Саранча с нанопокрытием научилась точнее распознавать следы взрывчатки
Исследователи Washington University in St. Louis соединили природное обоняние саранчи с синтетическим наноматериалом и получили гибридную систему химического sensing, которая точнее распознает следовые количества веществ. В серии тестов насекомые с покрытием превзошли обычную саранчу и искусственные сенсоры по всем проверенным соединениям, включая химическую сигнатуру TNT. Работа опубликована в журнале Advanced Materials. Авторы считают, что такой подход приближает использование насекомых для поиска людей и обследования зон бедствий.
Как саранчу соединили с наноматериалом
Старшими авторами исследования стали профессор биомедицинской инженерии Barani Raman и профессор механической инженерии Srikanth Singamaneni из McKelvey School of Engineering. Они предложили наносить на антенны или крылья саранчи сверхлегкую пористую коллагеновую пену с наноструктурами для метода surface-enhanced Raman scattering, известного как SERS. Этот метод усиливает сигналы от молекул рядом с металлическими наноструктурами и подходит для обнаружения следовых химикатов. Пена собирает и удерживает химические следы, а затем помогает точно определить конкретные соединения.
Логика гибрида построена на сочетании сильных сторон двух подходов. Обонятельная система саранчи крайне чувствительна и улавливает слабые запахи, которые направляют ее поведение, при этом в каждой антенне насчитывается 50000 обонятельных рецепторных нейронов. Однако даже такой аппарат не охватывает достаточно широкий спектр химических соединений. Синтетические сенсоры менее подвижны, чем живые существа, но способны очень точно определять отдельные вещества. Соединение биологии и инженерных принципов, по словам Raman, дает более совершенную сенсорную систему с широким охватом.
Важным условием стало сохранение обычных функций насекомого после нанесения покрытия. По данным авторов, пена дополнила способность саранчи улавливать запахи и не помешала другим функциям антенн и крыльев. Лаборатория Singamaneni давно занимается созданием плазмонных наноструктур, а группа Raman изучает сенсорные контуры саранчи, и объединение этих направлений дало результат в совместных тестах. Отдельно отмечается, что ключевая трудность химического sensing связана с ситуациями, когда заранее неизвестно, какие именно молекулы нужно искать. В таких условиях биологическая часть отвечает за чувствительный поиск, а химическая часть помогает идентифицировать вид вещества.
Где такой поиск может пригодиться людям
Авторы описывают сценарии, в которых насекомые действуют там, куда человеку трудно попасть или опасно заходить. В тексте названы примеры таракана в зоне землетрясения, способного пробраться в завалы и показать места с человеческими химическими следами, а также кузнечика, который перемещается по минному полю и возвращает карту по встреченным парам веществ. Гибридная система с пеной на антенне в этом контексте рассматривается как способ собирать образцы и точнее определять соединения на месте. Для отношений в широком смысле это история про безопасность среды, от которой зависит спокойствие семьи и восстановление после бедствия.
При этом материал не дает оснований считать технологию готовой к полевому применению. Речь идет о лабораторных тестах с ограниченным набором веществ, где проверялось распознавание запахов и сохранение функций насекомого. Не приводятся сроки выхода за пределы лаборатории, длительность работы покрытия, поведение системы на ветру, в пыли, при жаре или дожде. Исследование поддержано Air Force Office of Scientific Research и National Science Foundation, что указывает на ранний научный этап. Если вопрос касается личной безопасности, действий в зоне бедствия или подозрительных предметов, ориентиром остаются службы спасения и инструкции специалистов, а не экспериментальные разработки.
Признаком сдвига станет появление данных о работе таких насекомых-носителей вне лаборатории в течение заданного маршрута. Пока об этом можно судить по трем пунктам из работы: сохранение подвижности после нанесения пены, расширение списка распознаваемых запахов и подтверждение сигнатуры TNT в тестах. Следующим шагом логично ждать испытаний в условиях, близких к завалам или открытым площадкам.