Электронный нос. Ещё одна «уже-не фантастика».

Обонятельный графеновый сенсор обнаруживает молекулы запаха на основе конструкции пептидных последовательностей. Источник.

Обонятельное восприятие или восприятие запаха является неотъемлемой частью многих отраслей, включая здравоохранение, продовольственную промышленность, косметологию, мониторинг окружающей среды и другие сферы. Сегодня чемпионство в деле обнаружения и оценки молекул запаха принадлежит методу газовой хроматография-масс-спектрометрии (ГХ-МС). Однако некоторые ограничения в виде громоздких габаритов рабочей установки и ограниченной чувствительности резко снижают его эффективность, поэтому учёные ищут более удобные альтернативы.

В последние годы графеновые полевые транзисторы (GFET) начали использоваться для разработки высокочувствительных и селективных датчиков запаха путём интеграции с обонятельными рецепторами, также известными как электронные носы. Атомарно-плоские поверхности и высокая подвижность электронов в графеновых поверхностях делают GFET идеальными для адсорбции молекул запаха. Однако применение GFET в качестве электрических биосенсоров с рецепторами сильно ограничено такими факторами, как хрупкость рецепторов и отсутствие альтернативных синтетических молекул, которые могут функционировать как обонятельные рецепторы.

Группа исследователей из Токийского технологического института (Tokyo Tech) под руководством профессора Юхеи Хаямидзу взялась за решение проблемы. Команда разработала три новых пептида для графеновых биосенсоров, которые обнаруживают молекулы запаха.

«Последовательность пептидов, которую мы разработали, должна была выполнять две основные функции: действовать как биомолекулярный каркас для самосборки на поверхности графена и функционировать как биозонд для связывания молекул запаха, ‒ объясняет Профессор Хаямидзу. ‒ Это позволило бы пептидам самособирающимся образом покрывать поверхность графена и однородно функционализировать поверхность, захватывая молекулы запаха».

Команда провела атомно-силовую микроскопию, которая показала, что пептиды равномерно покрывают поверхность графена толщиной в одну молекулу. Снабжённый таким функциональным слоем графен был использован для создания установки GFET для обнаружения запахов. Затем команда ввела лимонен, ментол и метилсалицилат в GFET в качестве репрезентативных молекул запахов.

Электрохимические измерения показали, что проводимость графена снижается при воздействии запахов на пептиды ‒ то есть, что устройство работает. Наблюдения также показали, что взаимодействие между тремя пептидными последовательностями и молекулой запаха приводит к очень чётким сигнатурам. Это подтвердило, что реакция транзистора на молекулы запаха зависит от конструкции пептида.

Кроме того, команда провела электрические измерения в реальном времени, чтобы отслеживать кинетический отклик GFET. Наблюдения показали, что временные ограничения, связанные с адсорбцией и десорбцией молекул запаха, были уникальными для каждой из пептидных последовательностей. 

Такое поведение, дополнительно подтверждённое анализом главных компонентов, означает, что обновление GFET оказалось крайне успешным и весьма точным в плане электрического обнаружения запахов.

Для разработки вездесущей системы восприятия летучих молекул ключевое значение будет иметь создание искусственного обоняния с помощью электронной имитации настоящих рецепторов. Эта разработка с её тремя новыми пептидами и двумя частями ‒ биозондом к молекулам-мишеням и молекулярным каркасом ‒ делает старые идеи биосенсорного (или, если хотите ‒ роботизированного) распознавания запахов не такими уж фантастичными. Динамическая реакция в виде изменения проводимости GFET в зависимости от разной концентрации запахов-раздражителей демонстрирует отчётливое распознавание отдельных видов молекул-мишеней всеми тремя разными пептидами. Ещё один важный момент в том, что кинетические реакции каждого пептида показывают характерные временные константы в процессе поглощения запаха и высвобождения его молекул сенсором: благодаря этому мы можем говорить о распознавании концентрации конкретных запахов в окружающей среде.

«Наш подход прост, и его можно масштабировать для массового производства обонятельных рецепторов на основе пептидов, которые могут имитировать и миниатюризировать естественные белковые рецепторы, отвечающие за наше обоняние. Мы на шаг ближе к реализации концепции электронных носов», ‒ заявляет профессор Хаямидзу.

Простой и надёжный метод, представленный в этом исследовании, открывает новые возможности для разработки высокочувствительных систем обнаружения запахов. Эти идеи также можно использовать при разработке передовых пептидных сенсоров, которые могут выполнять многомерный анализ запахов на вредных производствах, в химической промышленности, криминалистике, парфюмерии, системах безопасности и многих других сферах человеческой деятельности.

АРМК, по материалам Токийского технологического института