Запах скошенной травы или выхлопные газы при заправке автомобиля – все это результат воздействия летучих органических соединений. Новый подход Норвежского университета науки и технологий позволяет обнаружить и идентифицировать их. Хотя обоняние исторически играло важную роль в борьбе с такими заболеваниями, как чума и туберкулез, человеческий нос, как правило, недостаточно чувствителен, чтобы использовать его в качестве надежного диагностического инструмента.
Новый искусственный «нос», созданный на основе нашего обоняния, теперь может позволить обнаруживать недиагностированные заболевания, опасные газы и продукты, которые начинают портиться. И все это возможно с помощью уже существующих технологий.
Что общего у вашего мобильного телефона, компьютера и телевизора? Антенны. «Нас буквально окружает техника, которая общается с помощью антенн», – говорит Майкл Чеффена – профессор телекоммуникаций в Норвежском университете науки и технологии (NTNU) в Гьовике. Он считает, что эта технология может использоваться не только для связи: «Наделив антенны сенсорными функциями, можно использовать существующую инфраструктуру в новых областях применения», – добавил он.
Чеффена пояснил, что предыдущие попытки создать так называемые «электронные носы» не имели преимущества в виде наличия готовой инфраструктуры. Кроме того, они были сопряжены с рядом других проблем, которые потенциально может решить антенная технология.
«В других электронных носах может быть несколько сотен датчиков, каждый из которых покрыт различными материалами. Это делает их очень энергоемкими в эксплуатации и дорогими в производстве. Кроме того, они требуют большого расхода материалов. В отличие от них, антенный датчик состоит только из одной антенны с одним типом покрытия, – говорит Чеффена.
По словам Данга, соавтора статьи, его датчик различает газы с точностью 96,7%. Этот результат не только не уступает лучшим на сегодняшний день электронным носам, но в некоторых областях даже превосходит их.
Антенна передает радиосигналы различных частот в окружающее пространство. Затем она анализирует, как они отражаются. Поведение сигналов меняется в зависимости от присутствующих газов, а поскольку антенна передает сигналы на разных частотах, изменения создают уникальные паттерны, которые можно связать с определенными летучими органическими соединениями – газами, которые часто встречаются в воздухе. Для них характерна низкая температура кипения, то есть они склонны испаряться при низких температурах. И хотя их нельзя ни увидеть, ни потрогать, вы наверняка ощущали их запах.
Все живые организмы, включая растения, выделяют летучие органические соединения, часто как средство защиты от вредителей или общения друг с другом. Например, запах свежескошенной травы. Другой пример – бензиновые пары. Поскольку многие продукты и материалы, которыми мы себя окружаем, также выделяют летучие органические соединения, в большинстве сред будет присутствовать большое количество газов в различных сочетаниях. Это делает задачу отличия значимых газов от незначительных чрезвычайно трудной.
«Задача становится еще сложнее, когда к ней добавляются изомеры – химические соединения, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но атомы в них соединены немного по-разному», – пояснил Данг. По словам исследователей, они напоминают близнецов: очень похожи, но не идентичны.
«Эти соединения долгое время были проблемой для сенсорных технологий. Даже самые сложные электронные носы, состоящие из множества различных датчиков, с ними не справляются», – говорит Данг. Поэтому ученый очень доволен тем, что их антенный сенсор работает даже на таких сложных соединениях.
На данный момент сенсорная технология была протестирована на поврежденных в результате удара фруктах и мясе разной свежести. Настроив алгоритмы, которые определяют уникальные «отпечатки пальцев» различных газов, исследователи считают, что технология может также учуять болезни.
«Летучие органические соединения позволяют дрессированным собакам обнаруживать опасные для здоровья изменения уровня сахара в крови и такие заболевания, как рак, так что принцип в целом тот же», – говорит Данг. Однако, в отличие от собак, антенный датчик не требует многомесячных тренировок или специализированных манипуляторов. Статья опубликована в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.
[Фото: Mads Wang-Svendsen / Norwegian University of Science and Technology]
