新しいセンサーの機能をテストするために、研究者はカーボン ナノチューブとその他のセンサー コンポーネントをガラス スライドに堆積させました。次に、2 種類の花 (赤いカーネーションと紫のトルコギキョウ) のエチレン生成を監視するためにそれを使用しました。
植物ホルモンのエチレンを監視することで、果物や野菜が腐りそうになる時期を明らかにできる可能性があります。
花が咲き、果実が熟すと、エチレンと呼ばれる無色の甘い香りのガスが放出されます。 MIT の化学者は、このガスを 15 ppb という低濃度で検出できる小さなセンサーを作成しました。これは、食品の腐敗を防ぐのに役立つと考えられています。
カーボン ナノチューブと呼ばれる半導体シリンダーで作られたこのセンサーを使用して、果物や野菜が出荷および保管される際の監視に使用でき、食品廃棄物の削減に役立つ可能性があると、MIT のジョン D. マッカーサー化学教授であるティモシー スウェイガーは述べています。 /P>
「より良い食品管理と食品廃棄物の削減が常に求められています」と Swager 氏は言います。 「果物を輸送する人々は、輸送中の果物の状態と、輸送中にエチレンを抑えるための対策を講じる必要があるかどうかを知りたいと思っています。」
植物ホルモンとしての本来の役割に加えて、エチレンは世界で最も広く製造されている有機化合物でもあり、プラスチックや衣類などの製品の製造に使用されています。エチレンの検出器は、この種の産業用エチレン製造の監視にも役立つ可能性があると研究者は述べています。
Swager は、本日 (2020 年 3 月 18 日) ジャーナル ACS Central に掲載された研究の上級著者です。 . MIT ポスドク Darryl Fong がこの論文の筆頭著者であり、MIT 大学院生 Shao-Xiong (Lennon) Luo と客員研究員 Rafaela Da Silveira Andre も著者です。
熟しているかどうか
エチレンはほとんどの植物によって生成され、成長、成熟、およびライフサイクルのその他の重要な段階を刺激するホルモンとして使用されます.たとえば、バナナは熟して茶色になるにつれて生成するエチレンの量が増加し、花が咲く準備が整うとエチレンが生成されます。ストレス下にある農産物や花は、エチレンを過剰に生成し、早熟または早期萎凋につながる可能性があります。米国農務省によると、毎年、米国のスーパーマーケットでは、果物や野菜の約 12% が腐敗して失われていると推定されています。
2012 年、Swager の研究室は、何万ものカーボン ナノチューブの配列を含むエチレン センサーを開発しました。これらの炭素シリンダーは、電子がそれに沿って流れることを可能にしますが、研究者は電子の流れを遅くする銅原子を追加しました。エチレンが存在すると、銅原子に結合し、電子の速度をさらに低下させます。この減速を測定することで、エチレンの存在量を明らかにすることができます。しかし、このセンサーは 500ppb までのエチレン レベルしか検出できず、センサーには銅が含まれているため、最終的には酸素によって腐食されて機能しなくなる可能性があります。
「エチレンの優れた商用センサーはまだありません」と Swager 氏は言います。 「リンゴやジャガイモなど、長期保存されるあらゆる種類の農産物を管理するために、エチレンを測定して、停滞モードにあるか、成熟しているかを判断できるようにしたいと考えています。」
Swager と Fong は、これもカーボン ナノチューブに基づくが、Wacker 酸化として知られるまったく異なるメカニズムで動作する、新しい種類のエチレン センサーを作成しました。エチレンに直接結合する銅などの金属を組み込む代わりに、酸化と呼ばれるプロセス中にエチレンに酸素を付加するパラジウムと呼ばれる金属触媒を使用しました。
パラジウム触媒がこの酸化を行うと、触媒は一時的に電子を獲得します。パラジウムは、これらの余分な電子をカーボン ナノチューブに渡し、導電性を高めます。結果として生じる電流の変化を測定することにより、研究者はエチレンの存在を検出できます。
センサーは数秒以内にエチレンに反応し、ガスがなくなると、センサーは数分以内にベースラインの導電率に戻ります。
「金属の 2 つの異なる状態を切り替えます。エチレンがなくなると、一時的な電子が豊富な状態から元の状態に戻ります」と Fong 氏は言います。
「エチレン検出のためのワッカー酸化触媒システムの再利用は、非常に巧妙で根本的に学際的なアイデアでした」と、ウィスコンシン大学の化学助教授であるザッカリー・ウィッケンズは述べています。彼はこの研究には関与していません。 「研究チームは、堅牢な触媒システムを提供するためにワッカー酸化に対する最近の修正を利用し、それをカーボン ナノチューブ ベースのデバイスに組み込んで、非常に選択的でシンプルなエチレン センサーを提供しました。」
満開
センサーの機能をテストするために、研究者はカーボン ナノチューブとその他のセンサー コンポーネントをガラス スライドに堆積させました。次に、カーネーションと紫色のトルコギキョウという 2 種類の花のエチレン生成を監視するためにそれを使用しました。彼らは 5 日間にわたってエチレン生成を測定し、エチレン レベルと植物の開花との関係を追跡することができました。
カーネーションの研究で、研究者は、実験の初日にエチレン濃度が急激に上昇し、その後すぐに花が咲くことを発見しました。すべて 1 日か 2 日でした。
紫色のトルコギキョウの花は、初日からエチレンが徐々に増加し、減少し始めた 4 日目まで続きました。それに対応して、花の開花は数日にわたって広がり、一部は実験終了時までにまだ開花していませんでした.
研究者はまた、花に付いている植物性食品のパケットがエチレン生成に何らかの影響を与えるかどうかを調べました.彼らは、エサを与えられた植物は、エチレンの生成と開花にわずかな遅れを示したが、その効果は有意ではなかった (ほんの数時間) ことを発見した.
MIT チームは、新しいセンサーに関する特許を申請しました。この研究は、国立科学財団、米国陸軍技術者研究開発センターの環境品質技術プログラム、カナダ自然科学工学研究評議会、およびサンパウロ研究財団によって資金提供されました。
参照:「Wacker 酸化によるトレース エチレン センシング」、Darryl Fong、Shao-Xiong Luo、Rafaela S. Andre、Timothy M. Swager 著、2020 年 3 月 18 日、ACS Central .
DOI:10.1021/acscentsci.0c00022
