För att testa den nya sensorns kapacitet deponerade forskarna kolnanorören och andra sensorkomponenter på en glasskiva. De använde den sedan för att övervaka etenproduktionen i två typer av blommor — röda nejlikor och lila lisianthus.
Att övervaka växthormonet eten kan avslöja när frukt och grönsaker håller på att förstöras.
När blommor blommar och frukter mognar avger de en färglös, sötdoftande gas som kallas eten. MIT-kemister har nu skapat en liten sensor som kan upptäcka denna gas i koncentrationer så låga som 15 delar per miljard, vilket de tror kan vara användbart för att förhindra matförstöring.
Sensorn, som är gjord av halvledande cylindrar som kallas kolnanorör, skulle kunna användas för att övervaka frukt och grönsaker när de skickas och lagras, vilket hjälper till att minska matsvinnet, säger Timothy Swager, professor i kemi vid John D. MacArthur vid MIT.
"Det finns ett ständigt behov av bättre mathantering och minskat matsvinn", säger Swager. "Människor som transporterar runt frukt skulle vilja veta hur det går under transporten och om de behöver vidta åtgärder för att hålla eten nere medan de transporterar den."
Utöver sin naturliga roll som växthormon är eten också världens mest tillverkade organiska förening och används för att tillverka produkter som plast och kläder. En detektor för eten kan också vara användbar för att övervaka denna typ av industriell etentillverkning, säger forskarna.
Swager är seniorförfattaren till studien, som visas idag (18 mars 2020) i tidskriften ACS Central . MIT postdoc Darryl Fong är huvudförfattaren till uppsatsen, och MIT-studenten Shao-Xiong (Lennon) Luo och gästforskaren Rafaela Da Silveira Andre är också författare.
Mogen eller inte
Eten produceras av de flesta växter, som använder det som ett hormon för att stimulera tillväxt, mognad och andra viktiga stadier av deras livscykel. Bananer, till exempel, producerar ökande mängder eten när de mognar och blir bruna, och blommor producerar det när de gör sig redo att blomma. Produkter och blommor under stress kan överproducera eten, vilket leder till att de mognar eller vissnar i förtid. Det uppskattas att amerikanska stormarknader varje år förlorar cirka 12 procent av sina frukter och grönsaker på grund av att de förstörs, enligt U.S.A. Department of Agriculture.
2012 utvecklade Swagers labb en etensensor som innehöll uppsättningar av tiotusentals kolnanorör. Dessa kolcylindrar tillåter elektroner att flöda längs dem, men forskarna lade till kopparatomer som saktar ner elektronflödet. När eten är närvarande binder det till kopparatomerna och bromsar elektronerna ännu mer. Att mäta denna avmattning kan avslöja hur mycket eten som finns. Den här sensorn kan dock bara detektera etennivåer ner till 500 delar per miljard, och eftersom sensorerna innehåller koppar kommer de sannolikt så småningom att korroderas av syre och sluta fungera.
"Det finns fortfarande ingen bra kommersiell sensor för eten," säger Swager. "För att hantera alla slags produkter som lagras under lång tid, som äpplen eller potatis, skulle folk vilja kunna mäta dess eten för att avgöra om det är i stasläge eller om det mognar."
Swager och Fong skapade en ny typ av etensensor som också är baserad på kolnanorör men som fungerar med en helt annan mekanism, känd som Wacker-oxidation. Istället för att inkorporera en metall som koppar som binder direkt till eten, använde de en metallkatalysator kallad palladium som tillsätter syre till eten under en process som kallas oxidation.
När palladiumkatalysatorn utför denna oxidation, får katalysatorn tillfälligt elektroner. Palladium skickar sedan dessa extra elektroner till kolnanorör, vilket gör dem mer ledande. Genom att mäta den resulterande förändringen i strömflödet kan forskarna upptäcka närvaron av eten.
Sensorn reagerar på eten inom några sekunder efter exponering, och när gasen är borta återgår sensorn till sin baslinjekonduktivitet inom några minuter.
"Du växlar mellan två olika tillstånd av metallen, och när eten inte längre finns där, går det från det övergående, elektronrika tillståndet tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd", säger Fong.
"Återanvändningen av Wackers oxidationskatalytiska system för etylendetektion var en exceptionellt smart och i grunden tvärvetenskaplig idé", säger Zachary Wickens, biträdande professor i kemi vid University of Wisconsin, som inte var involverad i studien. "Forskarteamet använde nyligen modifieringar av Wacker-oxidationen för att ge ett robust katalytiskt system och införlivade det i en kolnanorörsbaserad enhet för att ge en anmärkningsvärt selektiv och enkel etensensor."
I blom
För att testa sensorns kapacitet deponerade forskarna kolnanorören och andra sensorkomponenter på en glasskiva. De använde den sedan för att övervaka etenproduktionen i två typer av blommor - nejlikor och lila lisianthus. De mätte etenproduktionen under fem dagar, vilket gjorde att de kunde spåra sambandet mellan etennivåer och växternas blomning.
I sina studier av nejlikor fann forskarna att det var en snabb ökning i etenkoncentrationen den första dagen av experimentet, och blommorna blommade strax efter det, allt inom en dag eller två.
Lila lisianthusblommor visade en mer gradvis ökning av eten som började under den första dagen och varade till den fjärde dagen, då den började minska. På motsvarande sätt spreds blommornas blomning ut över flera dagar, och några hade fortfarande inte blommat vid slutet av experimentet.
Forskarna studerade också om växtmatpaketen som följde med blommorna hade någon effekt på etenproduktionen. De fann att växter som gavs maten visade små förseningar i etenproduktion och blomning, men effekten var inte signifikant (bara några timmar).
MIT-teamet har ansökt om patent på den nya sensorn. Forskningen finansierades av National Science Foundation, U.S. Army Engineer Research and Development Center Environmental Quality Technology Program, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada och Sao Paulo Research Foundation.
Referens:"Trace Ethylene Sensing via Wacker Oxidation" av Darryl Fong, Shao-Xiong Luo, Rafaela S. Andre och Timothy M. Swager, 18 mars 2020, ACS Central .
DOI:10.1021/acscentsci.0c00022
