クレジット:MIT ニュース オフィス
腐敗による食品の損失を減らすために、MIT の研究者は、植物の成熟を促進するガスである少量のエチレンを検出する新しいセンサーを開発しました。低コストのセンサーは、銅原子が追加されたロール カーボン ナノチューブのシートから作られ、コストは約 25 セントですが、ワイヤレス通信用の RFID チップを追加しても、総コストはさらに 75 セントしか追加されません。
農務省によると、毎年、米国のスーパーマーケットでは、果物や野菜の約 10% が腐敗して失われています。これらの損失に対処するために、MIT の化学教授であるティモシー スウェーガーと彼の学生たちは、食料品店や食品流通業者が農産物をより適切に監視するのに役立つ新しいセンサーを構築しました。
ジャーナル Angewandte Chemie に記載されている新しいセンサー 、植物の成熟を促進するガスであるエチレンを微量検出できます。 Swager 氏は、農産物の段ボール箱に安価なセンサーを取り付け、ハンドヘルド デバイスでスキャンして中身の熟度を明らかにすることを想定しています。こうすれば、食料品店は熟しすぎる前に、特定の商品をいつ売りに出すかを知ることができます。
「食料品店が物事をより正確に管理し、おそらく損失を 30% 削減するのに役立つ機器を作成できれば、それは非常に大きなことです」と、化学のジョン D. マッカーサー教授である Swager 氏は言います。
食糧供給を監視するためにガスを検出することは、Swager にとって新しい関心分野です。彼の以前の研究では、爆発物や化学および生物兵器を検出するためのセンサーに焦点を当てていました。
「食べ物はセンサーを作る上で非常に重要なものであり、私たちは広い意味で食べ物を求めています」とスウェーガーは言います.彼はまた、食品のカビの発生や細菌の増殖を検出できるモニターを追求していますが、最初のターゲットとして、成熟を制御する植物ホルモンであるエチレンを選択しました。
植物は、成熟プロセスを通じてさまざまな量のエチレンを分泌します。たとえば、バナナは成熟プロセスを開始するのに十分なエチレンを放出するまで、緑色のままです。熟成が始まると、より多くのエチレンが生成され、熟成が加速します。完璧な黄色のバナナが完熟のピーク時に食べられないと、エチレンがバナナを茶色くどろどろに変えてしまいます。
果物の流通業者は、倉庫内のエチレン レベルを非常に低く保つことで、このプロセスを遅らせようとしています。このような倉庫には、ガスを分離して組成を分析できるガスクロマトグラフィーまたは質量分析を使用するモニターが採用されています。これらのシステムの価格はそれぞれ約 1,200 ドルです。
「現時点では、装置が非常に高価なため、人々がエチレンを監視しているのはこれらの巨大な施設内だけです」と Swager 氏は言います。
熟度の検出
MIT の兵士ナノテクノロジー研究所を通じて米陸軍研究局から資金提供を受けた MIT チームは、数万個のカーボン ナノチューブの配列からなるセンサーを構築しました。これは、電子の流れの「スーパーハイウェイ」として機能するシリンダーに巻かれた炭素原子のシートです。
エチレンガスを検出するようにチューブを変更するために、研究者は銅原子を追加しました。これは、流れる電子を遅くする「スピードバンプ」として機能します。 「これらのナノチューブに何かを置くときはいつでも、スピード バンプを作成しています。なぜなら、この完璧で手付かずのシステムを使用し、その上に何かを置いているからです」と Swager 氏は言います。
銅原子は電子を少し遅くしますが、エチレンが存在すると銅原子に結合し、電子をさらに遅くします.電子がどの程度減速するか (抵抗としても知られる特性) を測定することにより、研究者はエチレンの存在量を決定できます。
デバイスをさらに高感度にするために、研究者は、エチレンを吸収してカーボンナノチューブの近くに濃縮するポリスチレンの小さなビーズを追加しました。最新バージョンでは、研究者は 0.5 ppm という低い濃度のエチレンを検出できます。果実の成熟に必要な濃度は、通常 0.1 ～ 1 ppm です。
研究者は、バナナ、アボカド、リンゴ、ナシ、オレンジなどのいくつかの種類の果物でセンサーをテストし、果物が分泌するエチレンの量を検出することで、熟度を正確に測定することができました.
センサーを説明する論文の筆頭著者は、Swager の研究室のポスドクである Birgit Esser です。大学院生の Jan Schnorr もこの論文の著者です。
センサーを開発する会社 Alphasense のテクニカル ディレクターである John Saffell は、MIT チームのアプローチは厳密で集中的であると説明しています。 「このセンサーを正しく設計して実装すれば、輸送中の果物の腐敗を大幅に減らすことができます」と彼は言います。
「いつでも海上には何千もの貨物コンテナがあり、果物を輸送し、適切な熟度で目的地に到着することを望んでいます」と、この研究には関与していないサフェルは付け加えます. 「高価な分析システムでエチレン生成を監視できますが、コストに敏感な海運業では、出荷される果物のほとんどに対して経済的に実行可能ではありません。」
Swager 氏はこの技術に関する特許を申請しており、センサーを商品化するための会社を設立したいと考えています。今後の研究では、センサーに無線周波数識別 (RFID) チップを追加して、エチレン レベルを表示するハンドヘルド デバイスとワイヤレスで通信できるようにする予定です。このシステムは非常に安価で、カーボン ナノチューブ センサーに約 25 セント、RFID チップにさらに 75 セントかかると Swager 氏は見積もっています。
「これは、ほとんど電力がなくても、非常に安価な電子機器で実現できます」と彼は言います。
参考文献:「カーボン ナノチューブ ベースのデバイスを使用したエチレン ガスの選択的検出:果物の熟度の決定におけるユーティリティ」、ビルギット エッサー博士、ヤン M. シュノア博士、ティモシー M. スウェーガー教授、2012 年 4 月 19 日、Angewandteケミー .
DOI:10.1002/anie.201201042
