Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах - Паоло Пелоси

Ацетилен – очень простая молекула, всего из двух атомов углерода, соединенных тройной связью. Связь эту можно частично открыть и образовать длинную цепочку углеродов, связанных между собой попеременно одинарными и двойными связями. Такие полимеры, дополнительно сдобренные ионами, могут проводить электрический ток. Помимо того что эти молекулы очень нестабильны, для электронного носа нужно много сенсоров, а из одного проводящего полимера (скажем, полиацетилена) все равно получится только один.

Как-то раз у нас в отделе читал лекцию приехавший с визитом американский ученый. От него я узнал еще об одном классе проводящих полимеров – с длинной цепочкой, состоящей из повторяющихся пирролов. В то время на эти полимеры никто особо не обращал внимания, так как с ними было много проблем. Во-первых, слишком высокое электрическое сопротивление (чтобы их можно было использовать в качестве замены медным проводам); во-вторых, нестабильная проводимость, на которую влияли пары аммиака и другие газы. Но все эти недостатки – как раз то, что нужно для универсальных газовых сенсоров. Вдобавок пиррольное кольцо легко модифицировать, добавляя всевозможные химические группы и цепочки и добиваясь таким образом реакции на разные газы.

Вскоре после этого Кришна надолго переехал ко мне в лабораторию и занялся одоранто-связывающими белками (об этом мы говорили в главе восьмой); параллельно мы с ним принялись исследовать еще и эту тему. Мы хотели подготовить несколько производных пиррола, на основе которых можно получить ряд проводящих полимеров с разными характеристиками.

Через несколько месяцев был готов первый прототип аппарата, состоящий из 20 сенсоров и способный различать разные соединения одного химического класса (например, спирты, или кетоны, или амины), отличающиеся друг от друга всего одним-двумя атомами углерода.

Программное обеспечение, целиком написанное Кришной, работало на Commodore-64 – одном из первых домашних ПК, с ОЗУ в 64 Кбайт и кассетным магнитофоном в роли хранилища данных.

Результаты экспериментов вызвали всеобщий интерес; дальше события начали развиваться очень быстро. Кришна перебрался в Манчестерский университет, где продолжал совершенствовать электронный нос. Вскоре устройство пошло в продажу. Прототип показали в лондонском Музее науки, а компактную версию установили на космической станции «МИР», где она несколько лет прилежно собирала данные [2].

Простые устройства и их применение

Многие лаборатории приступили к работе над электронными носами – большинство выбрали в качестве регистрирующих элементов наборы проводящих полимеров, иногда в сочетании с газовыми сенсорами на оксидах металлов. Было основано несколько новых компаний; некоторые из них продолжают работу и по сей день. Название «искусственный» или «электронный нос» так понравилось публике, что заменять его более реалистичным никто не стал.

У таких устройств, конечно, есть ряд преимуществ и просто интересных характеристик. Они, как правило, вполне способны произвести анализ газовой среды в реальном времени и без необходимости разделять смесь на компоненты. В этом они похожи на биологический хемодетектор. Им нашлось немало полезных применений – например, в предварительном скрининге большой выборки образцов, после которого нужно выделить несколько для более точного и специфицированного анализа. Также их используют в мониторинге окружающей среды, где они могут в реальном времени послать сигнал тревоги, если вдруг изменится какой-то из наблюдаемых параметров. Фактически вместо попыток ольфакторного анализа наши современные устройства лучше всего справляются с наблюдением за воздушной средой над подопытным образцом и регистрацией изменений в ней.

Несмотря на то что они до сих пор довольно грубы структурно и функционально, их уже используют (в сочетании с химическим анализом и сенсорной эвалюацией) в пищевой промышленности, где они присматривают за тем, чтобы аромат продукта оставался постоянным; а также в экологическом контроле, где нужно следить за состоянием воды и воздуха. О предварительном скрининге, в том числе в медицинских целях, мы уже сказали. Некоторые заболевания, включая рак, нередко сопровождаются выделением летучих соединений, которые с легкостью «слышат» животные.

Есть немало сообщений, что собаки умеют чуять ранние стадии рака, а один кот несколько лет назад обрел славу вестника смерти. Он жил в больнице и приходил к пациентам, которые почти в 100 % случаев на следующий день умирали [3]. Как и искусственный нос, животные в этом отношении могут оказаться очень полезны: они указывают, что определенный пациент нуждается в повышенном внимании и дополнительных медицинских тестах.

До сих пор мы говорили об инструментах, производящих химический анализ газов в практических целях. Увы, до создания рукотворной системы, хотя бы приближающейся по функциональности к живому биологическому носу, нам еще очень далеко. Наверное, на нынешнем этапе остается только вернуться к более элементарным вопросам. Например, как мог бы выглядеть искусственный нос? На что он должен быть способен? Что нам нужно в плане «харда» (сенсоров) и «софта» (информации), чтобы действительно создать такой прибор?

Прежде чем приступить к дизайну искусственного носа, нужно разобраться, что же такое мы хотим соорудить. Это не такой уж тривиальный вопрос, учитывая, что нас интересует не просто симпатичная анатомическая структура, расположенная примерно посередине лица, а комплексная система регистрации и распознавания запахов, значительную часть которой составляет вообще-то мозг. Влетающие в нос молекулы порождают в конце своего пути словесные описания, эмоции и поведенческие реакции. До какой-то степени эти внешние последствия встречи с ароматом зависят от нашего жизненного опыта, воспоминаний, настроения, особенностей личности – иными словами, они субъективны.

«Хард» и «софт»

Всякий инструмент, наблюдающий за состоянием окружающей среды, в том числе и электронный нос, по определению состоит из «харда», аппаратной части (сенсоров, производящих некие измерения), и «софта», программного обеспечения (обрабатывающего аналитические данные и интерпретирующего их смысл в соответствии с некоторой системой критериев). Если говорить об электронном носе, «хардом» будет набор химических детекторов, способных взаимодействовать с молекулами запаха и реагирующих на список релевантных параметров.

Химические сенсоры

Подходят ли для этой задачи какие-то химические сенсоры? Зависит от того, нужно ли нам, чтобы аппарат хоть немного походил на биологический нос. Выше уже шла речь о двух типах сенсоров: оксидированном металле и проводящих полимерах. Оба умеют различать химические вещества, но вопрос в том, пользуются ли они теми же критериями, что и нос. В главе третьей мы обсуждали, какие молекулярные параметры лучше всего коррелируют с какими типами запахов. Форма и размер молекулы в целом более важны для запаха, чем функциональные группы. Если помните, спирты с разной формой молекулы пахнут по-разному (например, 3-гексенол с травяным запахом и 1-октен-3-ол – с грибным), но их ольфакторные характеристики не слишком меняются, если алкогольную группу заменить альдегидной или кетоновой. Все это следует учитывать при выборе сенсоров. Нам нужны сенсорные элементы, реагирующие одинаково на 3-гексенол и 3-гексеналь, но отличающие 3-гексенол от 1-октен-3-ола. Если эти химические детекторы будут не в состоянии отличить один спирт от другого (притом что пахнут они совершенно по-разному), никакой «софт» нам уже не поможет.