Źródło:Biuro prasowe MIT
W celu zmniejszenia strat żywności w wyniku psucia się, naukowcy z MIT opracowali nowy czujnik, który wykrywa niewielkie ilości etylenu, gazu, który sprzyja dojrzewaniu roślin. Niedrogie czujniki są wykonane z arkuszy walcowanych nanorurek węglowych z dodanymi atomami miedzi i kosztują około 25 centów, podczas gdy dodanie chipa RFID do komunikacji bezprzewodowej zwiększyłoby całkowity koszt tylko o kolejne 75 centów.
Według Departamentu Rolnictwa co roku amerykańskie supermarkety tracą około 10 procent swoich owoców i warzyw na skutek psucia się. Aby pomóc zwalczyć te straty, profesor chemii z MIT Timothy Swager i jego studenci zbudowali nowy czujnik, który może pomóc sklepom spożywczym i dystrybutorom żywności lepiej monitorować ich produkty.
Nowe czujniki opisane w czasopiśmie Angewandte Chemie , może wykryć niewielkie ilości etylenu, gazu, który sprzyja dojrzewaniu roślin. Swager wyobraża sobie niedrogie czujniki przymocowane do kartonowych pudeł z produktami i zeskanowane za pomocą ręcznego urządzenia, które ujawniłoby dojrzałość zawartości. W ten sposób sklep spożywczy wiedziałby, kiedy wystawić określone przedmioty na sprzedaż, aby je przenieść, zanim staną się zbyt dojrzałe.
„Jeśli uda nam się stworzyć sprzęt, który pomoże sklepom spożywczym bardziej precyzyjnie zarządzać sprawami i być może obniżyć straty o 30 procent, byłoby to ogromne” – mówi Swager, profesor chemii John D. MacArthur.
Wykrywanie gazów w celu monitorowania dostaw żywności to nowy obszar zainteresowania Swagera, którego poprzednie badania koncentrowały się na czujnikach do wykrywania materiałów wybuchowych lub chemicznych i biologicznych środków bojowych.
„Jedzenie to coś, co jest naprawdę ważne w tworzeniu czujników, a my dążymy do jedzenia w szerokim znaczeniu”, mówi Swager. Pracuje również nad monitorami, które mogą wykryć, kiedy żywność staje się spleśniała lub rozwija się rozwój bakterii, ale jako pierwszy cel wybrał etylen, hormon roślinny, który kontroluje dojrzewanie.
Rośliny wydzielają różne ilości etylenu podczas procesu dojrzewania. Na przykład banany pozostaną zielone, dopóki nie uwolnią wystarczającej ilości etylenu, aby rozpocząć proces dojrzewania. Po rozpoczęciu dojrzewania powstaje więcej etylenu, a dojrzewanie przyspiesza. Jeśli ten doskonały żółty banan nie zostanie zjedzony w szczytowym momencie dojrzałości, etylen zmieni go na brązowy i papkowaty.
Dystrybutorzy owoców starają się spowolnić ten proces, utrzymując bardzo niski poziom etylenu w swoich magazynach. W takich magazynach stosowane są monitory wykorzystujące chromatografię gazową lub spektroskopię mas, które mogą oddzielać gazy i analizować ich skład. Te systemy kosztują około 1200 dolarów każdy.
„W tej chwili ludzie monitorują etylen tylko w tych ogromnych obiektach, ponieważ sprzęt jest bardzo drogi”, mówi Swager.
Wykrywanie dojrzałości
Finansowany przez US Army Office of Research za pośrednictwem Instytutu Nanotechnologii Żołnierza MIT, zespół MIT zbudował czujnik składający się z szeregu dziesiątek tysięcy nanorurek węglowych:arkuszy atomów węgla zwiniętych w cylindry, które działają jak „superautostrady” dla przepływu elektronów.
Aby zmodyfikować rurki do wykrywania gazu etylenowego, naukowcy dodali atomy miedzi, które służą jako „gumy zwalniające” spowalniające przepływ elektronów. „Za każdym razem, gdy nakładasz coś na te nanorurki, robisz progi zwalniające, ponieważ bierzesz ten doskonały, nieskazitelny system i nakładasz na niego coś” – mówi Swager.
Atomy miedzi nieco spowalniają elektrony, ale gdy etylen jest obecny, wiąże się z atomami miedzi i jeszcze bardziej spowalnia elektrony. Mierząc, jak bardzo elektrony zwalniają – właściwość znana również jako opór – naukowcy mogą określić, ile etylenu jest obecne.
Aby urządzenie było jeszcze bardziej czułe, naukowcy dodali maleńkie kulki polistyrenu, który absorbuje etylen i koncentruje go w pobliżu nanorurek węglowych. Dzięki najnowszej wersji naukowcy mogą wykryć stężenie etylenu tak niskie, jak 0,5 części na milion. Stężenie wymagane do dojrzewania owoców wynosi zwykle od 0,1 do jednej części na milion.
Naukowcy przetestowali swoje czujniki na kilku rodzajach owoców — bananach, awokado, jabłkach, gruszkach i pomarańczach — i byli w stanie dokładnie zmierzyć ich dojrzałość, wykrywając, ile etylenu wydzielały owoce.
Głównym autorem artykułu opisującego czujniki jest Birgit Esser, stażystka w laboratorium Swagera. Autorem artykułu jest również student Jan Schnorr.
John Saffell, dyrektor techniczny w Alphasense, firmie zajmującej się opracowywaniem czujników, opisuje podejście zespołu MIT jako rygorystyczne i skoncentrowane. „Ten czujnik, jeśli zostanie prawidłowo zaprojektowany i wdrożony, może znacznie zmniejszyć poziom psucia się owoców podczas transportu” – mówi.
„W dowolnym momencie na morzach znajdują się tysiące kontenerów transportowych, które przewożą owoce i mają nadzieję, że dotrą do miejsca przeznaczenia w odpowiednim stopniu dojrzałości” – dodaje Saffell, który nie był zaangażowany w te badania. „Drogie systemy analityczne mogą monitorować wytwarzanie etylenu, ale w branży wysyłkowej wrażliwej na koszty nie są ekonomicznie opłacalne w przypadku większości wysyłanych owoców”.
Swager złożył wniosek o patent na tę technologię i ma nadzieję założyć firmę, która będzie komercjalizować czujniki. W przyszłych pracach planuje dodać chip do identyfikacji radiowej (RFID) do czujnika, aby mógł komunikować się bezprzewodowo z przenośnym urządzeniem wyświetlającym poziomy etylenu. System byłby niezwykle tani — około 25 centów za czujnik z nanorurek węglowych plus kolejne 75 centów za chip RFID, szacuje Swager.
„Można to zrobić za pomocą absolutnie taniej elektroniki, prawie bez zasilania”, mówi.
Odniesienie:„Selective Detection of Ethylen Gas Using Carbon Nanotube-based Devices:Utility in Determination of Fruit Ripeness” dr Birgit Esser, Jan M. Schnorr i prof. dr Timothy M. Swager, 19 kwietnia 2012, Angewandte Chemia .
DOI:10.1002/anie.201201042
