Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах

Идея комбинаторного кода до сих пор лежит в основе любого прибора с функцией различения запахов, однако сенсоры на оксидах металлов, к несчастью, не могут обеспечить достаточную степень версатильности для работы с широким спектром запахов, с которым шутя справляется человеческий нос. Но, как бы там ни было, эта статья стала настоящей вехой в истории искусственных носов, впервые продемонстрировав, что создание такого инструмента в принципе возможно, и обозначив направление дальнейших поисков.

Разнообразное семейство газовых сенсоров

Уже на том раннем этапе изучения только что открытых белков (которые вскоре получат имя одоранто-связывающих) я носился с идеей, что они могли бы выступить в роли сенсоров для искусственного устройства распознавания запахов. Уже тогда мы знали, что белки – очень нежные молекулы и обращаться с ними нужно с большой осторожностью. Они легко могут изменить форму, что приведет к модификациям активности или полной утрате функций. Поэтому на той стадии работы мы почти сразу же отвергли гипотезу с ОСБ как слишком авантюрную и недостаточно практичную. Интересно, что самые свежие исследования искусственных устройств по мониторингу запахов сосредоточиваются именно на ОСБ как самых многообещающих сенсорах.

Если оставить в покое белки, остаются полимеры, которые попали в фокус внимания тоже благодаря счастливой случайности. Полимеры – крупные молекулы, достаточно версатильные, чтобы включать разные органические соединения; их можно синтезировать по заказу под разные задачи. Газовые сенсоры Кришны были проводниками, чье электрическое сопротивление можно наблюдать. Но органические полимеры – изоляторы, причем такие хорошие, что их широко используют для защиты и изоляции электрических проводов и в других подобных целях.

Короче, для заявленных задач нам были нужны проводящие полимеры – казалось бы, противоречие, но на самом деле мнимое. Такие материалы давно существуют, просто популярными стали лишь в последнее время. В те времена больше всего внимания уделялось полимерам на основе ацетилена – это газ, которым освещали городские улицы до изобретения электрических ламп. Вплоть до недавних пор им пользовались спелеологи, так как он позволял им долго работать автономно.

Ацетилен – очень простая молекула, всего из двух атомов углерода, соединенных тройной связью. Связь эту можно частично открыть и образовать длинную цепочку углеродов, связанных между собой попеременно одинарными и двойными связями. Такие полимеры, дополнительно сдобренные ионами, могут проводить электрический ток. Помимо того что эти молекулы очень нестабильны, для электронного носа нужно много сенсоров, а из одного проводящего полимера (скажем, полиацетилена) все равно получится только один.

Как-то раз у нас в отделе читал лекцию приехавший с визитом американский ученый. От него я узнал еще об одном классе проводящих полимеров – с длинной цепочкой, состоящей из повторяющихся пирролов. В то время на эти полимеры никто особо не обращал внимания, так как с ними было много проблем. Во-первых, слишком высокое электрическое сопротивление (чтобы их можно было использовать в качестве замены медным проводам); во-вторых, нестабильная проводимость, на которую влияли пары аммиака и другие газы. Но все эти недостатки – как раз то, что нужно для универсальных газовых сенсоров. Вдобавок пиррольное кольцо легко модифицировать, добавляя всевозможные химические группы и цепочки и добиваясь таким образом реакции на разные газы.

Вскоре после этого Кришна надолго переехал ко мне в лабораторию и занялся одоранто-связывающими белками (об этом мы говорили в главе восьмой); параллельно мы с ним принялись исследовать еще и эту тему. Мы хотели подготовить несколько производных пиррола, на основе которых можно получить ряд проводящих полимеров с разными характеристиками.

Через несколько месяцев был готов первый прототип аппарата, состоящий из 20 сенсоров и способный различать разные соединения одного химического класса (например, спирты, или кетоны, или амины), отличающиеся друг от друга всего одним-двумя атомами углерода.

Программное обеспечение, целиком написанное Кришной, работало на Commodore-64 – одном из первых домашних ПК, с ОЗУ в 64 Кбайт и кассетным магнитофоном в роли хранилища данных.

Результаты экспериментов вызвали всеобщий интерес; дальше события начали развиваться очень быстро. Кришна перебрался в Манчестерский университет, где продолжал совершенствовать электронный нос. Вскоре устройство пошло в продажу. Прототип показали в лондонском Музее науки, а компактную версию установили на космической станции «МИР», где она несколько лет прилежно собирала данные [2].

Простые устройства и их применение