный исследовательский университет.

Источники информации:
http://lenta.ru/news/2014/07/25/nose
http://www.vesti.ru/doc.html?id=1164303
http://www.rg.ru/2013/03/14/kibernos.html

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Говорят, что рыба ищет, где глубже, а человек - где лучше. А умный человек - где не только лучше, но еще и проще. Столкнувшись с неизвестной субстанцией, самым прямым путем ее распознать будет попробовать или понюхать. Однако если по ряду причин поступать так не хочется (см. заглавную картинку) или не очень-то получается, тут стόит начать придумывать что-то получше. Путем нехитрого синтеза получаем не простые нос и язык, а электронные. Чтобы могли почуять и сорт вина, и загрязненность воздуха, и онкомаркеры.

Обратите внимание!

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни ». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon .

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science .

Развитие электронных носов и языков началось еще на заре 20 века с создания теории ионного обмена . Придуманное на этой базе техническое устройство - всем нам знакомый pH-метр . Время шло, и с ним были изобретены еще несколько датчиков на основе полупроводниковых технологий. Все они базировались на одном принципе: переводе химического сигнала в электрический.

Используя накопленный багаж знаний и технологий, в 1982 году Персод и Додд сконструировали первый электронный «нос », который состоял из трех полупроводниковых сенсоров на основе оксидов металлов и мог различать до 20 одорантов (отдельных пахучих веществ). А в 1995 году был представлен и первый электронный «язык» - совместная разработка российских и итальянских ученых, - способный качественно и количественно оценивать состав жидкой смеси .

Определение понятия «электронный нос» появилось еще в далеком 1988 году, однако оно используется в неизменном виде и сейчас: это аналитическое устройство для быстрой регистрации и идентификации смеси одорантов, имитирующее принципы работы человеческого носа . Идея достаточно проста - химические сенсоры, взаимодействуя с газообразной смесью, создают определенный «ароматный» профиль (как сейчас модно говорить, фингерпринт), который сравнивается с уже существующим стандартом (рис. 1).

Рисунок 1. Получение фингерпринта для определения рака легких и степени свежести рыбы.

Примерно такие же процессы происходят и в мозге человека, уже знакомого с определенным спектром запахов. Впрочем, как и наш нос, он способен обучаться, запоминая новые запахи. Забегая вперед, это и составляет суть всего метода: сперва вычленяют спектры веществ при нормальном и нежелательном состояниях, а затем сравнивают опытный образец с этими стандартами. Однако на этом сходство заканчивается - в устройстве и деталях работы наше и электронное обоняние совсем не похожи (рис. 2).

Восприятие человеком запаха и вкуса устроено несколько сложнее, чем зрение или слух. Причина кроется в количестве и разнообразии рецепторных клеток. В носу число ресничных клеток, реагирующих на молекулы пахучих веществ, достигает 50 миллионов, на языке их 400-500 тысяч, и на каждой из них могут быть рецепторы к разным молекулам. Все эти клетки различаются по содержанию рецепторов к конкретным веществам. При взаимодействии со сложной смесью веществ (а в жизни мы чаще всего и встречаемся со сложными вкусами и запахами) активируются лишь некоторые из них. Более того, возбуждение в сенсорных клетках передается от специфического рецептора через довольно сложную систему внутриклеточной сигнализации (в отличие от электронных сенсоров, объединяющих рецептор и передатчик «в одном флаконе»). Это генерирует потенциал действия, который принимают вышестоящие по иерархии нейроны, причем каждый из них взаимодействует не с одной, а с несколькими рецепторными клетками. Таким образом формируется специфический паттерн активации, в дальнейшем интерпретируемый в соответствующих центрах коры головного мозга. Стоит отметить, что восприятие вкуса тесно переплетено с обонянием; также в распознании вкуса участвуют термо- и механорецепторы . Очевидно, что точно скопировать количественное и качественное содержание химических сенсоров (а также скопировать их взаимодействия при передаче сигнала) довольно трудно. Поэтому большинство сконструированных электронных носов имеет лишь ограниченную область применения, оперируя примерно 30 сенсорами за раз - с определенной степенью точности и специфичности. То же справедливо и для электронного языка, разве что образец в данном случае будет жидким, а вещества - не обязательно пахучими.

Так что же можно найти внутри «носа» и «языка»?

В общем представлении электронные нос и язык состоят из четырех компонентов :

1. камеры сбора образца (для «пробоподготовки» путем удаления всех нежелательных факторов),
2. сенсорной части,
3. блока получения данных,
4. системы распознавания фингерпринта.

Рисунок 3. Нюхоскоп профессора Фарнсворта (м/с «Футурама») вынюхивает даже космический мусор.

Со стороны функциональной организации «носов» и «языков» существует два основных подхода к дизайну. Первый основывается на высокой специфичности (строго к своему соединению) каждого датчика в массиве. Таким способом мы получаем дискретные сигналы от каждого из сенсоров - есть вещество или нет - и по ним делаем выводы о составе смеси. Второй подход предполагает использование рецепторов с меньшей «разборчивостью» в плане регистрации молекул. Но если все сенсоры будут немного разными, они будут давать немного различающийся ответ на одно и то же соединение. Для детекции чаще используют первый подход: при диагностике люди обычно знают, что они хотят или чего не хотят обнаружить. Но и второй вариант находит своего исследователя (об этом чуть подробнее рассказано в последней части статьи).

Но каким бы ни был подход, в большей степени определять работу прибора будет массив сенсоров, так как именно тип и количество элементов в нём отвечают за точность регистрации и разнообразие воспринимаемых молекул. В процессе сбора информации сигнал переводится из формы химических реакций в другую: электрическую, химическую, магнитную, температурную.

В «носах» и «языках» используют восемь основных типов сенсоров: кондуктометрические, амперо- и вольтметрические, потенциометрические, импедометрические, пьезоэлектрические, оптические (колори- и флуориметрические), основанные на принципах хроматографии и/или масс-спектрометрии, а также биосенсоры. У всех них есть и свои преимущества, и недостатки, и, исходя из этого, области применения . Сейчас подобные приборы используют в основном в клинической диагностике, контроле технологических процессов и мониторинге параметров окружающей среды. Ряд сенсоров - например, потенциометрические - проходит «пробу пера» в качестве гастрономических дегустаторов. (Подробнее о современном практическом использовании я расскажу в последней части статьи.) Впрочем, никто не отменял и перспективы - скажем, определение взрывчатки по запаху (для чего сейчас используют преимущественно собак) . Или поиск людей, предметов и планет по запаху, как в XXXI веке (рис. 3).

Пока же рассмотрим важнейшие характеристики сенсоров разных типов.

Распробовать, затем понять

Упомянутые элементы вполне могут быть объединены в массивы или cкомбинированы в одном устройстве, тем самым расширяя обонятельные и гастрономические возможности приборов; тип и количество сенсоров будут определять область применения конкретного «носа». Ожидаемо, что при обогащении сенсора датчиками получаемая от них информация становится всё больше похожа на беспорядочный поток данных. А значит, и метод анализа этого хаоса должен быть значительно хитрее, чем у односенсорного прибора (рис. 5) .

Умный анализатор сперва осуществит предварительную оценку и корректировку полученного сигнала, уберет шумы. Затем запустится и сам анализ. Самым простым его вариантом будет графическое отображение гистограммы необработанных данных или радиальной диаграммы. В таком случае будет проводиться сравнение с такими же диаграммами уже известных фингерпринтов, фактически на глаз. Также можно использовать кластерный анализ и иные статистические методы. Последней же тенденцией стало использование искусственных нейронных сетей . Они очень хороши для случаев, когда результат конкретного анализа непредсказуем либо нет никаких стандартов для сравнения. В процессе дегустации чего-то нового связи между отдельными элементами искусственной нейронной сети будут усиливаться или ослабевать; «мозг» электронного носа или языка тем самым будет учиться распознавать конкретный запах и определять полученные данные как тот или иной тип вещества.

Что и зачем будем дегустировать

Когда средневековый король боялся стать жертвой игры престолов, он заводил себе придворного дегустатора - если что, его не очень жалко. Да и когда король был относительно спокоен за свое место на троне, этому слуге тоже хватало работы - еда вполне могла быть испорченной, зараженной или просто невкусной. Сейчас же эту грязную работу мог бы взять на себя электронный нос (или язык).

Сегодня проверка безопасности и качества еды на разных стадиях как раз и является основной областью активного внедрения этих приборов. Одно дело, когда можно попробовать яблоко и понять, созрело оно или нет. Но совсем другое - проверять, испорчено ли сырое мясо, содержит ли вредные примеси вино и есть ли патогенные бактерии и грибы в пшенице. Биохимические и микробиологические методы мониторинга достаточно точны, но довольно дороги и требуют сравнительно много времени. Тогда как «нос» или «язык», купленный единожды и надолго, даст результат за секунды. В условиях нынешнего бума на свежую еду без консервантов вопрос сроков проведения анализа становится критичным. Представим молочный завод, производящий непастеризованное - «живое» - молоко. Обычные патогены цельного молока - это бактерии Listeria spp., Salmonella spp., Escherichia coli, Campylobacter spp., Shigella spp. и Brucella spp. Диагностический бактериальный посев потребует в лучшем случае два дня времени, некоторое количество специальных питательных сред и реактивов, а также человека, который всё это будет делать. Пожалуй, от необработанного молока из-под коровы за два дня останется мало хорошего.

Конечно, как вариант, можно сделать иммуноанализ или ПЦР - они быстрее. Но в долгосрочной перспективе всё еще значительно дороже. Альтернатива таким подходам - приборы на кондуктометрических полимерных сенсорах. По сути, они не «чуют» конкретных бактерий, но, зная разные варианты запаха испорченного молока, могут вынести вердикт: похоже или нет. Кроме того, по размерам и сложности в управлении они напоминают нынешние смартфоны .

Впрочем, и не молоком единым. При продуманном подборе сенсоров эти устройства способны быстро оценивать разные продукты методом сравнения с определенным набором стандартов. Да и производство их всё более удешевляется, вплоть до вывода на массовый рынок. Например, компания Peres уже сейчас предлагает приобрести Food Sniffer по цене меньше 150 долларов, декларируя его способность определять испорченность или зараженность продуктов патогенами (рис. 6).

Раз можно научить «носы» и «языки» находить ненадлежащие составляющие в еде, сравнивая со стандартами, значит, можно и пробовать вычленять известные компоненты из блюд. Такое экзотическое направление, как молекулярная кулинария, очень требовательно к точности гастрономических свойств продуктов. Традиционному ресторанному повару тоже будет полезно знать, что у него сейчас в сковороде. Скажем, есть такие электронные носы: определяющий наиболее ароматные продукты и распознающий состав приправ, использованных при приготовлении курицы и говядины . С учетом большого числа одорантов, составляющих аромат одного конкретного продукта, задача решена внушительная.

Рисунок 7. Снятие этикетки выводит из строя рецепторы сомелье, но не сенсоры электронного «языка». Рисунок с сайта www.pinterest.com .

Чем больше и сложнее будет система сенсоров, тем вероятнее, что электронные носы и языки начнут конкурировать и с профессиональными дегустаторами. В этом есть рациональное зерно. Во-первых, таких профи очень мало. Во-вторых, человеческое восприятие довольно субъективно. Прибор не станет работать иначе из-за того, что поссорился с женой, не выспался, терпеть не может пробуемый шпинат или на тарелке лежит не слишком привлекательное блюдо. К слову, в 2004 году было проведено забавное исследование: людей попросили продегустировать в темноте клубничный йогурт, а на самом деле им дали шоколадный. В итоге 19 из 32 человек отметили «выраженный клубничный вкус». Конечно, можно возразить, что они не были критиками. Но и эксперты нередко проваливают тесты из-за особенностей ситуации. Чуть позднее была проведена серия экспериментов с профессиональными сомелье. В первом из них 54 критикам дали белое вино с красным безвкусным красителем, и ни один сомелье не распознал вкус белого вина. Также им предложили определить, в какой из двух бутылок без этикеток вино изысканное и дорогое, а в какой - обычное столовое (рис. 7). Команды разошлись во мнениях - 12 к 20. И были немало удивлены, узнав, что в обеих бутылках находится одинаковое вино среднего класса .

Более того, даже без внешнего влияния люди уже начинают проигрывать новым прототипам электроники. В исследовании Миланского университета две панели датчиков соревновались в обонянии с группой испытуемых - и сенсоры показали лучшие результаты .

Еще до внедрения электронных носов и языков обоняние было подручным диагностическим инструментом - например, для распознания газовои гангрены на поле боя или кетоацидоза в палате неотложнои помощи. Притом обоняние не только человеческое: некоторые животные чуют более остро. Инфекционные заболевания и злокачественные новообразования часто ассоциированы с метаболическими изменениями в организме, которые достаточно чувствительное обоняние может уловить. Впервые это было замечено, как водится, случайно. В 1980 годах некая собачница посетила дерматолога с необычными жалобами: пёс постоянно принюхивался к родинке на ее ноге и даже пытался ее откусить. Обследование выявило меланому, и проводивший его доктор очень заинтересовался феноменом . На данный момент накоплено много исследовании диагностического применения обоняния: описана, например, практика выявления рака легких и молочной железы, гипогликемии, астмы с использованием обоняния тренированных собак, а также обнаружение туберкулеза обученными крысами.

Технология привлекла внимание ученых-биомедиков. Ведь воздух, выдыхаемый человеком, полон ценной информации: помимо CО 2 , СО, О 2 и N 2 с выдохом выделяются метаболиты, которые перед этим разрушаются до малых летучих соединений. Вполне подходящая работа для электронного носа. Метод очень быстр и неинвазивен, что в определенных ситуациях важно и даже необходимо для диагностики.

Наверняка многие слышали, что запах ацетона изо рта свидетельствует о таких неприятных заболеваниях, как сахарный диабет или тиреотоксикоз. Но врач-диагност может ощутить запах только тогда, когда заболевание уже прилично запущено. Для отлова болезни на ранней стадии можно использовать полупроводниковые датчики на основе оксидов металлов. Сходным способом можно регистрировать аммиачные соединения - признак почечной недостаточности. В норме их концентрация не должна превышать одной частицы на миллиард. Нос доктора учуять этот запах не может, а нос робота - успешно справляется .

«Нос» или «язык» могут найти и инфекционных агентов. Например, для современного иммунотеста белков оболочки вируса гриппа нужно в три раза больше, чем для биосенсора с антителами в составе . По сравнению с ПЦР - стандартным, но всё равно редко использующимся методом - этот подход куда менее точен, однако более быстр и дешев, а также не требует специальной подготовки (например, выделения ДНК из образца) .

Не обошел стороной метод и онкологическую диагностику. Самым первым и самым ожидаемым применением в ней электронного носа была диагностика рака легких . На тот момент накопилось много исследований различий состава легочного воздуха в норме и при патологии. Например, при онкозаболевании (впрочем, как и при астме, а также муковисцидозе) наблюдается закисление выдыхаемого конденсата . С определением изменения pH очень быстро справится самый простой в устройстве электронный язык. Это быстрый и действенный, хотя и низкоспецифичный способ диагностики: он определяет большинство серьезных легочных патологий. Однако путем сравнения образцов конденсата больных и здоровых людей (а также построения схем этих паттернов) выявили 17 летучих веществ, предположительно служащих маркерами развития рака легких (рис. 8). Для регистрации паттернов таких веществ применяют сенсоры, несущие порфириновые кольца, - вещества, образующие разнообразные физико-химические связи с аналитом. Уже используют и массивы наночастиц золота, покрытые молекулами с длинными углеводородными хвостами и тиоловыми группами для прочного (ковалентного) связывания. Большинство этих технологий пока находится на стадии развития и проработки, но некоторые успешно применяются в лабораториях и клиниках.

Рисунок 8. Паттерны одорантов, определяющих наличие/отсутствие рака легких, зарегистрированные электронным носом (реальные и искусственные образцы). Рисунок с сайта www.nanowerk.com .

В разделе о сенсорах уже упоминалось об удобстве «носов» и «языков» для экологических тестов. Клеточные биосенсоры могут определить, всё ли в порядке с водой и воздухом, а физико-химические - что именно не в порядке. Более того, окружающая среда - понятие широкое, вплоть до воздуха на космической орбитальной станции. Здоровье и безопасность космонавтов в замкнутом пространстве космической жестянки предстает первостепенной задачей. Так, в 2003 году NASA завершило разработку электронных носов, применяющихся как для оценки условий жизни космонавтов, так и для тестирования выхлопов механизмов станции (рис. 9) .

Приборы, безусловно, можно применять и в криминалистике - ведь используют же с давних времен собак-ищеек для выслеживания преступников. Забавно представить Шерлока Холмса, бегущего по улицам Лондона с электронным носом наперевес. Хотя... полицейские некоторых штатов США уже экипированы простейшими электронными носами, заточенными на определение дыма марихуаны . В такой прибор встроена и система геолокации источника запаха. Берегись, правонарушитель-растаман!

Помимо разработки «носов» для более-менее узкого применения, ученые пытаются максимально приближенно сымитировать работу человеческого носа (или языка). Таким приборам разумно быть низкоселективными, но способными по-разному отвечать на одно и то же соединение (ввиду небольших различий в структуре самих сенсоров). Самая сложная задача при создании таких эмуляторов - разработать похожий по величине сенсорный массив с достаточной комбинаторной сложностью, чтобы распознавать запахи реального мира. Также важно, чтобы эти датчики могли быть произведены с высокой химической точностью. Ученые подумали и пришли к выводу: таким требованиям вполне могут отвечать однонитевые цепочки ДНК - было обнаружено, что их ответ на взаимодействие с молекулами зависит от нуклеотидного состава и последовательности . Так, уже создан рабочий прототип электронного носа, претендующего на роль дублера носа человеческого (рис. 10). В нём используют огромный массив молекул ДНК, связанных с флуоресцентной меткой и закрепленных на твердом субстрате. При достаточном размере такой массив способен регистрировать очень широкий спектр сложных запахов (разумеется, с предварительной тренировкой прибора на смесях стандартов).

Рисунок 10. Электронный нос, созданый в Медицинской школе Университета Тафтса, США. Рисунок с сайта e-nose.blogspot.ru .

Применение «носам» и «языкам» такого плана может найтись в протезировании, создании баз данных окружающих нас запахов и вкусов, а также в робототехнике. Например, сейчас роботы-повара уже не считаются чем-то новым. Большинство из них просто научено подражать живым поварам во всех их действиях. Получается аккуратно и вкусно. Но до полноценной замены живого шефа (что жутко пугает одних людей и воодушевляет других) им недостает каких-то креативных решений и смелости отойти от рецепта. И то, что мешает сделать робо-Гордона Рэмзи - это невозможность ощущать вкус и запах, выносить суждения и вносить улучшения на лету. Именно поэтому роботы могут сварить много вариаций супа, но не могут сделать суп просто «лучше». Однако вмонтировав им «нос» и «язык», их можно научить принимать субъективные решения.

Такая очеловеченная субъективность пригодится еще и в парфюмерной отрасли во всём ее разнообразии - от высокого искусства до промышленного синтеза отдушек. Для создания концептуально нового аромата (а не копирования запаха манго для сорта жвачки) самый главный критерий - общая приятность. Вещь, хоть и субъективная для каждого, на достаточной выборке работать будет. И для этого тоже уже есть свой «нос»: французские ученые оптимизировали и сравнили несколько вариантов приборов для определения вероятности того, насколько полюбится человеку тот или иной аромат. И, судя по исследованию, машины неплохо с этим справляются .

В перспективе развития технологии - модификации и усовершенствования сенсорной части аппарата: 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 . Таким образом, графеновые и фуллереновые химические и биосенсоры должны стать следующим шагом в исследовательском и коммерческом применении электронных носов и языков. И, разумеется, никто не отменял производство каких-то забавных гаджетов, которые через пару-тройку лет, может, доведется купить в онлайне. Например, китайская студентка Джу Джинксан разработала концепт электронного носа, совмещенного с небольшим принтером (рис. 11)

Восточные специи, кора сандалового дерева и немного фруктов - это Addict, классический аромат Christian Dior. А вот чем пахнет Ma Griffe от Carven: скошенной травой, свежими листьями и бутонами цветов. Различить все эти ноты с первого раза и без подсказки непросто - тут нужен хорошо тренированный нос. Или высокие технологии.

Португальский химик Алирио Родригес составил описания известных духов, вообще не напрягая обоняния. Парфюмерию за ученого дегустировал компьютер, подключенный к сложной системе датчиков. Так Родригес проверял в действии свой метод автоматического анализа ароматов. Испытания успешно завершились несколько месяцев назад, и теперь, утверждает химик, его изобретение способно здорово облегчить работу парфюмерам.

Родригес не единственный, кому удалось разработать систему «электронной дегустации». За последние несколько лет исследователи научились создавать приборы, хорошо подражающие работе обонятельной и вкусовой систем человека. Испытаниями занимаются уже не только ученые - в экспериментах начали участвовать виноделы.

Вот как дегустируют запахи в лаборатории Родригеса: сначала химик аккуратно набирает в шприц туалетную воду или духи и вводит в приемное отверстие прибора. Для эксперимента нужно совсем немного жидкости - достаточно одной десятой части капли, висящей на кончике иглы. Образец попадает в специальную камеру, где быстро нагревается и образует пары. Затем в дело вступают газовый хроматограф и масс-спектрометр - приборы для точного химического анализа. Они позволяют узнать, что именно и в каких пропорциях добавили в свой продукт парфюмеры. А дальше - чистая математика.

В базу данных управляющего анализом компьютера заложена информация о том, чем пахнет тысяча веществ, часто использующихся в парфюмерии. Португальский химик взял данные из каталогов, которые составляют специалисты парфюмерных компаний. Зная запах каждого ингредиента, можно рассчитать, каким ароматом будет обладать вся смесь. Нужно только учесть особенности человеческого обоняния.

«Даже очень хороший эксперт способен выделить в сложном запахе от силы три-четыре самых ярких составляющих, - объясняет Родригес. - Они и определяют аромат». Все остальные компоненты нос воспринимает как незначительные нюансы. Этим португальский химик и пользуется. Ноу-хау Родригеса - созданная в его лаборатории компьютерная программа. Она вычисляет, какие именно вещества вносят в запах духов наибольший вклад. Тут приходится учитывать не только пропорции ингредиентов, но и их химические свойства, например летучесть. В итоге компьютер выдает характеристику аромата в виде коротких определений: «цитрусовый», «травяной», «цветочный». Эти оценки не сильно отличаются от мнения экспертов.

Анализ аромата хорошо известных духов - это первые шаги. С помощью нового метода можно получать характеристики совершенно новых сочетаний ароматических веществ. Для этого не обязательно готовить саму смесь - достаточно ввести в компьютер список компонентов и указать пропорции. «Парфюмеры создают новые запахи дорогостоящим методом проб и ошибок, - говорит Родригес. - С помощью виртуальной дегустации можно быстро отобрать наиболее подходящие рецепты, а потом уже работать с ними по старинке, вручную». Химик признает, что полностью заменить человека компьютер пока не в состоянии. Необходимость постоянно обращаться к созданным экспертами каталогам - вот слабое место электронного парфюмера.

В лаборатории израильского нейрофизиолога Ноама Собеля работают над тем, чтобы научить технику оценивать запахи совершенно самостоятельно. Собель и его коллеги испытывают «электронный нос» - устройство, имитирующее работу обоняния. Этот аппарат представляет собой набор миниатюрных химических датчиков, которые реагируют на присутствующие в воздухе органические вещества. Сейчас такие приборы используют для обнаружения наркотиков и взрывчатки. Израильские ученые собираются искать с помощью электронного носа новые ароматы. Для этого они научили устройство подражать человеческим вкусам. В качестве эталона для подражания выступила группа из 56 добровольцев.

Ученые попросили посетителей лаборатории понюхать пробирки с 123 различными химическими веществами и оценить свои ощущения по специальной шкале. Запахи в эксперименте были самые разные. «Я их все испробовал на себе, - рассказывает Рафи Хаддад, один из авторов проекта. - Приятнее всего пахли эфирные масла цитрусовых растений». Самым отвратительным из того, что пришлось понюхать Хаддаду, была чистая валерьяновая кислота. По запаху она здорово напоминает две вещи - «тухлый сыр и грязные носки».

После того как люди выставили веществам свои оценки, образцы дали «понюхать» прибору. Хаддад и Собель обнаружили простую закономерность - на неприятные для человека запахи срабатывали одни группы датчиков, а на приятные - совсем другие. Ученые использовали это наблюдение и написали для электронного носа новую программу. Теперь он выдает оценки даже тем запахам, с которыми раньше никогда не сталкивался. Например, гнилые фрукты или ацетон прибору точно не понравятся, а клубника придется по душе.

Ученые уверены, что их система готова для практического использования. Применение таких приборов позволит во много раз ускорить разработку ароматических веществ. Химики постоянно синтезируют новые компоненты для духов. Парфюмеры просто не успевают всех их оценить. «Эксперт может работать с образцами ароматических веществ два-три часа, а затем ему потребуется длительный отдых, - говорит Хаддад. - Автоматические анализаторы могут оценивать запахи 24 часа в сутки».

От использования высоких технологий могут выиграть не только парфюмеры. Электронные дегустаторы способны упростить жизнь знатокам вин. В этом уверен португальский химик Хосе Маркес. Он приспособил анализатор химического состава жидкостей к дегустации мадеры. Прибор обнаруживает в вине органические вещества, образующиеся при созревании напитка. Сейчас электронный дегустатор умеет определять возраст мадеры с точностью до 1,8 года. Это только начало. «Следующая задача - научить прибор предсказывать, что будет происходить с созревающим вином в будущем», - рассказывает Маркес. Пока давать такие прогнозы могут только очень хорошие специалисты. «Опытному дегустатору достаточно один раз попробовать молодое вино, и он расскажет вам, каким оно будет на вкус через пару десятков лет», - говорит химик.

Маркес занимается своими исследованиями совместно с ассоциацией экспортеров мадеры - Madeira Wine Company. Научный подход к дегустации заинтриговал не только португальцев. «На нас уже вышло несколько известных производителей французского коньяка, - говорит Маркес. - Попросили прислать наши наработки для ознакомления».

Электронный язык, который использует в своей работе Маркес, можно без труда приспособить для самых разных напитков. «Все, что нужно, - заменить часть датчиков», - объясняет химик Алиса Руднитская, один из создателей прибора. Она начала работать над устройством в Санкт-Петербургском государственном университете, а потом перебралась с разработкой в Португалию. «В России никак не получалось найти под проект инвестора, - объясняет она. - А здесь мы уже ведем подготовку к коммерциализации аппарата».

У электронных языков и носов большие перспективы, говорит американский химик и специалист по вину Брюс Зукляйн. «В будущем автоматические анализаторы будут использовать для контроля происхождения вина - например, чтобы узнать, в каком регионе рос виноград, из которого оно сделано, и какого он был сорта». Всем этим сейчас занимаются профессиональные дегустаторы, но у них свои недостатки. «Даже самые прекрасные специалисты субъективны в своих оценках, - объясняет Зукляйн. - Огромный плюс электроники в том, что она беспристрастна». Сейчас Зукляйн работает на правительство штата Вирджиния и наблюдает за производством вина во всем регионе. Но у него есть и свои собственные научные разработки. Несколько лет назад Зукляйн приспособил электронный нос для того, чтобы по запаху определять наиболее подходящее время для сбора винограда. «Эта идея пришла мне в голову еще в детстве - я тогда очень любил бродить по виноградникам, - вспоминает химик. - Знаете, когда ягоды поспевают, у них совершенно меняется аромат!» К исследованиям Зукляйна уже давно присматриваются виноделы - некоторые даже разрешали ему проводить эксперименты прямо на своих виноградниках. Один из таких производителей - американская винодельня Pollak Vineyards. Результаты опытов бизнесменов впечатляют, но принимать электронику на вооружение они пока не спешат. «Наверное, все дело в специфике этой индустрии, - говорит ученый. - Вы не найдете на свете людей консервативнее, чем виноделы!»

Определить, чем болен человек, выследить и опознать преступника, отметить наличие в воздухе микроскопического количества вредного газа и многие другие операции сможет проделать электронный нос, над созданием которого работает американский ученый Эндрью Дрэвникс. Уже существуют машины, которые видят, слышат и осязают значительно лучше человека. Но что касается создания аппарата, копирующего работу органов обоняния, то здесь наука сильно отстала. И если будет создан искусственный нос, который превзойдет человеческие способности обоняния, то перед нами откроется удивительный мир новых возможностей.

Доказано, что для некоторых заболеваний характерен особый , связанный, очевидно, с нарушением химического баланса в нашем теле. Так, определенный запах часто сопутствует поздним стадиям рака, дифтерии. В одном из опытов крысы были обучены определять шизофреников по запаху, вызванному изменениями в обмене веществ.

Диагностика болезни по запаху в настоящее время еще большая редкость. Обычно это возможно лишь тогда, когда болезнь значительно прогрессировала, причем даже в этом случае врач должен обладать остро натренированным обонянием и чрезвычайно большим опытом работы.

Обоняющий аппарат сможет обнаруживать, дифференцировать и узнавать специальные запахи абсолютно точно, причем обонятельным способностям такого аппарата совершенно незнакомо явление «утомляемости» чувства. Доктор Дрэвникс утверждает, что благодаря обонятельному аппарату медицинская диагностика сможет стать чрезвычайно простым делом, причем, что особенно важно, болезнь будет выявляться в ранней стадии.

Собаки-ищейки давно доказали, что каждому человеку свойствен особый запах (за исключением близнецов, которые как бы делят один запах на двоих). Искусственный нос в будущем даст следственным органам возможность создать особую классификацию человеческих запахов точно так же, как они создали классификацию отпечатков пальцев. Включив аппарат в комнате, где, скажем, было совершено убийство, можно будет узнать, кто находился в этой комнате, помимо жертвы преступления. Даже если преступник уничтожил все следы, его выдаст его собственный запах.

Однако профессор Дрэвникс отмечает, что гораздо реальнее выглядит применение «носа» в технике. Здесь его потенциальные возможности довольно широки. В производстве духов искусственный нос гораздо лучше инженеров-экспертов сможет следить за процессом производства и качеством продукции. Аппарат найдет применение и в пищевой промышленности. Он заметит начало порчи продуктов, приспособит запах тех или иных продуктов к вкусам потребителей. Для организаций, имеющих дело с токсическими материалами, «нос» сможет вовремя обнаружить чреватую опасностью утечку ядов.

В межпланетных кораблях, подводных лодках, самолетах, поднимающихся на большую высоту, в любом тесном помещении и там, где ограничен доступ воздуха, «нос» сможет предупредить о степени загрязнения воздуха.

Однако создание такого совершенного прибора - дело будущего. Пока Дрэвниксу удалось создать аппарат, различающий только три запаха. Носителями запахов являются пары органических веществ. Механизм искусственного носа определяет их количественное содержание в воздухе, измеряя изменения в электрическом потенциале поверхности вещества, которое впитывает органические пары. Эти изменения фиксируются на осциллографе и измеряются точным потенциометром. Дрэвникс каталогизировал различные, но постоянные изменения потенциалов поверхностей для паров ацетона, тиофена, пиридина. Теперь его аппарат способен указать на присутствие в воздухе даже малых количеств этих веществ.

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что когда-нибудь электронные носы станут привычным предметом нашего быта, мы будем ими пользоваться, они (как в всякая другая бытовая техника) будут ломаться, мы их будем нести в ремонт бытовой техники (хорошую службу по ремонту можно найти на сайте http://rem-bot.ru/), и производителе будут выдавать гарантию на носы.