Подозрения в отношении Толкачева еще больше укрепились, когда выяснилось, что в карточку, где фиксировались документы, которыми он пользовался, внесены далеко не все инвентарные номера документов. Чисто визуально библиотекарь запомнила, что примерно год назад в его карточке уже не оставалось места для записи, а настоящая карточка заполнена лишь наполовину. Проведенная в КГБ экспертиза определила, что подписи должностных лиц в карточке с большой вероятностью являются поддельными.
Начался новый этап работы, не менее сложный, чем предыдущий, усугубленный тем обстоятельством, что ни в коем случае нельзя было вызвать подозрения ни со стороны Толкачева, ни со стороны его возможных партнеров.
Специалисты изучали и анализировали всю жизнь этого человека, родившегося в 1927 году в Актюбинске, русского, беспартийного, женатого, проживающего в Москве в доме на площади Восстания. Окружающие говорили о нем как о высококвалифицированном инженере, ведущем обособленный образ жизни, в прошлом злоупотреблявшем спиртными напитками и лечившемся у нарколога. Недавно им приобретены дача и машина. Портрет дополняли любовь к обогащению, завышенные представления о своей личности, способностях, предназначении. Впоследствии на допросах Толкачев сам признал, что на преступление его толкнули необузданная тяга к деньгам, уверенность, что только большие деньги дадут ему независимость и значимость.
Американцы проявляли заботу о безопасности своего агента. Ему отказали в подделке пропуска, резонно полагая, что она может быть обнаружена, отказывали в передаче ряда материалов, могущих привести к его расшифровке, например пособий для сына (который ничего не знал о преступной деятельности отца). Зато передали ему ампулу с ядом, закамуфлированную в авторучку. В ампуле была тройная смертельная для взрослого человека доза цианистого калия. Видимо, самоубийство виделось хозяевам как лучший исход для самого Толкачева. Обсуждался, правда, с ним и другой вариант — бегство за границу, однако этого, по независящим от него причинам, не произошло.
Приближался неизбежный час расплаты. Свои настроения последнего времени Толкачев объяснял так: "Мои опасения возможного провала были обусловлены следующими обстоятельствами. В НИИ, где я работал, в конце апреля стали составлять списки сотрудников, допущенных к материалам по системе государственного опознания самолетов, с включением сведений о домашних адресах и номерах телефонов. Меня это насторожило, так как в марте я передал американцам некоторые сведения по этой системе". Он нутром чувствовал, что час возмездия близок. Деньги теряли для него ценность. И однажды он сделал то, с чего начался наш рассказ: в приступу отчаяния и злобы сжег часть своего богатства, полученного от американцев. Уничтожил часть аппаратуры. Подальше спрятал великолепные ювелирные изделия, о существовании которых до обыска не знала его жена.
За Толкачевым было установлено наблюдение. Оно выявило, что 5 июня 1985 года он направился на конспиративную встречу, но его «друг» не появился. 13 июня Толкачев в то же время, что и 5 июня, появился на улице Пивченкова, причем оба раза предварительно проделал манипуляцию с форточкой. Одновременно к этому же месту направился 2-й секретарь посольства США Пол Стомбаух, сотрудник ЦРУ, контакты которого с Толкачевым уже были зафиксированы. Из посольства он выехал с женой и после трехчасовой проверки по улицам Москвы переоделся, затем, оставив жену в автомашине и сменив несколько видов городского транспорта, вышел на встречу с Толкачевым.
При задержании у Стомбауха были изъяты исполненные на миниатюрных листах быстрорастворимой бумаги инструкции ЦРУ, пять мини-фотоаппаратов, изданные за границей антисоветские произведения под фальшивыми обложками, деньги, предназначенные для Толкачева, схемы района места встречи и т. д.
У Толкачева были обнаружены письменное сообщение о новейших разработках военной техники, мини-фотоаппараты с отснятыми совершенно секретными документами. При обыске на квартире был изъят ряд вещественных доказательств его шпионской деятельности, в том числе средства тайнописи, коды, шифры, инструкции, ампула с ядом, рукописные материалы, содержащие совершенно секретные сведения, крупные суммы денег и драгоценности.