Kredit:MIT News Office
I ett försök att minska matförlusten på grund av förstörelse utvecklade MIT-forskare en ny sensor som upptäcker små mängder eten, en gas som främjar mognad i växter. Lågkostnadssensorerna är gjorda av ark av rullade kolnanorör med tillsatta kopparatomer och kostar ungefär 25 cent, medan att lägga till ett RFID-chip för trådlös kommunikation bara skulle lägga ytterligare 75 cent till den totala kostnaden.
Varje år förlorar amerikanska stormarknader ungefär 10 procent av sina frukter och grönsaker på grund av att de förstörs, enligt jordbruksdepartementet. För att hjälpa till att bekämpa dessa förluster har MIT kemiprofessor Timothy Swager och hans studenter byggt en ny sensor som kan hjälpa livsmedelsbutiker och livsmedelsdistributörer att bättre övervaka deras produkter.
De nya sensorerna, som beskrivs i tidskriften Angewandte Chemie , kan upptäcka små mängder eten, en gas som främjar mognad i växter. Swager föreställer sig de billiga sensorerna fästa på kartonger med produkter och skannade med en handhållen enhet som skulle avslöja innehållets mognad. På så sätt skulle livsmedelshandlare veta när de ska sälja vissa varor för att flytta dem innan de blir för mogna.
"Om vi kan skapa utrustning som hjälper livsmedelsbutiker att hantera saker mer exakt, och kanske minska deras förluster med 30 procent, skulle det vara enormt", säger Swager, professor i kemi vid John D. MacArthur.
Att upptäcka gaser för att övervaka livsmedelsförsörjningen är ett nytt intresseområde för Swager, vars tidigare forskning har fokuserat på sensorer för att upptäcka sprängämnen eller kemiska och biologiska krigföringsmedel.
"Mat är något som är väldigt viktigt att skapa sensorer kring, och vi går efter mat i bred bemärkelse," säger Swager. Han söker också monitorer som kan upptäcka när maten blir möglig eller utvecklar bakterietillväxt, men som sitt första mål valde han eten, ett växthormon som kontrollerar mognad.
Växter utsöndrar olika mängder eten under hela sin mognadsprocess. Till exempel kommer bananer att förbli gröna tills de släpper ut tillräckligt med eten för att starta mognadsprocessen. När mognaden väl börjar produceras mer eten och mognaden accelererar. Om den perfekta gula bananen inte äts vid toppmognad kommer eten att göra den brun och mosig.
Fruktdistributörer försöker bromsa denna process genom att hålla etennivåerna mycket låga i sina lager. Sådana lager använder monitorer som använder gaskromatografi eller masspektroskopi, som kan separera gaser och analysera deras sammansättning. Dessa system kostar cirka 1 200 USD styck.
"Just nu är den enda gången människor övervakar eten i dessa enorma anläggningar, eftersom utrustningen är väldigt dyr", säger Swager.
Detekterar mognad
Finansierat av U.S. Army Office of Research genom MIT:s Institute for Soldier Nanotechnologies, byggde MIT-teamet en sensor bestående av en rad tiotusentals kolnanorör:ark av kolatomer rullade till cylindrar som fungerar som "superhighways" för elektronflöde.
För att modifiera rören för att upptäcka etylengas lade forskarna till kopparatomer, som fungerar som "fartgupp" för att bromsa de strömmande elektronerna. "Varje gång du lägger något på dessa nanorör, skapar du farthinder, eftersom du tar det här perfekta, orörda systemet och du lägger något på det", säger Swager.
Kopparatomer bromsar elektronerna en aning, men när eten är närvarande binder det till kopparatomerna och bromsar elektronerna ännu mer. Genom att mäta hur mycket elektronerna saktar ner – en egenskap som även kallas resistans – kan forskarna fastställa hur mycket eten som finns.
För att göra enheten ännu känsligare lade forskarna till små pärlor av polystyren, som absorberar eten och koncentrerar det nära kolnanorören. Med sin senaste version kan forskarna upptäcka koncentrationer av eten så låga som 0,5 ppm. Den koncentration som krävs för att mogna frukt är vanligtvis mellan 0,1 och en miljondel.
Forskarna testade sina sensorer på flera typer av frukt – banan, avokado, äpple, päron och apelsin – och kunde noggrant mäta deras mognad genom att detektera hur mycket eten frukterna utsöndrade.
Huvudförfattare till uppsatsen som beskriver sensorerna är Birgit Esser, postdoc i Swagers labb. Student Jan Schnorr är också författare till tidningen.
John Saffell, teknisk direktör på Alphasense, ett företag som utvecklar sensorer, beskriver MIT-teamets tillvägagångssätt som rigoröst och fokuserat. "Den här sensorn, om den är designad och implementerad på rätt sätt, kan avsevärt minska nivån av fruktförstöring under frakt", säger han.
"Vid varje given tidpunkt finns det tusentals lastcontainrar på havet som transporterar frukt och hoppas att de kommer fram till sin destination med rätt mognadsgrad", tillägger Saffell, som inte var involverad i denna forskning. "Dyra analytiska system kan övervaka etengenerering, men i den kostnadskänsliga fraktbranschen är de inte ekonomiskt lönsamma för det mesta av fraktad frukt."
Swager har ansökt om patent på tekniken och hoppas kunna starta ett företag för att kommersialisera sensorerna. I framtida arbete planerar han att lägga till ett RFID-chip (radio-frequency identification) till sensorn så att den kan kommunicera trådlöst med en handhållen enhet som skulle visa etennivåer. Systemet skulle vara extremt billigt – cirka 25 cent för kolnanorörssensorn plus ytterligare 75 cent för RFID-chipet, uppskattar Swager.
"Detta skulle kunna göras med absolut smutsbillig elektronik, nästan utan ström", säger han.
Referens:"Selective Detection of Ethylene Gas Using Carbon Nanotube-based Devices:Utility in Determination of Fruit Ripeness" av Dr Birgit Esser, Jan M. Schnorr och Prof. Dr. Timothy M. Swager, 19 april 2012, Angewandte Chemie .
DOI:10.1002/anie.201201042
