Udvikling af en lille sensor, der er i stand til løbende at overvåge phytohormon ethylen

NIMS og AIST har udviklet en lille sensor, der er i stand til kontinuerligt at overvåge plantehormonet ethylen. Ethylengas fremmer modning i frugt og grøntsager, men overdreven eksponering fremmer dem til at rådne. Den nye lille sensor kan bruges til at overvåge frugt og grøntsager ved løbende at detektere ethylengas, at sikre friskheden under transport og opbevaring, og hjælper med at reducere madspild.

Ethylen er et gasformigt molekyle, der frigives af frugt og grøntsager som et modningsfremmende fytohormon. Friske produkter kan modnes kunstigt i post-harvest opbevaring ved at indføre ethylen i en lagerfacilitet. Kontinuerlig overvågning af ethylenkoncentrationer i disse faciliteter kan gøre det muligt at estimere modningsforløbet af lagrede produkter mere nøjagtigt. muliggør optimal transport- og opbevaringsplan. Denne potentielle fordel har ført til stor efterspørgsel efter udvikling af små, billige ethylensensorer fra landbrugs- og fødevareindustrien. Små sensorer, der er i stand til at detektere ethylen, er kommercielt tilgængelige, men mange af dem fungerer kun ved høje temperaturer (200-300 ℃). Udover, de kommercielt tilgængelige sensorer, der anvender halvledere som sensormaterialer, kan detektere andre gasformige molekyler (f.eks. alkohol og metan) på grund af dens meget aktive overflade. Disse eksisterende sensorer mangler derfor selektiv følsomhed over for ethylen.

I dette forskningsprojekt, vi udviklede en lille, meget følsom sensor, der er i stand til at detektere ethylen med stor selektivitet. Denne sensor består af tre komponenter:en meget aktiv katalysator, der selektivt omdanner ethylen til acetaldehyd, et reagens, der reagerer med acetaldehyd for at frigive sur gas og en SWCNT (single-walled carbon nanotube) elektrode, som er meget følsom over for sur gas (figur). Denne meget aktive katalysator kan gentagne gange omdanne ethylen til acetaldehyd, når analyt-luft passerer gennem den. Ud over, katalysatoren kan fungere ved nær stuetemperatur (40 ℃), gør den lille sensor energieffektiv. Den sure gas, der dannes ved reaktionen mellem acetaldehyd og reagenset, trækker kraftigt elektroner tilbage fra SWCNT -halvlederen, ændring af halvlederens elektriske modstand. Disse karakteristika og mekanismer gør det muligt for sensoren selektivt og følsomt at detektere ethylen selv ved en ekstrem lav koncentration (0,1 ppm) ved at overvåge ændringer i elektrisk modstand. Denne sensor forventes at være effektiv til at overvåge ethylenkoncentrationer for mange typer friske produkter på lager. For eksempel, ethylenkoncentrationerne, der fremmer modningen i bananer og kiwi, er ca. 500 ppm og 10 ppm, henholdsvis:godt inden for sensorens nyttige følsomhedsområde.

denne lille, energieffektiv, lavpris ethylensensor er designet til at være kompatibel med big data integration og netværkssystemer, og kan derfor tjene som et vigtigt værktøj til at omsætte Japans super-smarte samfundsvision (Society 5.0-initiativet) i praksis i landbrugs- og fødevareindustrien. Denne forskergruppe designer forskellige typer højaktive katalysatorer for at udvikle små sensorer, der kan detektere andre gasformige molekyler end ethylen.