图片来源：麻省理工学院新闻办公室
为了减少因变质而造成的食物损失，麻省理工学院的研究人员开发了一种新的传感器，可以检测微量乙烯，这是一种促进植物成熟的气体。低成本传感器由添加了铜原子的轧制碳纳米管片制成，成本约为 25 美分，而添加用于无线通信的 RFID 芯片只会使总成本再增加 75 美分。
根据农业部的数据，每年美国超市的水果和蔬菜因变质而损失大约 10%。为了帮助应对这些损失，麻省理工学院化学教授蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 和他的学生构建了一种新传感器，可以帮助杂货商和食品分销商更好地监控他们的产品。
Angewandte Chemie 杂志中描述的新传感器 ，可以检测到微量的乙烯，这是一种促进植物成熟的气体。 Swager 设想将廉价的传感器连接到产品的纸板箱上，并使用手持设备进行扫描，从而揭示内容物的成熟度。这样一来，杂货商就可以知道什么时候出售某些物品，以便在它们变得太成熟之前将它们转移。
“如果我们能够制造出能够帮助杂货店更精确地管理事物的设备，并且可能将其损失降低 30%，那将是巨大的，”约翰 D. 麦克阿瑟化学教授斯瓦格说。
检测气体以监测食物供应是 Swager 感兴趣的一个新领域，他之前的研究主要集中在检测爆炸物或化学和生物战剂的传感器上。
“食物对于在周围制造传感器来说非常重要，我们在广义上追求食物，”斯瓦格说。他还在寻求可以检测食物何时发霉或细菌生长的监测器，但作为他的第一个目标，他选择了乙烯，一种控制成熟的植物激素。
植物在其成熟过程中分泌不同数量的乙烯。例如，香蕉会一直保持绿色，直到它们释放出足够的乙烯来开始成熟过程。一旦成熟开始，就会产生更多的乙烯，从而加速成熟。如果那个完美的黄色香蕉没有在成熟的高峰期吃掉，乙烯会使它变成褐色和糊状。
水果经销商试图通过将仓库中的乙烯含量保持在非常低的水平来减缓这一过程。这样的仓库使用使用气相色谱或质谱的监视器，可以分离气体并分析它们的成分。这些系统每个成本约为 1,200 美元。
“目前，人们只在这些大型设施中监测乙烯，因为这些设备非常昂贵，”Swager 说。
检测成熟度
由美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所资助，麻省理工学院团队建造了一个由数万个碳纳米管阵列组成的传感器：碳原子片卷成圆柱体，充当电子流动的“高速公路”。
为了修改管子以检测乙烯气体，研究人员添加了铜原子，作为“减速带”来减缓流动的电子。 “任何时候你在这些纳米管上放一些东西，你都会遇到减速带，因为你正在使用这个完美、原始的系统，并且你在上面放了一些东西，”Swager 说。
铜原子会稍微减慢电子速度，但当乙烯存在时，它会与铜原子结合并进一步减慢电子速度。通过测量电子减速的程度（一种也称为电阻的特性），研究人员可以确定存在多少乙烯。
为了使该设备更加灵敏，研究人员添加了聚苯乙烯的微小珠子，它吸收乙烯并将其集中在碳纳米管附近。使用最新版本，研究人员可以检测到低至百万分之 0.5 的乙烯浓度。果实成熟所需的浓度通常在0.1到百万分之一之间。
研究人员在几种水果（香蕉、鳄梨、苹果、梨和橙子）上测试了他们的传感器，并能够通过检测水果分泌的乙烯量来准确测量它们的成熟度。
描述传感器的论文的主要作者是 Birgit Esser，他是 Swager 实验室的博士后。研究生 Jan Schnorr 也是该论文的作者。
开发传感器的公司 Alphasense 的技术总监 John Saffell 将 MIT 团队的方法描述为严谨而专注。 “如果设计和实施得当，这种传感器可以显着降低水果在运输过程中的腐败程度，”他说。
“在任何时候，海上都有成千上万的货柜在运送水果，并希望它们以正确的成熟度到达目的地，”未参与这项研究的萨菲尔补充道。 “昂贵的分析系统可以监测乙烯的产生，但在对成本敏感的运输业务中，它们对于大多数运输水果来说在经济上是不可行的。”
Swager 已经申请了这项技术的专利，并希望成立一家公司将传感器商业化。在未来的工作中，他计划在传感器中添加一个射频识别 (RFID) 芯片，以便它可以与显示乙烯水平的手持设备进行无线通信。 Swager 估计，该系统将非常便宜——碳纳米管传感器约 25 美分加上 RFID 芯片另外 75 美分。
“这可以用绝对便宜的电子设备来完成，几乎没有电源，”他说。
参考文献：Birgit Esser 博士、Jan M. Schnorr 和教授 Timothy M. Swager 教授的“使用基于碳纳米管的设备选择性检测乙烯气体：测定果实成熟度的实用性”，2012 年 4 月 19 日，Angewandte化学 .
DOI：10.1002/anie.201201042
