新型气体传感器监测乙烯浓度，有效防止果蔬浪费
2020-03-20 16:12:46 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，当花朵盛开和果实成熟时，会散发出一种闻起来像乙烯的无色气体。近日麻省理工学院（MIT）的化学家们开发了一款微型传感器，可检测浓度低至15 ppb的上述气体，他们认为这将对防止食物变质大有益处。
监测植物激素乙烯浓度，可提前发现水果和蔬菜变质。
据麦姆斯咨询报道，当花朵盛开和果实成熟时，会散发出一种闻起来像乙烯的无色气体。近日麻省理工学院（MIT）的化学家们开发了一款微型传感器，可检测浓度低至15 ppb的上述气体，他们认为这将对防止食物变质大有益处。
该传感器采用半导体型碳纳米管，可用于监测水果和蔬菜的运输和存储，从而有助于减少食物浪费，麻省理工学院化学系的John D. MacArthur教授Timothy Swager解释道。
“通过更好的食品管理降低食品浪费的需求一直很旺盛。”Swager说道，“水果运输商想知道在运输过程中水果的状况，以及是否需要在运输过程中采取措施降低乙烯含量。”
乙烯不仅是天然的植物激素，还是世界上生产最广泛的有机化合物，可用于生产塑料和服装等产品。研究人员说，乙烯检测仪将来也可用于监测此类工业乙烯生产。
Swager是该研究的资深作者，目前该研究结果已发表在ACS Central杂志上。麻省理工学院的博士后Darryl Fong是该论文的主要作者，同属于麻省理工学院的研究生Lennon和访问学者Rafaela Da Silveira Andre也是该论文的作者。
乙烯含量检测是农产品成熟的关键指标
大多数植物都能够产生乙烯，它们将其用作激素来刺激生长、成熟以及生命周期的其它关键阶段。例如，香蕉成熟并逐渐变成褐色时会产生大量乙烯，花朵开花时也会产生乙烯。受到挤压的农产品和花朵可能会产生过量乙烯，导致它们过早成熟或枯萎。据美国农业部（U.S. Department of Agriculture）统计，美国超市每年有12%的水果和蔬菜因变质而损失。
早在2012年，Swager的实验室就研发了一款乙烯传感器，其中包含成千上万个碳纳米管阵列。电子可沿着其中的碳圆柱体流动，但研究人员通过添加铜原子减缓电子流动。当乙烯出现时，会与铜原子结合，并进一步减缓电子的移动速度。通过测量减缓速度可以检测出乙烯含量。但是，该传感器只能检测出最低浓度为500 ppb的乙烯含量，并且该传感器含有铜，最终可能会被氧气腐蚀而无法工作。
“对于乙烯检测来说，目前还没有较好的商业传感器。”Swager说道，“为了管理可以长期存储的产品（如苹果或土豆），人们希望能够测量其乙烯浓度以确定其处于停止生长状态还是已经成熟。”
Swager和Fong共同研发了一款新型乙烯传感器，该传感器也基于碳纳米管，但通过一种完全不同的机理（称为Wacker氧化）进行工作。他们不再使用会直接与乙烯结合的金属（如铜），而是使用了一种称为钯的金属催化剂，该催化剂可在氧化过程中将氧气添加到乙烯中。
当钯催化剂进行氧化作用时，会暂时获得电子。然后再将这些额外的电子传递到碳纳米管，使其导电性增加。通过测量电流变化的结果，可检测到乙烯的含量。
该传感器能够在乙烯暴露的几秒钟内即产生反应，一旦气体消失，又能够在几分钟内恢复到其原来的导电率。
Fong解释道：“该传感器会在金属的两种不同状态之间进行切换，一旦乙烯消失，它就会从短暂的多电子状态恢复到其原始状态。”
“利用Wacker氧化催化系统检测乙烯是非常明智且从根本上讲是跨学科的想法。”威斯康星大学（University of Wisconsin）化学系助理教授Zachary Wickens（未参加此项研究）说道，“研究小组对Wacker氧化机理进行了改进，并建立强大的催化系统，将其结合到基于碳纳米管的装置中，从而创造了一款选择性强大并简单的乙烯传感器。”
乙烯含量影响植物开花？
为了测试该传感器的功能，研究人员将碳纳米管和其它传感器组件沉积在载玻片上。然后，用它来监测两种花朵中的乙烯含量——康乃馨和紫色桔梗。此次实验共持续五天，用于跟踪乙烯含量与植物开花之间的关系。
在对康乃馨的研究中，研究人员发现，实验的第一天，乙烯浓度迅速飙升，不久后（一至两天）就开花了。
紫色桔梗花实验中显示乙烯在第一天开始逐渐增加，一直持续到第四天开始下降。相应地，花盛开了好几天，但也有些到实验结束还没有开花。
麻省理工学院的研究团队已为该新型传感器申请了专利。该研究由美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）、美国陆军工程师研究与开发中心（Engineer Research and Development Center，ERDC）环境质量技术计划、加拿大自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada，NSERC）和圣保罗研究基金会（Sao Paulo Research Foundation，FAPESP）联合赞助。
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