Распознать одну молекулу на миллиард — не проблема
Соперничать с обонянием собаки и даже выиграть у нее спор сможет «электронный нос», над созданием которого работают белорусские ученые. Подобные приборы в мире известны, но отечественное изобретение задумано на более высоком научном уровне, что позволяет превзойти аналоги по способности выделять из букета запахов самые слабые «ароматы». Новые технические решения также дают возможность сделать газоанализатор всего лишь на одном кристалле, то есть предельно миниатюрным и, соответственно, более дешевым, чем его не менее совершенные, но стационарные аналоги. Благодаря этому использование новинки станет возможным во многих областях медицины, биологии, криминалистики, геологии, в контроле качества продукции.
— Успешно продвигаться к намеченной цели нам позволяет то, что к проекту привлечены специалисты различных областей знаний и разных ведомств, — говорит профессор Белорусского национального технического университета доктор физико-математических наук Вячеслав Хатько. — Кроме нашей кафедры микро- и нанотехники, возглавляемой членом-корреспондентом Юрием Плескачевским, над темой работают коллеги из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, а также специалисты Минского научно-исследовательского института радиоматериалов. Новизна предложенного нами подхода заключается в том, что проба воздуха, прежде чем попасть на блок сенсоров, проходит через устройство концентрации молекул, выполненное из пористого наноматериала с развитой поверхностью — анодного оксида алюминия. В результате в его порах оказывается в 10 тысяч раз больше создающих запах молекул, чем их содержится в атмосфере или, допустим, в выдыхаемом воздухе. Обнаружить такое количество вещества сенсорам уже проще, после чего микропроцессорной системе останется только рассчитать реальную его концентрацию. Важно, что в нашем газоанализаторе используется не огромное количество узкоспециализированных датчиков, каждый из которых заточен под определенный тип молекул анализируемых веществ, а массив из всего лишь 4—20 неселективных сенсоров. Все вместе они рисуют графический образ взятой пробы. Достаточно провести предварительную калибровку аналитического устройства, и в «групповом портрете» запаха прибор распознает каждое «действующее лицо», как бы оно не пряталось.
Работа, выполняемая в рамках государственной программы научных исследований «Конвергенция», еще далека от завершения. Пока есть глубоко проработанная идея, теоретические труды, разработаны и выпускаются уникальные наноматериалы для сенсоров, наномембраны, а также изготовлены отдельные элементы «электронного носа», с которыми проводятся лабораторные опыты. То есть создается научный задел, который позволит продолжить исследования и разработки в рамках прикладных программ.
Особые надежды при этом ученые связывают с программами Союзного государства, которые не только относительно щедро финансируются, но и обеспечивают хорошие стартовые условия для капитализации научных идей на более обширном рынке. Именно поэтому с докладом о своей работе авторы впервые выступили на V Белорусском космическом конгрессе, где были представлены и фирмы космической отрасли сотрудничающих с нами стран — потенциальные потребители разрабатываемой новинки. Как признали российские специалисты, мощный, но громоздкий газоанализатор на орбиту, действительно, не отправишь, а портативный белорусский прибор размером со спичечный коробок, потребляющий ничтожное количество энергии, может оказаться незаменимым и для контроля состава атмосферы корабля, и для космической медицины — мониторинга состояния здоровья и самочувствия космонавтов.
— Наша разработка особенно перспективна именно в медицине, — говорит заведующий научно-исследовательской лабораторией «Нанотехнологии» Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники кандидат технических наук Геннадий Горох. — Например, с помощью стационарных газоанализаторов в некоторых странах уже проводится диагностика отдельных онкологических заболеваний по запаху, поскольку установлено, что раковые клетки производят особые летучие органические вещества. Свои ароматические соединения сопровождают практически каждую болезнь. Правда, они содержатся в выдыхаемом воздухе в ничтожных количествах, но современные приборы такие молекулы распознают и помогают врачу не только устанавливать диагноз, но и определять, как далеко болезнь зашла. Причем такая диагностика выявляет ранние признаки заболевания задолго до того, как появятся другие, явные симптомы. Проблема же состоит в том, чтобы сделать такой прибор доступным не только для элитных клиник, имеющих деньги на дорогую покупку, но и для рядовых больниц, и даже любого человека, который мог бы купить его в аптеке. А такую возможность как раз и предоставит наш «электронный нос». Он позволит проводить по доступной цене не только диагностику, но и с помощью телемедицинских систем организовать мониторинг состояния тяжелобольных, проходящих лечение в домашних условиях. «Электронная сиделка» задолго до обострения состояния больного унюхает любые тревожные симптомы и вовремя сообщит об этом врачу или сама примет меры, если они будут заложены в программу.
Кроме медицины, авторы проекта видят свое детище в составе систем безопасности подводных лодок, кораблей, самолетов, шахт, где «электронный нос» может сигнализировать об угрозе пожара задолго до появления не только открытого огня, но и дыма. Ведь любому огню предшествует локальное повышение температуры, невидимое порой для температурных датчиков, если источник потенциального возгорания скрыт за обшивкой или в глубине какого-то оборудования. Но разогрев, например электропроводки, приводит к выбросу в атмосферу специфических газов, по которым мы определяем, что пахнет паленым. Прибор же просигнализирует об угрозе гораздо раньше, чем наш нос.
Поможет он и специалистам, контролирующим незаконное перемещение взрывчатых веществ, наркотиков, опасных материалов. Не менее эффективным окажется «электронный нос» и в геологоразведке, причем агитировать поисковиков за эту технологию нет необходимости. Они хорошо знают, что месторождения каждого полезного ископаемого по-особенному пахнут, но до сих пор на вооружении геологических партий нет портативных и универсальных газоанализаторов.
Поскольку в состав творческого коллектива входят специалисты Минского НИИ радиоматериалов, где есть производственные мощности и микросистемные технологии, то вопрос серийного производства «электронного носа» не вызывает беспокойства. По мнению авторов проекта, Беларусь может и должна занять открывающуюся нишу на рынке электронной аппаратуры, там более что заложенные в портативный газоанализатор решения вполне реализуются при сегодняшнем уровне проектных норм, достигнутом отечественной микроэлектроникой.
