Корейские исследователи разработали биосенсор для оценки качества пищи, работающий по тому же принципу, по которому обонятельные рецепторы собачьего носа распознают запахи.

Тай Хюн Парк (Tai Hyun Park) и Сёнгун Нонг (Seunghun Hong) из Национального Университета Сеула разработали устройство, распознающее гексаналь – летучее органическое соединение, как правило, выделяемое продуктами питания с истекшим сроком годности.

Существующий метод обнаружения летучих органических соединений, выделяемых пищей, в которой начался процесс окисления (оно связано с порчей) основан на хроматографических исследованиях образцов, однако хроматографические устройства не являются портативными, и препарат для анализа должен быть подвергнут предварительной обработке.

Для модификации и миниатюризации методов анализа летучих органических соединений уже разработан ряд сенсоров типа «искусственный нос», основанных на полупроводниковых системах или на белковых молекулах, однако эти системы по чувствительности и селективности не идут ни в какое сравнение с органами обоняния животных.

В носовой полости животных определенные одоранты селективно связываются с соответствующими обонятельными рецепторами, в результате чего генерируется химический сигнал. Этот химический сигнал преобразовывается в электрический, который затем усиливается по мере прохождения через нервную сеть обонятельных нейронов.

Рис. 1. Нановезикулы располагаются в полости
нанотрубки. Связываясь с обонятельными рецепторами,
гексаналь вызывает приток ионов Ca²⁺ в везикулы.
Образующийся в результате положительный потенциал
везикул приводит к понижению проводимости в канале.
(Рисунок из Analyst, 2012, DOI: 10.1039/c2an16274a).

Для имитации процесса обоняния исследователи создали устройство, состоящее из нановезикул, которые, в свою очередь, были получены из клеток, экспрессирующих обонятельные рецепторы, специфичные по отношению к гексанали. Исследователи иммобилизовали везикулы на транзисторном сенсоре из углеродных нанотрубок [carbon nanotube transistor (CNT) sensor] и добавили каплю раствора, содержащего ионы Ca²⁺, после чего к транзистору был приложен электрический ток. Связываясь с обонятельными рецепторами, гексаналь вызывает приток ионов Ca²⁺ в везикулы, что приводит к увеличению потенциала нановезикул, контактирующих с углеродными нанотрубками.

Поскольку проводимость углеродных нанотрубок зависит от значения электрического потенциала, появляется возможность определять гексаналь, измеряя изменения проводимости канала.

Исследователи проверили работу системы на скисающем молоке. Было обнаружено, что проводимость системы увеличивалась с течением времени и продолжении порчи молока. Также было обнаружено, что сенсор может детектировать гексаналь в фемтомолярных концентрациях, причем даже в том случае, когда он смешан с пентаналем, гептаналем и октаналем.

Жасмина Видич (Jasmina Vidic), специалист по системам типа «электронный нос» отмечает, что

результаты, полученные при проверке системы на настоящих образцах продуктов питания крайне важны, особенно результаты определения гексаналя с такой чувствительностью и такой селективностью, которые на самом деле приближаются к свойствам собачьего носа.

В планах Хонга разработка биоэлектронного носа за счет создания на одном носителе системы сенсоров на различные летучие органические вещества. Он отмечает, что новый сенсор также может быть использован для ранней диагностики рака легких при анализе образцов крови пациента.