Учуять неладное: как «электронный нос» находит бактерии в молоке

Быстро проверить качество продуктов, найти в воде токсичные примеси и распознать болезни по запаху — решить все эти задачи может «электронный нос», система датчиков для анализа летучих соединений. Особой популярностью такие технологии пользуются в пищевой промышленности. Их уже научили оценивать свежесть мяса, на очереди — поиск опасных бактерий в молочных продуктах.

Как работают такие сенсоры, что они могут отыскать в продуктах и при чем здесь пьезоэлектрики? Об этом порталу Наука.рф рассказала руководитель проекта, доцент кафедры физической и аналитической химии Воронежского государственного университета инженерных технологий (ВГУИТ), кандидат химических наук Анастасия Шуба.

 — Анастасия, расскажите, как работает «электронный нос» для анализа молока? Какие бактерии умеет распознавать?

 — На самом деле «электронный нос» — это несколько сенсоров, объединенных в одном устройстве. Мы используем химические сенсоры, улавливающие летучие соединения, которые выделяют том числе бактерии в сыром молоке. То есть эти датчики буквально определяют микроорганизмы по запаху. При определенных условиях, когда бактерии потребляют питательные компоненты в молочных продуктах, они начинают производить разные вещества. Чаще всего это различные кислоты, кетоны*, альдегиды и спирты изомерного строения (такие, у которых одинаковый атомный состав, но разный порядок их соединения или расположения в пространстве).

Например, стафилококк (Staphylococcus) выделяет изовалериановую кислоту. Еще одна условно патогенная бактерия, распространенная среди крупного рогатого скота — кишечная палочка (Escherichia coli) — выделяет индол, продукт метаболизма триптофана. Поскольку она чаще всего является причиной кишечных заболеваний, то за этой бактерией пристально следят на молочных производствах.

 — Каким образом сенсоры «ловят» эти соединения?

 — В основе используемой технологии — тонкие пластинки, вырезанные из кристаллов кварца. Этот минерал известен своими пьезоэлектрическими* свойствами. Тонкая пластинка кварца помещается между двумя электродами, подается напряжение, и она начинает колебаться — так возникают резонансные механические колебания. Визуально кажется, что пластинка статична, хотя частота колебаний в этот момент очень высокая: в нашем случае она составляет десять мегагерц — это десять миллионов колебаний в секунду!

Этот эффект был открыт еще в 1880-х годах. Пьезоэлектрики широко используются в электронике, медицине и геологии. Инновация нашей разработки заключается в специальном покрытии, которое мы наносим на электроды резонатора*. Когда частицы газа «садятся» на покрытие, он начинает медленнее колебаться. Сигнал об этом передается на считывающее устройство, данные выводятся на монитор. Так мы видим, что колебания изменились и после обработки данных понимаем, какие нежелательные микроорганизмы и в каком количестве содержатся в молоке.

 — Почему вы выбрали это направление? Насколько такие устройства востребованы в пищевой промышленности?

 — Традиционно в нашем университете особое внимание уделяют исследованиям в этой области. Конечно, на молочных предприятиях проводят тщательный анализ продуктов в соответствии со всеми регламентами и нормами безопасности. Но одна из основных проблем связана с тем, что проверка на микробиологические показатели занимают много времени. Это может приводить к тому, что, когда приходят результаты анализа, оказывается, что готовый продукт нельзя реализовать — и вся партия утилизируется. Такая ситуация несет потенциальные убытки для молокоперерабатывающих предприятий, и на полки магазинов попадает меньше товаров.

 — Как тестировали технологию?

 — Для исследования молока мы разработали несколько методик. Приведу одну из них. Например, мы получаем сырое коровье молоко (для анализа достаточно 20 миллилитров) и выдерживаем его в небольшой герметичной емкости при температуре 22 — 23°C. Со временем при достижении равновесия над жидкостью образуется газовая фаза, которую мы отбираем с помощью шприца и переносим в ячейку детектирования прибора через специальные отверстия. Сенсоры в ячейке начинают взаимодействовать с химическими соединениями газовой фазы — эта информация регистрируется на компьютере. Даже если у образца нет ярко выраженного негативного запаха, устройство в любом случае «поймает» следы бактерий.

Далее мы обрабатываем молоко ультразвуком: уничтожаем бактерии и после этого повторно проводим измерения, чтобы уточнить наличие и количество в молоке вредных микроорганизмов. Все эти исследования занимают не более получаса. С помощью «электронного носа» мы можем проверить 7 — 10 образцов молока за сутки, в то время как обычно на это уходит несколько дней.

 — Есть ли у этой разработки аналоги?

 — Покрытий для пьезокварцевых резонаторов изучено много. Например, есть полимерные и хроматографические материалы, краун-эфиры*, углеродные наноматериалы, кристаллические соединения. Наши поликомпозитные покрытия тоже включают в себя эти соединения, но с добавлением новых, которые ранее до нас никто не использовал. Благодаря им устройство становится более чувствительным и при этом задействует минимальное количество сенсоров. Большинство устройств для анализа пищи содержат от шести датчиков, а мы можем использовать оценки для некоторых показателей всего два.

 — Будут ли такие сенсоры доступны обычным покупателям, например, чтобы проверить качество молока в магазине?

 — Вероятность обнаружить в продаже молочные продукты с опасными микроорганизмами довольно низкая. Все же к тому моменту, когда товар поступает на полки магазинов, он должен пройти все проверки. Помимо крупных заводов, наше устройство скорее пригодится небольшим молокозаготовительным предприятиям, включая фермерские хозяйства. К тому же, при применении таких приборов нужны определенные условия. Даже самые простые тесты на кишечную палочку при неправильном использовании могут давать ошибку. С другой стороны, с учетом стремительного развития технологий, думаю, в будущем на любой запрос найдется свой гаджет.

 — Эти сенсоры предназначены только для молока? Можно ли их «научить» анализировать другие продукты?

 — Конкретно наша задача была связана с молочными продуктами. Но те подходы, которые мы разработали, можно применять и для других объектов. В нашем университете достаточно большой коллектив, который занимается разработкой пьезокварцевых сенсоров. Подобные устройства можно использовать не только в пищевой промышленности, но и в экологии, медицине. Покрытия и методики могут меняться, но сами пьезокварцевые сенсоры всегда будут чувствительными и многофункциональными. Поэтому они эффективны для широкого круга задач.

 — На какой стадии находится этот проект?

 — Сейчас мы сосредоточились на методике определения кишечной палочки в молоке и молочных продуктах. Наша команда не только проверяет надежность подхода для разных молочных продуктов, но ищет способы его упростить — чтобы сделать методику максимально удобной для практического применения. Одновременно подбираем площадки для тестирования: именно результаты пилотных испытаний покажут, насколько реально внедрить эту методику в работу.

 — Ранее вы занимались разработкой медицинских сенсоров. В чем их отличие от тех, которые используются в пищевой промышленности?

 — Эти устройства мы разрабатывали для диагностики респираторных заболеваний у телят, в том числе ринита, бронхита и пневмонии. Они точно так же работали за счет пьезоэффекта в кварце, но покрытия и способ измерения газовой фазы у них отличались. В ходе этого проекта мы предложили два набора сенсоров с разными по природе и избирательности к определенным веществам покрытиями. В качестве объекта анализа использовали носовую слизь животных. Результаты экспериментов показали, что точность классификации на «больных» и «здоровых» с применением этих сенсоров достигала 96%. Но стоит отметить, что такой инструмент не должен конкурировать с классическими методами диагностики, в том числе биологическими. Если есть клинические признаки заболевания, обычные скрининговые тесты не подойдут.

Сейчас этим проектом продолжают заниматься мои коллеги в университете. Технологии для медицины и ветеринарии внедрять сложнее, в том числе из-за долгих процессов, связанных с сертификацией.

 — Помимо научной деятельности, вы преподаете на кафедре физической и аналитической химии, являетесь председателем Совета молодых ученых в университете. С какими трудностями чаще всего сталкиваются молодые исследователи?

 — Одна из главных трудностей связана с точкой входа: зачастую ребята, планирующие идти в науку, не знают, как начать. В нашем университете есть студенческое научное общество — это первое место, куда обращаются студенты. Им помогают разобраться, чем занимаются преподаватели и какие проекты реализуются. Пообщавшись с научным руководителем, студент получает первое задание: сформулировать проблему в своей научной области и найти информацию для ее решения. Для этого мы проводим мастер-классы, обучаем поиску и систематизации научных данных, в том числе с помощью искусственного интеллекта, но так, чтобы он не заменял естественный.

Вторая трудность — презентация своей работы. Несмотря на обилие конкурсов в научной среде, студентам иногда не хватает площадок, на которых можно потренироваться. Кроме того, не у всех, к сожалению, хватает терпения: в некоторых областях можно быстро добиться признания, а в науке нужно быть терпеливым, многое менять и снова пробовать. Но те, кто не боится долгосрочных проектов, приходят к успеху.

При нехватке или отсутствии финансов на проект мы рекомендуем студентам подавать заявки на гранты. Есть хорошие научные конкурсы, например конкурсы «УМНИК», Студенческий стартап, Всероссийский инженерный конкурс. Потом можно подать заявку на стипендии Президента или Правительства РФ.

 — Как понять, что научная идея студента может в будущем перерасти в успешный бизнес-проект?

 — Это популярный вопрос. Стандартных алгоритмов здесь еще не придумали. Если речь идет о ранней стадии, когда есть только идея (например, специалист хочет создавать новые сверхпроводники), для начала нужно изучить научную литературу и сферу применения. На это уйдет много времени, и не факт, что идея доживет до реализации.

Если говорить о подтвержденных научных идеях в рамках студенческих или аспирантских проектов, то здесь, как ни странно, самая лучшая практика — как можно больше рассказывать о своем проекте. Участвовать в форумах, посещать ярмарки вакансий. На таких мероприятиях можно пообщаться с представителем отрасли и понять, насколько твоя разработка перспективная. Многие студенты стесняются рассказывать о своих проектах. Однако, на мой взгляд, это единственный способ, позволяющий оценить свою работу и открывающий дальнейший путь к ее развитию.

Конечно, для решения этой проблемы можно провести анализ рынка. Но такие маркетинговые исследования обычно удается сделать на локальном уровне. Поэтому, если ты занимаешься научной проблемой и не понимаешь, где можно применить свои разработки, не нужно бояться говорить о своих проектах. Даже если у потенциального партнера нет возможности поддержать проект, можно попробовать подать заявку на грант и получить финансирование от государства. У нас есть хорошие примеры, когда благодаря конкурсной системе молодым ученым удавалось привлечь средства и довести свои разработки до прототипов, интересных для коммерческого сектора.

 — Помимо этих рекомендаций, какой главный совет вы бы дали молодым ученым? 

 — Я бы рекомендовала не бояться смелых экспериментов, особенно, когда кажется, что другого шанса не будет. Знаменитый ученый Томас Эдисон сделал около тысячи неудачных попыток, прежде чем у него получилось создать электрическую лампочку. За любым научным прорывом стоят тысячи часов экспериментов. Из-за неудачи легко усомниться в своих силах. Поэтому молодому ученому необходимо помнить: старания в любом случае окупятся.

Беседовала Анна Шиховец