Обострение обоняния — мощная способность, присущая многим организмам. Однако оказалось, что это сложно воспроизвести искусственно. Инженеры-исследователи объединили биологические и инженерные элементы, чтобы создать так называемый биогибридный компонент. Их датчик летучих органических соединений может эффективно обнаруживать запахи в газообразной форме. Они надеются усовершенствовать концепцию для использования в медицинской диагностике и обнаружении опасных материалов.

Электронные устройства, такие как камеры, микрофоны и датчики давления, позволяют машинам определять количественно и оптически определять окружающую среду, акустически и физически. Однако наше обоняние, несмотря на то, что оно является одним из самых первобытных природных чувств, оказалось очень трудно воспроизвести искусственно. Эволюция усовершенствовала это чувство на протяжении миллионов лет, и исследователи упорно трудятся, чтобы наверстать упущенное.

«Запахи, содержащиеся в воздухе химические сигнатуры, могут нести полезную информацию об окружающей среде или исследуемых образцах. Однако эта информация не используется должным образом из-за отсутствия датчиков с достаточной чувствительностью и селективностью», — сказал профессор Сёдзи Такеучи из лаборатории биогибридных систем Токийского университета. «С другой стороны, биологические организмы чрезвычайно эффективно используют информацию о запахе. Поэтому мы решили объединить существующие биологические датчики напрямую с искусственными системами для создания высокочувствительных датчиков летучих органических соединений (ЛОС). Мы называем эти сенсоры биогибридными».

Такеучи и его команда по сути пересадили набор обонятельных рецепторов насекомого в устройство, которое передает определенные запахи на рецепторы, а также считывает, как рецепторы реагируют на эти запахи. Анализ электрических сигналов от обонятельных рецепторов показывает, какие молекулы инициировали эти сигналы. Этот метод обеспечивает высокую чувствительность и возможен благодаря тому, что рецепторы физически связаны внутри липидных бислоев. В предыдущих экспериментах такой метод ограничивал способ доставки запахов к рецепторам, но команда создала эффективное решение и этой проблемы.

«Рецепторы реагируют на молекулы в капле жидкости, поэтому одной из основных задач было создание устройства для трансплантации молекул из воздуха в эти капли», — сказал Такеучи. «Мы спроектировали и изготовили микромасштабные щели под ними, через которые проходит капля, чтобы вызвать этот обмен молекулами. Вводя газ в микрозазор, мы смогли увеличить вероятность контакта между газом и каплей и эффективно передать целевые молекулы жидкости».

С помощью этой системы исследователи смогли обнаружить следы химического вещества октенол, также называемого грибным спиртом, который, как известно, привлекает комаров, в дыхании подопытного. Не только это, но и датчик ЛОС может определять концентрации порядка частей на миллиард. Это примерно в тысячу раз меньше, чем чувствительность собачьего носа, но, тем не менее, это впечатляющее достижение, которое вдохновило команду на продолжение инноваций.

«Я хотел бы расширить аналитическую сторону системы, используя какой-то искусственный интеллект. Это может позволить нашим биогибридным сенсорам обнаруживать более сложные виды молекул», — сказал Такеучи. «Такие уточнения могут помочь в достижении наших целей — не только измерять опасные материалы и опасность для окружающей среды, но возможно, даже ранние стадии заболеваний по дыханию пациента и запаху тела».