Тайны запаха и вкуса - Анатолий Томилин

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».

Немного об оксидах

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.

«Е-nose» — «Электронный нос»

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.

О линейке запахов и о неподкупности «Е-nose»

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.

Как работает «Е-nose»

«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…

Сегодня и завтра «Е-nose»

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.

Один из таких приборов был проверен при оценке аромата нескольких марок кофейных зёрен. Сначала кофе изучали специально подготовленные профессиональные дегустаторы. На это ушло немало дней. А потом ту же задачу в считанные минуты решил «электронный нос». Результаты обеих экспертиз почти полностью совпали.

В дирхемском медицинском центре (США) поставили задачу выявления источников неприятных запахов в изделиях фармацевтической промышленности. Приглашённые люди («нюхачи») оказались не в состоянии продолжительное время эффективно проводить отбор лекарственных препаратов. Их носы быстро утомлялись. И тогда привезли коммерческий «электронный нос» с 32 сенсорами (все — на основе проводящих органических полимеров). И поставленная задача была полностью решена. «Е-nose» оказался лишён недостатков человеческого носа.

Ныне в лабораториях уже проходят испытания мультисенсорных анализаторов различных водных растворов. Пока их по аналогии с «электронным носом» называют «электронным языком», поскольку их главное назначение — вкусовой и обонятельный контроль водных источников и пищевых продуктов.

Пока «Е-nose» довольно сложная, громоздкая и тяжёлая махина, поглощающая массу электроэнергии. Но прогресс движется. Не так давно и вычислительная машина, прообраз сегодняшнего ноутбука, занимала здание в несколько этажей и обслуживалась специальной электростанцией.

Не исключено, что развитие нанотехнологий приведёт и к тому, что «электронный нос» вполне совпадёт по габаритам, энергопотреблению и возможностям со своим биопрототипом. Подождём…

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

Глава 7. Природные ароматы для здоровья

Зелёный мир

Не может быть, чтобы вы не догадались, что я имел в виду, назвав так эту главу. Конечно, главным живительным источником ароматов является сама Природа, и в первую очередь зелёный покров нашей родной планеты — растительность. Ведь до того как древний человек в каменном веке изобрёл оружие и получил возможность добывать себе дичь, он был в основном вегетарианцем, т. е. наши прапредки питались преимущественно растительной пищей. И не только питались, но и укрывались от непогоды, лечились, используя растения. Растительный мир тысячи и тысячи лет был основой жизни перволюдей.

Давайте посмотрим на примере истории, как люди познавали и осваивали этот мир и как приспосабливали его для себя.

Культивировать растения и приручать животных люди начали примерно 10–15 тысяч лет назад. Это сразу изменило образ жизни первобытного человека. И если раньше, скажем, для лечения люди просто ели лекарственные травы, которые находили инстинктивно (как дикие звери), то теперь положение изменилось. В роду или в племени появились знатоки — знахари. Как правило, это были старики или старухи, имевшие опыт собирания трав и составления из них натуральных эфирных масел (правильнее — растительных эссенций). Использовали их как притирания (мази), настойки и фимиамы.