Электронный язык


«Электронный язык» | Нанотехнологии Nanonewsnet

Ученые создали прибор, который чувствует вкус

Петербургские ученые недавно сделали уникальное изобретение. Сконструирован прибор, который «чувствует» вкус. Технологию так и назвали – «Электронный язык». Имеется в виду не система символов и знаков, а именно орган, который расположен во рту.

«Электронный язык»

Как действует прибор? В специальную емкость заливается изучаемый образец. Это может быть любая жидкость. Опускаются химические сенсоры. На них – специальное покрытие с использованием нанотехнологий. Данные поступают на компьютер, обрабатываются, и система выдает ответ. Например, какая на вкус жидкость: сладкая, горькая, соленая и т. д.

Ученые сначала разрабатывали сенсоры, а затем последовательно «учили» прибор каждому вкусу. Этот процесс называется «калибровкой». Экспериментаторы загодя запаслись оценками профессиональных дегустаторов. Затем эти же самые напитки давали пробовать «Электронному языку» – чтобы запоминал, мог распознавать, понимать тип и интенсивность вкуса. А впоследствии уже без помощи людей на-гора выдавать: мол, пиво темное, сахар повышенный, хмеля в нем с перебором…

Искусственная дегустация – не единственное, что умеет прибор, – рассказывает ведущий научный сотрудник Лаборатории химических сенсоров СПбГУ Андрей ЛЕГИН. – Еще он умеет определять концентрацию того или иного вещества. У наших западных коллег, кстати, есть подобные разработки, но они значительно уступают нашим. Наши технологии намного разнообразнее, проще, надежнее да и дешевле.

Сейчас «Электронный язык» научили распознавать разные жидкости. Эта способность может здорово пригодиться – с его помощью можно будет выявлять фальсификаты.

Положим, есть у нас бутылка, на которой написано, что здесь красное вино урожая 2004 года. А мы сомневаемся, – объясняют ученые. – Несем его «Языку». Он нам даст полный расклад того, что на самом деле там налито. Еще более простой пример. Допустим, перед нами неизвестная прозрачная жидкость. Может, вода, а может, кислота. «Электронный язык» всего за две минуты подскажет, можно ли это пить.

Удивительный прибор может распознавать не только съестное. А даже «переварит» отработанное ядерное топливо. Прибором уже заинтересовались зарубежные фирмы – есть заказы от пищевиков и фармацевтов.

ТЕМ ВРЕМЕНЕМ

Петербургские ученые хотят наладить серийный выпуск своего изобретения. Но так как денег на разработку в России найти не смогли, средства придется искать за границей. А чем это грозит? Скорее всего, уникальные петербургские «языки» нашим предприятиям придется покупать в какой-нибудь Германии.

По прикидкам разработчиков, покупателям техническое ноу-хау влетит в копеечку. Выложить за него придется 500 – 600 тысяч рублей! Но прибор может стоить и дешевле. Это зависит от варианта исполнения. Цена станет меньше, если, допустим, «Язык» будет уметь только идентифицировать жидкости, но не сможет определять их вкус. Такой прибор будет востребован у эмчеэсников. В зоне чрезвычайных происшествий они смогут определять, можно ли пить, например, воду.

О том, что прибор можно будет использовать в быту, говорить пока не приходится. Но кто знает, может быть, наука сделает очередной шаг вперед и мы сможем прямо на своей кухне определять, действительно ли в соке содержится определенный процент мякоти или нас обманывает яркая этикетка.

Алексей ШИРИНКИН

http://www.kp.ru/…4056/301351/

Плата за вкус

Лизни меня — и узнаешь, что я! Петербургские ученые уже десять лет пробуют воду, вино, пиво и молоко электронным языком. Но дальше экспериментов дело не идет: российские инвесторы и промышленность не готовы вкладываться в инновации.

Пока чиновники на все голоса распевают гимн «несырьевому пути», ученые продолжают работать над инновациями. Вот уже десять лет смысл жизни сотрудников одной из лабораторий Санкт-Петербургского госуниверситета заключен в этом приборе. Со стороны кажется — ничего особенного. Штатив, провода, какие-то трубочки. Но как раз это и есть главный результат многолетней работы — «электронный язык». Отдельные сенсоры в аналитической химии применяются давно. А здесь — возможность получать данные «в ансамбле».

Сенсоры — потенциометрические, — терпеливо объясняет Андрей Легин, руководитель лаборатории СПбГУ. — То, что измеряет их сигнал, — это, грубо говоря, многоканальный вольтметр, оценивающий разность потенциалов каждого из сенсоров электродом сравнения. Затем данные обрабатываются — и вы получаете либо количественную, либо качественную информацию. Причем не от одного сенсора, а от всех вместе.

Все бы хорошо, вот только «языку», как оказалось, очень мешает «нос». Исследования в сфере анализа газов начались в середине 80-х. Тогда-то и возникли первые «электронные носы», которые теперь портят жизнь питерским ученым.

Во многих странах, и особенно в США, любое новое изобретение принято подавать как товар, который завтра будет применяться повсеместно. «Электронные носы» с самого начала позиционировались как устройства, которые позволят «понюхать» и сделать определенные выводы. Затем возникла масса технических сложностей, однако в 90-е появилось сразу несколько десятков компаний в Западной Европе и США, взявшихся за производство и продажу «носов».

Вот только не очень-то они продавались, — вспоминает Андрей Легин. — А во второй половине 90-х с этой проблемой столкнулись и мы. Мне много раз приходилось разговаривать с людьми, которые имели отношение к разным областям промышленности. Так вот, разговор начинался примерно так:

Это «электронный нос»?

— Нет, совсем другое.

Хорошо, тогда можем разговаривать дальше!

Андрей Легин

Вне традиции

Система, смонтированная в лаборатории, на человеческий язык, разумеется, не похожа вовсе. Главную работу выполняют сенсоры, приклеенные к концу небольшой трубки из ПВХ. Именно сенсоры — главное ноу-хау, их создают в соседней лаборатории, на кафедре радиохимии.

Использовать массивы сенсоров можно для получения самой разной информации, и прежде всего количественной. Например, быстро оценивать содержание тех или иных веществ в растворе. Но это далеко не всё.

Смотрите, мы берем две жидкости неизвестного состава, и с помощью такой системы можем распознать, одинаковы они или нет, даже не зная, что там внутри, — говорит Андрей Легин. — Это совершенно нетрадиционный для аналитической химии подход, ведь появляется возможность быстро отличить одну жидкость от другой и классифицировать их, поскольку систему можно обучать, ведь прибор выдает результат не сам по себе, а с помощью многомерных программ обработки данных.

Еще одна сфера применения «электронного языка» — анализ вкуса. Хотя и с известными поправками. «Пока трудно получить данные, которые были бы сравнимы с выводами специалистов-дегустаторов, — признает Андрей Легин. — Однако известно, что профессиональные панели дегустаторов компаний, производящих, например, прохладительные напитки, легко дают разброс от двух до восьми баллов по десятибалльной шкале — люди есть люди. А откалибровав нашу систему, можно оценивать вкус в терминах, привычных дегустаторам, — «горькое», «кислое», «сладкое», «соленое».

Кстати, мало кто знает, что сегодня ученые оперируют пятым основным вкусом. По-японски это звучит как «умами», а в переводе означает что-то вроде интенсивности, насыщенности вкуса.

Градус исследования

«Электронный язык» уже успел поработать со многими веществами, изучал многокомпонентный количественный анализ объектов окружающей среды, и прежде всего воду — дождевую, из луж, в стоках. Легин уверен, что для задач экспресс-анализа разработка куда более эффективна, чем применение традиционного компонентного подхода.

«Электронный язык» учится работать и с пищевыми продуктами. Лаборатория Легина уже исследовала минеральную воду, кофе, пиво, а особенно преуспела в работе с винами — в Италии, во Франции, в Португалии и Африке. Здесь российские ученые работают вместе с зарубежными коллегами, однако о коммерческой составляющей таких проектов говорить пока не приходится.

Приучают «язык» и к пиву: эта сфера, по мнению ученых, весьма перспективна в России, где производственные процессы все чаще дополняют биотехнологическим звеном.

«Проблема в том, что и у нас, и на Западе такие процессы слабо контролируются, — уверен Андрей Легин. — Обычно есть несколько параметров — температура, кислотность, иногда — содержание кислорода. И всё. Но главное, в большинстве случаев анализ ничего не дает, а на финальной стадии возникает дегустатор, который пробует и говорит: «Да, годится». Или: «Нет, придется вылить».

Однако в масштабах промышленного производства, когда приходится выливать гигантский бак в 50 тонн, это уже проблема. А такое происходит везде. Адекватный и всесторонний контроль за прохождением биотехнологических процессов — задача для таких систем, как наша. И аналогов просто не существует».

Есть у питерских ученых опыт применения «электронного языка» и в сельском хозяйстве: его научили определять заболевания крупного рогатого скота. «В России дойка до сих пор ручная или полуавтоматическая, — говорит ученый, — а вот в Англии распространены доильные роботы, людей не видно вообще. Корова заходит в стойло, автомат надевает на вымя доильный аппарат — и понеслось… Так вот, англичан очень интересовала возможность автоматического анализа качества молока. Наша небольшая лабораторная система, построенная прямо в поле, давала эффективность около 95% точности предсказания по анализу молока».

Наконец, не следует забывать о фармацевтике. Вот только российским производителям, делающим ставку на дженерики (лекарства, на которые кончился срок патента, и состав их опубликован), «электронный язык» не нужен. В отличие от гигантов мировой фарминдустрии.

Даже если вам точно известен патоген, вызывающий ту или иную болезнь, теоретически предсказать молекулу действующего вещества лекарства, которая будет эффективно бороться с патогеном, невозможно. Исследователям приходится синтезировать большой ряд молекул и каждую пробовать. «Большой ряд», чтобы вы представляли, это от 100 тысяч веществ.

Их, кстати, по заказу фармацевтических компаний, часто делают в России — на жаргоне это называется «варить сусликов», — смеется Легин. — Затем из 100 тысяч веществ определяется 500, которые более или менее могут соответствовать. Их исследуют глубже и выделяют пару десятков веществ, которые уже могут представлять интерес в качестве лекарственных препаратов.

Именно на этом этапе очень кстати может оказаться «электронный язык». А вдруг детское лекарство получится таким горьким, что пациенты просто не смогут принимать его? Тем временем определить тип вкуса нового препарата на ранних стадиях иначе как при помощи сложных анализаторов невозможно. Теоретически — тоже.

А теперь главный вопрос. Почему инвесторы, которые рыщут по рынку в поисках новых технологий, до сих пор не толпятся гурьбой в приемной СПбГУ и не размахивают чеками?

Из науки — в рынок

Казалось бы, коммерческие перспективы «электронного языка» очевидны. Представим себе хотя бы массовый прибор, продающийся в магазинах бытовой техники и электроники и способный оценивать потребительские качества пищевых жидкостей — минеральной воды из бутылки, соков и молока. Купят такую игрушку домохозяйки? Купят. А если добавить сюда корпоративный рынок…

Но увы, до сих пор превратить научное изобретение в коммерческий проект Андрею Легину не удалось.

В чем дело? Легин полагает, что виноват длинный «электронный нос», испортивший репутацию всех аналогичных разработок:

Неудачный опыт «электронных носов» — действительно историческая проблема. И потом, существуют аналитические методы, которые всем известны и широко применяются. Соответственно, есть масса аналитических приборов, которые давно выпускаются. Большинство из них немало стоит, хотя ни один не делает то, что делает наша система. Но все разрабатываемые технологии так или иначе ориентируются на уже существующие приборы. Для того чтобы пробиться, требуются усилия, время, деньги.

Мы не являемся чрезмерными оптимистами, но думаю, что в некоторых областях такие системы могли бы очень пригодиться. В России у нас были некоторые коммерческие контакты, но незначительные. Столь же незначительными они и остались. Что из этого может вырасти? Посмотрим. На самом деле коммерциализацией системы мы занимаемся уже семь лет, учредили даже компанию «Сенсорные системы», и это не первая аффилированная с нами фирма. Она предназначена для того, чтобы систему, которая сейчас стоит в лаборатории, сделать в виде железа, конечного продукта, и поставить на стол пользователю.

Однако в нашей стране это процесс долгий и мучительный. И результатов пока никаких.

Главная проблема разработчиков «электронного языка» в том, что система еще не пригодна для массового использования. Да, есть экспериментальный прибор, есть специалисты и теоретическая база, но нет готового продукта — удобного и понятного для пользователя. Пока «электронный язык» существует в виде трубочек и проводов, путь на полку супермаркета ему заказан.

Мы занимаемся сенсорами, это наша основная научная задача, — говорит Андрей Легин. — Наши сотрудники хорошо представляют себе, как проводить анализ и измерения. Но это не годится для массового рынка. Тут нужен прибор с большой красной кнопкой, в которую можно ткнуть пальцем и получить результат. Это несколько отличается от того, что делаем мы сами. Но именно к этому нужно стремиться в смысле коммерциализации.

Вопрос — кому следует стремиться. Ведь, строго говоря, «прибор с большой красной кнопкой» — задача, которую должен ставить и решать прежде всего инвестор. При условии, что технология может применяться в таком, бытовом, формате.

По оценкам Андрея Легина, лабораторный образец системы стоит около 20 тысяч евро, и прибор пока можно пытаться продать другим подобным лабораториям. Конечный продукт для промышленного производства, разумеется, будет выглядеть иначе и снаружи, и внутри, а его ориентировочная стоимость составит от 70 до 100 тысяч евро. Это, уверяет Легин, совсем не дорого для современного аналитического оборудования: стоимость далеко не самых сложных приборов, используемых сегодня в производстве, давно перевалила за 100 тысяч евро.

Легин уверен, что прежде чем завоевывать российский рынок, нужно заявить о себе за рубежом: современная российская промышленность все технологии приобретает за границей. А значит, сначала инновации должны прижиться в Европе, в США, в Японии. Кстати, в этих странах работает уже несколько лабораторий, аналогичных петербургской. И почти всех ученых, занимающихся «электронным языком», Андрей знает лично. Совместные эксперименты, сотни публикаций, имя в мировом научном сообществе… Все это есть. Нет одного — внятных перспектив коммерческого применения. По крайней мере, дома. В России.

Ксения Кондратьева

http://www.business-magazine.ru/…ch/pub282851

Ну вот, то «электронный нос» (http://www.nanonewsnet.ru/…otekhnologii), то «электронный язык». То есть, если обобщить, фактически это – разработка химических наносенсоров. И, очевидно, что, помимо кулинаров и фармацевтов, эта техника будет интересовать наших военных специалистов, конкретно – «ребят» из Академии химзащиты… Так что зачем по-страусиному прятать голову в песок, а не сказать прямо: Да, разработка вполне себе «военного характера» или уж, в крайнем случае, так называемого «двойного назначения». А раз так, почему бы, по примеру тех же американцев, нашему «Пентагону» (или МЧС) ОТКРЫТО не выделить этим учёным грант на доработку этого прибора? Да ещё подключить к этой разработке своих спецов? Кто от этого прогадал бы? Тогда не понадобилось бы – в который раз – причитать о том, что нет-де у них средств на запуск в серию нужного всем прибора… Пора бы уж давно – повторюсь – по примеру тех же американцев – «не стесняться» того, что ЕСТЕСТВЕННО и о чём все и так знают. Кстати, я удивляюсь, что у наших военных до сих пор НЕТ такого прибора. Ну, если его действительно нет, то вот вам конкретный пример, куда и КАК вкладывать средства наших военных/МЧС, выделяемые им на проведение НИОКР. Повторюсь, никто от этого не прогадает! Даже те газетчики, которые сейчас распускают слюни по поводу «нехватки средств»…

www.nanonewsnet.ru

Электронный язык

тической промышленностях, медицине, для аналитического контроля объектов окружающей среды. Наличие корреляции между откликом электронного языка и человеческим восприятием вкуса — важное и очень перспективное свойство таких систем с практической точки зрения. Первые коммерческие электронные системы типа «электронный язык» уже доступны в настоящее время. Но это направление только развивается, а значительная часть знаний все еще остается эмпирической. Необходимы новые усилия по изучению механизма отклика сенсоров к различным аналитам, созданию новых сенсорных композиций, а также по разработке методик практического применения электронного языка для решения конкретных задач. В наше время и, очевидно, в ближайшие годы в этой области происходит и будет происходить бурный прогресс.

ЛИТЕРАТУРА

1.Vlasov Yu., Legin A., Rudnitskaya A. Anal. Bioanal. Chem., 2002, v. 373, p. 136—142.

2.Toko K. Meas. Sci. Technol., 1998, v. 9, p.1919—1936.

3.Winquist F., Wide P., Lundstrom I. Anal. chim. acta, 1997,

v.357, p. 21—25.

4.Haber F., Klemensiewicz Z. Z. Phys. Chem. (Leipzig.), 1909, S. 67, Bd.385—392.

5.Никольский Б.П., Матерова Е.А. Ионоселективные элек-

троды. Л.: Химия, 1980.

6.Камман К. Работа с ионоселективными электродами. М.:

Мир, 1980.

7.Vlasov Yu., Bychkov E. Ion-SelectiveElectrode Rev., 1987,

v.9, p. 5—93.

8.Bakker E., Buhlmann P., Pretsch E. Chem. Rev., 1997, v. 97,

p.3083—3132.

9. Buhlmann P., Pretsch E., Bakker E.Ibid., 1998, v. 98,

p.1593—1687.

10.Janata J., Josowicz M., Vanysek P., DeVaney D.M. Anal. Chem., 1998, v. 70, p. 179R—208R.

11.Schiffman S.S., Pearce T.C. Handbook of Machine Olfaction. Electronic Nose Technology. Eds. T.C. Pearce, S.S. Schiffman, H.T. Nagle, J.W. Gardner. Darmstadt:Wiley-VCH,2003, Ch. 1.

12.Stewart G.F., Amerine M.A. Introduction to Food Science and Technology. New York: Academic Press, 1973.

13.Kawamura Y., Kare M.R. Umami: A Basic Taste. New York: Marcel Dekker, 1987.

14.Moncrieff R.W. J. Appl. Physiol., 1961, v. 16, p.742—748.

15.Persaud K., Dodd G.H. Nature, 1982, v. 299, p.352—355.

16.Otto M., Thomas J.D.R. Anal. Chem., 1985, v. 57, p. 2647— 2651.

17.Beebe K., Kowalski B. Ibid., 1988, v. 60, p.2273—2276.

18.Beebe K., Uerz D., Sandifer J., Kowalski B. Ibid., 1988, v. 60, p. 66—71.

19.Forster R.J., Regan F., Diamond D. Ibid., 1991, v. 63, p. 876— 881.

20.Forster R.J., Diamond D. Ibid., 1992, v. 64, p.1721—1724.

21.Diamond D., Forster R.J. Anal. chim. acta, 1993, v. 276,

p.75—81.

22.Hartnett M., Diamond D., Barker P.G. Analyst, 1993, v. 118,

p.347—354.

23.van der Linden W.E., Bos M., Bos A. Anal. Proc., 1989, v. 26,

p.329—331.

24.Bos M., Bos A., van der Linden W.E. Anal. chim. acta, 1995,

v.233, p. 31—39.

25.Власов Ю.Г., Легин А.В., Рудницкая А.М. Ж. аналит. химии, 1997, т. 52, № 8, с. 837—842.

26.Легин А.В., Рудницкая А.М., Смирнова А.Л., Львова Л.Б.,

Власов Ю.Г. Ж. прикл. химии, 1999, т. 72, № 1, с.114—120.

27.Hayashi K., Yamanaka M., Toko K., Yamafuji K. Sensors and Actuators B, 1990, v. 2, p. 205—209.

28.Toko K. Mater. Sci. Eng. C, 1996, v. 4, p.69—82.

29.Toko K. Sensors and Actuators B, 2000, v. 64, p.205—215.

30.Toko K., Yasuda R., Ezaki S., Fujiyishi T. Trans. IEE Japan E, 1998, v. 118, p. 1—5.

31.Kanai Y., Shimizu M., Uchida H., Nakahara H., Zhou C.G.,

Maekawa H., Katsube T. Sensors and Actuators B, 1994, v. 20, №2—3,p.175—179.

32.Sasaki Y., Kanai Y., Uchida H., Katsube T. Ibid., 1995, v. 25,

№ 1—3,p.819—822.

33.Legin A., Rudnitskaya A., Vlasov Yu. In: Integrated Analytical Systems, Comprehensive Analytical Chemistry. V. XXXIX. Ed. S. Alegret. Amsterdam: Elsevier, 2003, p. 437.

34.Schoning M., Schmidt C., Schubert J., Zander W., Mesters S., Kordos P., Luth H., Legin A., Seleznev B., Vlasov Yu. Sensors and Actuators B, 2000, v. 68, p. 254—259.

35.Mourzina Yu., Schoning M., Schubert J., Zander W., Legin A., Vlasov Yu., Luth H. Anal. chim. acta, 2001, v. 433, p. 103— 110.

36.Мортенсен Дж., Легин А.В., Ипатов А.В., Рудницкая А.М., Власов Ю.Г., Хьюлер К. Ж. прикл. химии, 1999, т. 72,

с. 8533—8536.

37.Paolesse R., Di Natale C., Burgio M., Martinelli E., Mazzone E., Palleschi G., D’Amico A. Sensors and Actuators B, 2003,

v.95, p. 400—405.

38.Saurina J., Lopez-AvilesE., Le Moal A.,Hernandez-CassouS.

Anal. chim. acta, 2002, v. 464, p. 89—94.

39.Gallardo J., Alegret S., Munoz R., De-RomanM., Leija L., Hernandez P.R., del Valle M.Anal. Bioanal. Chem., 2003,

v.377, p. 248—253.

40.Winquist F., Krantz-RulckerC., Wide P., Lundstrom I.Meas. Sci. Technol., 1998, v. 9, № 12, p. 1937—1946.

41.Winquist F., Holmin S., Krantz-RulckerC., Wide P., Lundstrom I.Anal. chim. acta, 2000, v. 406, № 2, p. 147—157.

42.Winquist F., Lundstrom I., Wide P. Sensors and Actuators B, 1999, v. 58, № 1—3, p. 512—517.

43.Arrieta A., Rodriguez-MendezM.L., de Saja J.A.Ibid., 2003,

v.95, p. 357—363.

44.Lavigne J.J., Savoy S., Clevenger M.B., Ritchie J.E., McDoniel

B., Yoo S.J., Anslyn E.V., McDevitt J.T., Shear J.B., Neikirk D.

J. Amer. Chem. Soc., 1998, v. 120, № 25, p. 6429—6430.

studfiles.net

Как работает «электронный нос»: подробно о сложном

Если средневековый король боялся стать жертвой «игры престолов», он заводил себе придворного дегустатора. Можно представить, с какой опаской обнюхивал тот подозрительное блюдо! Сейчас эту рискованную работу готовы взять на себя электронные носы и языки — приборы, способные почуять самый слабый запах яда, взрывчатки или болезни.

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

«Сердце» носа

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. 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.

Нос в молоке

Мы не напрасно начали с истории о дегустации. 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.

Болезненный запах

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 («Популярная механика» писала об этих методах в статье о животных-диагностах, № 4'2016. — Прим. ред.).

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.

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.

Нос широкого профиля

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?

Нюх на опасность 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.

Статья «Нос на батарейках» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2016).

www.popmech.ru

Нос и язык, которым нужны батарейки

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!

Эта работа опубликована в номинации «лучшая обзорная статья» конкурса «био/мол/текст»-2015.

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 [1].

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 [2]. 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.

Рисунок 2. Сравнение устройства нашего и электронного носов. Рисунок с сайта www.nature.com.

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

В общем представлении электронные нос и язык состоят из четырех компонентов [3]:

  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 [4]. 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) [5]. Или поиск людей, предметов и планет по запаху, как в XXXI веке (рис. 3).

Пока же рассмотрим важнейшие характеристики сенсоров разных типов.

  1. Кондуктометрические сенсоры довольно дешевы и быстры при анализе, однако очень требовательны к влажности и высокой температуре; их используют для определения свежести мяса, зрелости фруктов и порчи вина, выявления бактерий и грибов в продуктах. Взаимодействие с их ключевыми составляющими — электропроводящими полимерами (полипирролом, полианилином) или оксидами металлов (оксидом цинка, диоксидом титана) — снижает электрическую проводимость отдельного сенсора. Прибор, сконструированный с использованием массива 32 полимероуглеродных датчиков, способен регистрировать широкий спектр одорантов и может различать изомеры и энантиомеры.
  2. Амперо-/вольтметрические датчики обладают низкой селективностью, однако успешно используются в «языках» для определения типа винограда, географической принадлежности вина и наличия в нём искусственных добавок. Принцип работы этих сенсоров основан на разнице токов между рабочим и референсным электродами.
  3. Потенциометрические сенсоры очень селективны и близки по механизму детекции к тому, что происходит в чувствительных клетках нашего языка: в результате химической реакции в потенциометрической ячейке изменяется потенциал на рабочем электроде; сходным образом меняется и мембранный потенциал клеток. Начиненные такими сенсорами электронные языки способны ощущать степень зрелости сыра и распознавать, из пыльцы каких цветов был сделан мед.
  4. Пьезоэлектрическими элементами (диэлектриками, меняющими поляризацию при взаимодействии с веществом) чаще оборудуют «носы», и с их помощью «вынюхивают» степень зрелости фруктов.
  5. Рисунок 4. Схематическое устройство биосенсора.

  6. Если все перечисленные принципы базируются на электрохимической активности анализируемых веществ, то благодаря колориметрическим датчикам (так сказать, «видящим» запахи) становится возможной регистрация электрохимически нейтральных субстанций. Эти сенсоры используют принципы флуоресценции и поглощения света. Они отличаются достаточно высокой селективностью, но для достижения высокого разрешения требуется большое количество единичных датчиков с разными красками.
  7. С внедрением масс-спектрометрических сенсоров была решена и другая проблема — необходимости жесткого соответствия определенному заранее паттерну. Но такое устройство очень дорого стоит и весит тоже немало, так что это удел скорее лабораторий, чем повсеместного использования.
  8. Биосенсоры — это некая органическая субстанция (например, фермент, антитело или даже целая клетка), соединенная с преобразователем, переводящим химический сигнал в электрический, оптический или даже звуковой (рис. 4) [6]. Так как преобразовательные элементы в биосенсорах — это вышеупомянутые виды датчиков (например, амперометрические, потенциометрические, колориметрические), то их скорее стоит рассматривать как модификацию этих типов. Внедрение биосенсоров в электронные носы и языки — достаточно умный ход: мы смотрим, как отвечает на сигнал некоторая органическая или даже живая материя и быстро получаем сигнал, описывающий этот ответ. Сейчас биосенсорные электронные языки используют, например, в диагностике: для определения концентраций веществ, лекарств или биомолекул [7]. В военных целях их применяют для обнаружения нервно-паралитических газов. Такие приборы могут весьма успешно осуществлять и контроль качества окружающей среды. Сейчас на станциях очистных сооружений используют живых раков в качестве индикаторов чистоты поступающей воды. Но такой подход совершенно не годится для экспресс-мониторинга в полевых условиях. А вот небольшой портативный электронный язык с правильно подобранными бактериальными клеточными биосенсорами — совсем другое дело [8].

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) [9].

Рисунок 5. Обработка информации о сложной смеси веществ. Рисунок с сайта www.researchgate.net.

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 [10].

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).

Рисунок 6. Электронный нос Food Sniffer от компании Peres. Рисунок с сайта www.irishtimes.com.

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 [11] и распознающий состав приправ, использованных при приготовлении курицы и говядины [12]. 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 [13].

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 [14].

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 [15]. 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 CО2, СО, О2 и N2 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 [1].

«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 [16]. 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) [4].

Не обошел стороной метод и онкологическую диагностику. Самым первым и самым ожидаемым применением в ней электронного носа была диагностика рака легких [1]. 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 [17]. 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.

Рисунок 9. Открытка из космоса. Рисунок из [19].

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) [18, 19].

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 [20]. 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 [21]. 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 [22].

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 [23]. 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) [24]. Сканируешь ароматное блюдо — прибор ищет в базе картинку, связанную с этим запахом, и ароматическими чернилами печатает ее на почтовой открытке. Ну а почему бы и нет?

Рисунок 11. Пищевой принтер Джу Джинксан. Рисунок из [24].

Бонус для любознательно дочитавших до списка литературы — очень классное видео про ДНК-нос: www.sciencefriday.com.

  1. Natale C., Paolesse R., Martinelli E., Capuano R. (2014). Solid-state gas sensors for breath analysis: a review. Anal. Chim. Acta. 824, 1–17;
  2. В основе вкуса газировки;
  3. Śliwińska M., Wiśniewska P., Dymerski T., Namieśnik J., Wardencki W. (2014). Food analysis using artificial senses. J. Agric. Food Chem. 62, 1423–1448;
  4. Gutiérrez J. and Horrillo M.C. (2014). Advances in artificial olfaction: sensors and applications. Talanta. 124, 95–105;
  5. Onodera T. and Toko K. (2014). Towards an electronic dog nose: Surface plasmon resonance immunosensor for security and safety. Sensors (Basel). 14, 16586–16616;
  6. García-González D.L. and Aparicio R. (2002). Sensors: from biosensors to the electronic nose. Grasas y Aceites. 53, 96–114;
  7. Liu J. and Li G. (2000). Application of biosensors for diagnostic analysis and bioprocess monitoring. Sens. Actuators B Chem. 65, 26–31;
  8. Liao J.-D., Wang S.-H., Hsu D.-J. (2001). Studies on the early detection of wastewater’s toxicity using a microbial sensing system. Sens. Actuators B Chem. 72, 167–173;
  9. Dymerski T.M., Chmiel T.M., Wardencki W. (2011). Invited review article: An odor-sensing system-powerful technique for foodstuff studies. Rev. Sci. Instrum. 82, 111101;
  10. Mortari A., Lorenzelli L. (2014). Recent sensing technologies for pathogen detection in milk: a review. Biosens. Bioelectron. 60, 8–21;
  11. Researchers from the UJI create an electronic nose to facilitate the selection of more aromatic foods. Сайт Universitat Jaume-I, Испания;
  12. Tian H., Li F., Qin L., Yu H., Ma X. (2014). Discrimination of chicken seasonings and beef seasonings using electronic nose and sensory evaluation. J. Food Sci. 79, S2346—S2353;
  13. Morrot G., Brochet F., Dubourdieu D. (2001). The color of odors. Brain Lang. 79, 309–320;
  14. Benedetti S., Pompei C., Mannino S. (2004). Comparison of an electronic nose with the sensory evaluation of food products by «triangle test». Electroanalysis. 16, 1801–1805;
  15. Williams H. and Pembroke A. (1989). Sniffer dogs in the melanoma clinic? Lancet. 1, 734–735;
  16. Oh S.Y., Cornell B., Smith D., Higgins G., Burrell C.J., Kok T.W. (2008). Rapid detection of influenza A virus in clinical samples using an ion channel switch biosensor. Biosens. Bioelectron. 23, 1161–1165;
  17. Bikov A., Lazar Z., Gyulai N., Szentkereszty M., Losonczy G., Horvath I., Galffy G. (2015). Exhaled breath condensate pH in lung cancer, the impact of clinical factors. Lung. doi: 10.1007/s00408-015-9778-7;
  18. Young R.C., Linnell B.R., Buttner W.J. (2003). An evaluation of electronic nose for space program applications. Space Congress Proceedings. 87–95;
  19. Welcome to the JPL Electronic Nose! Сайт NASA’s Jet Propulsion Laboratory;
  20. Сайт Nasal Ranger;
  21. White J., Truesdell K., Williams L.B., AtKisson M.S., Kauer J.S. (2008). Solid-state, dye-labeled DNA detects volatile compounds in the vapor phase. PLoS Biol. 6, 30–36;
  22. Haddad R., Medhanie A., Roth Y., Harel D., Sobel N. (2010). Predicting odor pleasantness with an electronic nose. PLoS Comput. Biol. 6. doi: 10.1371/journal.pcbi.1000740;
  23. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»;
  24. «Пищевой принтер» — уникальное устройство, позволяющее передавать ароматы кулинарных блюд при помощи открыток. (2012). Сайт Aromo.ru..

biomolecula.ru

электронный язык - это... Что такое электронный язык?

 электронный язык

 {"}Electronic Tongue{"}

  «Электронный язык»

  Мультисенсорная система для анализа жидкостей, имитирующая работу органа вкуса млекопитающего. «Электронный язык» состоит из большого числа сенсоров и многомерных методов обработки данных. Комбинация сигналов сенсоров образует электронный ―отпечаток‖ вкуса. Возможности распознавания вкуса с помощью ―электронного языка‖ продемонстрированы на примере многих жидких пищевых продуктов.

Англо-русский словарь по нанотехнологиям. В.В.Арсланов. 2009.

  • electronic nose
  • electronic tongue

Смотреть что такое "электронный язык" в других словарях:

  • электронный язык —  { }Electronic Tongue{ }   «Электронный язык»   Мультисенсорная система для анализа жидкостей, имитирующая работу органа вкуса млекопитающего. «Электронный язык» состоит из большого числа сенсоров и многомерных методов обработки данных.… …   Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

  • Электронный голосовой феномен — (англ. Electronic Voice Phenomenon, EVP)  спонтанное или намеренно вызванное проявление на записывающей и передающей аппаратуре (магнитофон, радио, телевизор, телефон, специально сконструированное оборудование) голосов из неизвестных… …   Википедия

  • язык — Система знаков, обеспечивающая коммуникацию и включающая набор знаков (словарь) и правила их употребления и интерпретации (грамматика) [ГОСТ 7.0 99] язык Набор символов, соглашений и правил, которые используются для представления информации.… …   Справочник технического переводчика

  • язык разметки (в электронном обмене информацией) — язык разметки Искусственный язык для записи разметки. [ГОСТ Р 52292 2004] Тематики электронный обмен информацией …   Справочник технического переводчика

  • Электронный словарь — Электронный словарь  словарь в компьютере или другом электронном устройстве. Позволяет быстро найти нужное слово, часто с учётом морфологии и возможностью поиска словосочетаний (примеров употребления), а также с возможностью изменения… …   Википедия

  • язык — 3.1.6. язык: Система знаков, обеспечивающая коммуникацию и включающая набор знаков (словарь) и правила их употребления и интерпретации (грамматика) Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • язык разметки — 23.06.33 язык разметки [markup language]: Язык, состоящий из встроенных команд, обеспечивающий поддержку при разметке текста в процессе его обработки. Источник: ГОСТ Р ИСО/МЭК 2382 23 2004: Информационная технология. Словарь. Часть 23. Обработка… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Электронный ключ — У этого термина существуют и другие значения, см. Электронный ключ (значения). Электронный ключ (также аппаратный ключ, иногда донгл от англ. dongle) аппаратное средство, предназначенное для защиты программного обеспечения (ПО) и данных от… …   Википедия

  • Язык поэзии — Skáldskaparmál …   Википедия

  • Электронный библиотечный каталог — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете …   Википедия

  • ЯЗЫК ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТА — согласно ГОСТ Р 52292–2004 «Информационная технология. Электронный обмен информацией. Термины и определения», – набор символов, соглашений и правил, которые используются для представления информации …   Делопроизводство и архивное дело в терминах и определениях

nanotech_en_ru.academic.ru

Электронный Язык - аналитический прибор, состоящий из массива неселективных химических сенсоров и методов обработки данных

Июнь, 2006 Если Вы хотите приобрести высококачественные ионоселективные электроды (более 30 видов), посетите сайт нашей компании (откроется в новом окне). Апрель, 4, 2006 В нашей лаборатории разработан ионоселективный электрод, селективный к нитрит-ионам (NO2-). Данный электрод создан на основе органического соединения платиновых металлов и успешно применяется в нашей лабораторной практике с 1998 года. Характеристики и ориентировочную цену нового ИСЭ можно посмотреть в таблице. Март, 31, 2006 Определена дата проведения конференции ISOEN 2007. Конференция пройдет с 3 по 5 мая 2007 года.Вся дополнительная информация будет доступна на официальном сайте конференции. Март,30,2006Вскоре в разделе "Наши системы" появятся новые фотографии наших систем Март,9,2006 Запускается версия сайта, оптимизированная специально для Pocket PC.В тестовом режиме PDA-версии нет картинок, но все тексты доступны в полном объеме.PDA-версия сайта на английском языке, русской версии не планируется ввиду низкой востребованности PDA-сайтов в России.PDA-сайт находится по адресу: http://pda.electronictongue.com. Декабрь, 1, 2005 Мы организуем конференцию ISOEN в мае 2007 года. Точная дата будет уточнена. Посетите официальный сайт конференции! &nbsp Май,2005 Появилась система поиска по сайту. Форма поискарасположена внизу каждой страницы. Поиск осуществляется ТОЛЬКО внутри сайта, поддерживает русский и английский языки. Май,17,2005 В список ионоселективных электродов внесены ДВА НОВЫХ, разработаных в нашей лаборатории!Это цинк- и цитрат-селективные электроды. Информация о них - внизу таблицы с характеристиками ПВХ-пластифицированных ИСЭ. Июль, 15,2005 На нашем сайте работает форум - пока только англоязычная версия. Вы можете задать ваши вопросы on-line! Июль, 21,2005 Наши ионоселективные электроды прошли очередную сертификацию Федерального агентствапо техническому регулированию и метрологии РФ (ГОССТАНДАРТА)!Наши ИСЭ зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под №13763-05.Сертификат будет помещен на сайте в ближайшее время. Декабрь, 15, 2005 В разделе "Публикации" добавлены ссылки на 4 наших новых статьи.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ЯЗЫК - аналитический прибор, состоящий из массива неселективных (перекрестно-чувствительных) химических сенсоров, обладающих чувствительностью к различным компонентам в растворе, и методов обработки данных - распознавания образов и многомерных калибровок. Наиболее важными характеристиками сенсора являются стабильность отклика и перекрестная чувствительность, которая может быть определена как воспроизводимый отклик сенсора к максимально большому числу компонентов раствора. Правильно составленная и откалиброванная мультисенсорная система может быть использована для многокомпонентного количественного анализа растворов, а также распознавания (классификации, идентификации) сложных жидкостей различной природы. Уникальная особенность системы при анализе пищевых продуктов - возможность установить корреляцию между результатами анализа и человеческим восприятием вкуса.

| Идея | Электронный язык | Массивы сенсоров | Обработка данных | Экспериментальные установки |

electronictongue.com

Жак Пуайен, Жанна Пуайен. Электронный язык

Электронный звуковой плакат ZanZoon "Карта мира"Электронный звуковой плакат ZanZoon "Карта мира" поможет ребенку в увлекательной и доступной форме получить первые знания о географическом расположении стран. На плакате изображена карта материков с… — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...2756бумажная книгаИспанский язык для студентов (Цифровая версия)Электронный курс Испанский язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой испанский язык, улучшить произношение, расширить словарный запас — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...188бумажная книгаНемецкий язык для студентовЭлектронный курс Немецкий язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой немецкий язык, улучшить произношение, расширить словарный запас — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...239бумажная книгаАнглийский язык для студентов (Цифровая версия)Электронный курс Английский язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой английский язык, улучшитьпроизношение, расширить словарный запас — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...188бумажная книгаНемецкий язык для студентов (Цифровая версия)Электронный курс Немецкий язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой немецкий язык, улучшить произношение, расширить словарный запас — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...188бумажная книгаФранцузский язык для студентов (Цифровая версия)Электронный курс Французский язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой французский язык, улучшить произношение, расширить словарный… — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...188бумажная книгаИспанский язык для студентовЭлектронный курс Испанский язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой испанский язык, улучшить произношение, расширить словарный запас — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...189бумажная книгаФранцузский язык для студентовЭлектронный курс Французский язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой французский язык, улучшить произношение, расширить словарный… — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...189бумажная книгаАнглийский язык для студентовЭлектронный курс Английский язык для студентов предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой английский язык, улучшитьпроизношение, расширить словарный запас — (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) Подробнее...189бумажная книгаИванов С.В.Русский язык. Электронный образовательный ресурс для работы в классе. 1 кл. Электронное учебное издаЭлектронный образовательный ресурс разработан к УМК «Окружающий мир. 1 класс» (под ред. Н. Ф. Виноградовой) системы учебников «Начальная школа XXI века». Содержит интерактивные варианты заданий к… — Вентана-Граф, (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) начальная школа xxi века Подробнее...2015208бумажная книгаИванов С.В., Кузнецова М.И., Петленко Л.В., Романова В.ЮРусский язык. 2 класс. Электронное учебное издание (CD)Электронный образовательный ресурс разработан на основе УМК"Русский язык. 2 класс" (Авторы: Иванов С. В., Кузнецова М. И., Петленко Л. В., Романова В. Ю.) и предназначен для работы в классе с… — «Дрофа», «Вентана-граф» и «Астрель», (формат: 125.00mm x 141.00mm x 10.00mm, стр.) УМК Иванова. Русский язык (1-4) Подробнее...2013225бумажная книгаCD-ROM. Интерактивные тесты. Русский язык. Части речиИнтерактивные тесты предназначены для применения в образовательном процессе с использованием интерактивных систем голосования (пультов голосования) НОВЫЙ ДИСК или VOTUM. Это современное комплексное… — Подробнее...605бумажная книгаDVD. Английский язык для студентовПредлагаемый электронный курс предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой английский язык, улучшить произношение, расширить словарный запас. В составе… — Подробнее...146бумажная книгаDVD. Немецкий язык для студентовПредлагаемый электронный курс предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой немецкий язык, улучшить произношение, расширить словарный запас. В составе… — Подробнее...186бумажная книгаDVD. Французский язык для студентовПредлагаемый электронный курс предназначен для студентов всех вузов и специальностей, желающих усовершенствовать свой французский язык, улучшить произношение, расширить словарный запас. В составе… — Подробнее...146бумажная книга

books.academic.ru


Смотрите также