Тайны запаха и вкуса - Страница 16

В 1980 году исследователи английского университета Вар-вика в Ковентри впервые всё же отобрали наиболее часто встречающиеся запахи и предложили «линейку сенсоров» для их детектирования. Получились, может быть, и не совсем основные ароматы (как, скажем, чистые цвета спектра или ноты — до, ре, ми, фа, соль, ля, си), но их анализаторы выделяли запахи, которые входили во многие другие букеты.

Новые технологии позволили синтезировать и создать вещества, которые из букета запахов избирали всё больше отдельных ароматов и реагировали только на те, на которые были настроены. Это означало улучшение избирательности — главной трудности синтетических сенсоров.

Придумали и новый подход для анализа ароматов. Если раньше разработчики старались выдёргивать из «душистого букета» по цветочку и каждый исследовали по отдельности, последовательно друг за другом, то теперь стали сразу исследовать весь «образ запаха» множеством по-разному настроенных сенсоров одновременно. Такой мультисенсорный подход оказался весьма плодотворным. И эта идея позволила создать новый тип искусственных аналитических систем.

Кстати, название новому направлению работ дали тоже специалисты университета Варвика. Они решили по аналогии с носом человека назвать его «электронным носом» или «Е-nose». Название укоренилось, и в настоящее время, когда за разработку новых устройств взялись многие солидные фирмы, является общепризнанным.

Главным препятствием для разработчиков первых моделей «электронного носа» являлась всё-таки неважная избирательность имеющихся синтетических сенсоров, их технологическое несовершенство. Это положение качественно изменилось в конце 1980-х годов.

Ещё в самом начале десятилетия в печати появились сообщения о разработке керамического сверхпроводящего материала (на основе оксидов ряда металлов), годного для анализа газов. Раньше других в качестве первичных приёмников были использованы металлооксидные сплавы. Эти ранние и достаточно несовершенные разработки позволили возникнуть нескольким коммерческим проектам, а следовательно, и получить финансирование. «Металлооксидные детекторы» применили для первых моделей электронных анализаторов. Конечно, у них имелось много недостатков. Но благодаря относительно простой технологии изготовления, низкой стоимости и коммерческой доступности именно этот тип детекторов получил вначале наиболее широкое распространение.

В августе 1991 года под руководством научно-исследовательского центра НАТО состоялся первый симпозиум в данной области. Он вызвал значительный интерес других исследовательских групп в мире, и количество научных коллективов, работающих над сходными проблемами, стало неуклонно возрастать. Были созданы более удачные (но и более дорогие) материалы и детекторы для последующих моделей «Е-nose».

Оксиды — соединения химических элементов с кислородом, в которых сам кислород связан только с менее электроотрицательными элементами. Поэтому к оксидам относятся почти все соединения химических элементов с кислородом. Оксиды могут вступать в окислительно-восстановительные реакции и таким образом работать в качестве детекторов среды, в которую помещены.

Ныне существует уже не только металлооксидные детекторы, но и целый отряд других, предназначенных для анализа газообразных смесей. Есть, например, перспективные модели для анализа паров пахучих веществ на базе проводящих органических полимеров. Есть семейство сенсоров, основанных на измерении приращения массы, есть оптические волоконные сенсоры, есть и другие. Сегодня созданы уже модели третьего поколения.

Всё это результаты развития нанотехнологий, о которых так много говорят в наши дни и которым в какой-то мере принадлежит будущее современной техники.

Создание прибора, распознающего запахи, — задача сугубо нашего времени. Времени быстрого прогресса в области электроники, создания небывалых оптических и акустических устройств. Тут вам и приборы ночного видения, способные видеть в темноте, как совы, и микрофоны, улавливающие звуки лучше любых живых существ, и многие иные диковинки. Немудрено, что проблема создания техники, подобной «обонятельному снаряду», встала перед учёными и инженерами во весь рост.

Главной препоной на начальном этапе создания высокочувствительных сенсоров являлась, как я уже говорил, их низкая избирательность (селективность). Первые модели путались в запахах, не могли чётко разделять их. Новый принцип мультисенсорного анализа дал мощный толчок развитию этой техники. Сегодня уже целый ряд компаний сделали серьёзные заявки на применение разработанных приборов для оценки, например, качества пищевых продуктов, для мониторинга окружающей среды и медицинской (по запаху) диагностики, а также для весьма нетрадиционного использования в криминалистике и в специальной военной технике.

Запах и обоняние всегда были окружены ореолом таинственности. Люди с трудом представляли себе природу химических чувств. А их исследование в течение многих лет проводилось лишь в практических целях. И лишь изредка предпринимались отдельные попытки воспроизвести их искусственным путём.

Надо признать, что современные технологии, участвовавшие в создании «электронного носа», немало сделали вообще для аналитического приборостроения, обеспечив переход на новый, более высокий уровень. Немудрено, что количество научных коллективов и коммерческих фирм, работающих над проблемами и технологиями в области «электронного носа» и приборостроения вообще, неуклонно растёт.

Каковы же, хотя бы очень кратко, возможные области применения новых разработок? Прежде всего детекторы смогут фиксировать бактерии и компоненты химического оружия. В отличие от собаки, «электронный нос» может точно указать на конкретное вещество. Есть и другие возможности, например, антитеррористического плана — определение наличия взрывчатки на расстоянии. А это верная ловушка для террористов и смертников. «Е-nose» на таможне может служить для поиска оружия и наркотиков, запрещённых препаратов, веществ, загрязняющих воздух, и поможет в решении множества иных задач. Немаловажным является и то, что «Е-nose» неподкупен. Большой интерес к новому направлению проявляют и военные.

Исследователи, занимающиеся решением этих проблем, уверены, что «электронный нос» может превзойти возможности не только человеческого носа, но, возможно, и других биолокаторов.

«Электронный нос» — комплексная система. Проба засасывается воздушным насосом через входной патрубок в нагреваемую кюветную камеру, которая состоит из трёх основных узлов. Первый занят периодическим приёмом пахучих веществ: отбором проб и их обработкой. Второй узел содержит линейку, или матрицу, сенсоров с заданными свойствами. Третий блок — процессорная обработка сигналов матрицы сенсоров с установленной в ней линейкой сенсоров. Исследуемые пахучие вещества взаимодействуют с ними, воссоздавая общий отклик системы. Дальше он анализируется и передаётся на процессорный модуль, а в систему подаются пары промывочного газа (например, спирта), чтобы удалить пахучее вещество из объёма и с поверхности сенсоров. А в их ячейку подаётся газ-носитель, чтобы подготовить прибор к новому измерительному циклу.

Пока что, вы наверняка это заметили, процедура получается не такой простой, какой бы хотелось её видеть. Но ведь это ещё только начало…

Главной задачей «электронного носа» является отождествление (установление совпадения исследуемого запаха с запахом образца) и по возможности определение концентрации пахучего вещества. (Не будем забывать, что сложный «образ запаха» всегда является многомерной картиной.) Обычно «Е-nose» решает поставленную задачу в несколько этапов: сначала идёт предварительная обработка данных, затем следует выделение отличительных признаков из полученной смеси, далее классификация и решение о результатах анализа.