Aby przetestować możliwości nowego czujnika, naukowcy umieścili nanorurki węglowe i inne elementy czujnika na szklanym szkiełku. Następnie wykorzystali go do monitorowania produkcji etylenu w dwóch rodzajach kwiatów — czerwonych goździkach i fioletowym lisianthus.
Monitorowanie hormonu roślinnego etylenu może ujawnić, kiedy owoce i warzywa mają się zepsuć.
Gdy kwiaty kwitną, a owoce dojrzewają, wydzielają bezbarwny, słodko pachnący gaz zwany etylenem. Chemicy z MIT stworzyli teraz mały czujnik, który może wykrywać ten gaz w stężeniach tak niskich, jak 15 części na miliard, co ich zdaniem może być przydatne w zapobieganiu psuciu się żywności.
Czujnik, który jest wykonany z półprzewodnikowych cylindrów zwanych nanorurkami węglowymi, może być używany do monitorowania owoców i warzyw podczas ich transportu i przechowywania, pomagając ograniczyć marnowanie żywności, mówi Timothy Swager, profesor chemii John D. MacArthur w MIT.
„Istnieje ciągła potrzeba lepszego zarządzania żywnością i ograniczenia marnotrawstwa żywności”, mówi Swager. „Osoby, które przewożą owoce, chciałyby wiedzieć, jak sobie radzi podczas transportu i czy muszą podjąć środki, aby utrzymać poziom etylenu podczas transportu”.
Oprócz swojej naturalnej roli jako hormonu roślinnego, etylen jest również najczęściej wytwarzanym związkiem organicznym na świecie i jest używany do wytwarzania produktów takich jak tworzywa sztuczne i odzież. Detektor etylenu może być również przydatny do monitorowania tego rodzaju przemysłowej produkcji etylenu, twierdzą naukowcy.
Swager jest starszym autorem badania, które ukazuje się dzisiaj (18 marca 2020 r.) w czasopiśmie ACS Central . Podoktorat z MIT Darryl Fong jest głównym autorem artykułu, a doktorant MIT Shao-Xiong (Lennon) Luo i uczona wizytująca Rafaela Da Silveira Andre są również autorami.
Dojrzały czy nie
Etylen jest produkowany przez większość roślin, które wykorzystują go jako hormon stymulujący wzrost, dojrzewanie i inne kluczowe etapy ich cyklu życiowego. Na przykład banany wytwarzają coraz większe ilości etylenu, gdy dojrzewają i brązowieją, a kwiaty wytwarzają go, gdy przygotowują się do kwitnienia. Produkty i kwiaty pod wpływem stresu mogą nadprodukować etylen, co prowadzi do ich przedwczesnego dojrzewania lub więdnięcia. Szacuje się, że każdego roku amerykańskie supermarkety tracą około 12 procent swoich owoców i warzyw z powodu psucia się, według Departamentu Rolnictwa USA.
W 2012 roku laboratorium Swagera opracowało czujnik etylenu zawierający macierze dziesiątek tysięcy nanorurek węglowych. Cylindry węglowe umożliwiają przepływ elektronów, ale naukowcy dodali atomy miedzi, które spowalniają przepływ elektronów. Gdy etylen jest obecny, wiąże się z atomami miedzi i jeszcze bardziej spowalnia elektrony. Pomiar tego spowolnienia może ujawnić, ile etylenu jest obecne. Jednak ten czujnik może wykryć poziom etylenu tylko do 500 części na miliard, a ponieważ czujniki zawierają miedź, prawdopodobnie w końcu ulegną korozji pod wpływem tlenu i przestaną działać.
„Wciąż nie ma dobrego komercyjnego czujnika do etylenu” — mówi Swager. „Aby zarządzać dowolnymi produktami, które są przechowywane przez długi czas, takimi jak jabłka czy ziemniaki, ludzie chcieliby mieć możliwość pomiaru zawartości etylenu, aby określić, czy jest w trybie zastoju, czy dojrzewa”.
Swager i Fong stworzyli nowy rodzaj czujnika etylenu, który również jest oparty na nanorurkach węglowych, ale działa w zupełnie innym mechanizmie, znanym jako utlenianie Wackera. Zamiast wprowadzać metal, taki jak miedź, który wiąże się bezpośrednio z etylenem, zastosowali katalizator metalowy zwany palladem, który dodaje tlen do etylenu podczas procesu zwanego utlenianiem.
Gdy katalizator palladowy przeprowadza to utlenianie, katalizator tymczasowo zyskuje elektrony. Pallad następnie przekazuje te dodatkowe elektrony do nanorurek węglowych, dzięki czemu stają się bardziej przewodzące. Mierząc wynikową zmianę w przepływie prądu, naukowcy mogą wykryć obecność etylenu.
Czujnik reaguje na etylen w ciągu kilku sekund od ekspozycji, a gdy gaz zniknie, czujnik powraca do swojej podstawowej przewodności w ciągu kilku minut.
„Przełączasz się między dwoma różnymi stanami metalu, a gdy etylenu już nie ma, przechodzi z tego przejściowego, bogatego w elektrony stanu z powrotem do swojego pierwotnego stanu”, mówi Fong.
„Ponowne zastosowanie systemu katalitycznego utleniania Wacker do wykrywania etylenu było wyjątkowo sprytnym i zasadniczo interdyscyplinarnym pomysłem” – mówi Zachary Wickens, adiunkt chemii na Uniwersytecie Wisconsin, który nie był zaangażowany w badania. „Zespół badawczy wykorzystał ostatnie modyfikacje utleniania Wackera, aby zapewnić solidny system katalityczny i włączył go do urządzenia opartego na nanorurkach węglowych, aby zapewnić niezwykle selektywny i prosty czujnik etylenu”.
W rozkwicie
Aby przetestować możliwości czujnika, naukowcy umieścili nanorurki węglowe i inne elementy czujnika na szklanym szkiełku. Następnie wykorzystali go do monitorowania produkcji etylenu w dwóch rodzajach kwiatów — goździkach i fioletowym lisianthus. Mierzyli produkcję etylenu w ciągu pięciu dni, co pozwoliło im śledzić związek między poziomem etylenu a kwitnieniem roślin.
W swoich badaniach goździków naukowcy odkryli, że w pierwszym dniu eksperymentu nastąpił gwałtowny wzrost stężenia etylenu, a kwiaty zakwitły wkrótce potem, wszystko w ciągu jednego lub dwóch dni.
Fioletowe kwiaty lisianthus wykazywały bardziej stopniowy wzrost etylenu, który rozpoczął się pierwszego dnia i trwał do czwartego dnia, kiedy to zaczął spadać. W związku z tym kwitnienie kwiatów zostało rozłożone na kilka dni, a niektóre nadal nie zakwitły do końca eksperymentu.
Naukowcy zbadali również, czy pakiety pokarmu roślinnego dołączone do kwiatów miały jakikolwiek wpływ na produkcję etylenu. Odkryli, że rośliny, którym podano pokarm, wykazywały niewielkie opóźnienia w produkcji i kwitnieniu etylenu, ale efekt nie był znaczący (tylko kilka godzin).
Zespół MIT złożył wniosek o patent na nowy czujnik. Badania zostały sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki, Centrum Badań i Rozwoju Inżynierów Armii USA Program Jakości Środowiskowej Technologii, Kanadyjską Radę Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii oraz Fundację Badawczą Sao Paulo.
Odniesienie:„Trace Ethylene Sensing via Wacker Oxidation” autorstwa Darryla Fonga, Shao-Xiong Luo, Rafaela S. Andre i Timothy M. Swagera, 18 marca 2020 r., ACS Central .
DOI:10.1021/acscentsci.0c00022
