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