为了测试新传感器的功能，研究人员将碳纳米管和其他传感器组件放置在载玻片上。然后，他们用它来监测两种花卉——红色康乃馨和紫色桔梗——中乙烯的产生。
监测植物激素乙烯可以揭示水果和蔬菜何时会变质。
随着花朵的绽放和果实的成熟，它们会释放出一种无色、气味芳香的气体，称为乙烯。麻省理工学院的化学家们现在创造了一种微型传感器，可以检测这种浓度低至十亿分之 15 的气体，他们认为这可能有助于防止食物变质。
麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟化学教授蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 说，该传感器由称为碳纳米管的半导体圆柱体制成，可用于在运输和储存水果和蔬菜时监测它们，有助于减少食物浪费。
“人们一直需要更好的食品管理和减少食物浪费，”斯瓦格说。 “运输水果的人想知道它在运输过程中的情况，以及他们在运输过程中是否需要采取措施降低乙烯含量。”
除了作为植物激素的天然作用外，乙烯还是世界上生产最广泛的有机化合物，用于制造塑料和服装等产品。研究人员表示，乙烯检测器也可用于监测这种工业乙烯生产。
Swager 是该研究的资深作者，该研究于今天（2020 年 3 月 18 日）发表在 ACS Central 期刊上 .麻省理工学院博士后Darryl Fong是该论文的第一作者，麻省理工学院研究生罗绍雄（列侬）和访问学者Rafaela Da Silveira Andre也是作者。
成熟与否
大多数植物都会产生乙烯，它们将其用作激素来刺激生长、成熟和生命周期的其他关键阶段。例如，香蕉在成熟并变成棕色时会产生越来越多的乙烯，而花朵在准备开花时会产生乙烯。在压力下生产和开花会过量产生乙烯，导致它们过早成熟或枯萎。根据美国农业部的数据，据估计，美国超市每年因变质而损失约 12% 的水果和蔬菜。
2012 年，Swager 的实验室开发了一种乙烯传感器，其中包含数万个碳纳米管阵列。这些碳圆柱体允许电子沿着它们流动，但研究人员添加了减缓电子流动的铜原子。当乙烯存在时，它会与铜原子结合并进一步减慢电子速度。测量这种减速可以揭示存在多少乙烯。然而，这种传感器只能检测到十亿分之五百的乙烯含量，而且由于传感器含有铜，它们最终很可能会被氧气腐蚀而停止工作。
“仍然没有一个好的乙烯商业传感器，”斯瓦格说。 “为了管理任何一种长期储存的农产品，比如苹果或土豆，人们希望能够测量其乙烯含量，以确定它是否处于停滞状态或是否正在成熟。”
Swager 和 Fong 创造了一种新型的乙烯传感器，它也是基于碳纳米管，但通过一种完全不同的机制工作，称为 Wacker 氧化。他们没有加入直接与乙烯结合的金属（例如铜），而是使用一种称为钯的金属催化剂，在称为氧化的过程中将氧气添加到乙烯中。
随着钯催化剂进行这种氧化，催化剂暂时获得电子。然后钯将这些额外的电子传递给碳纳米管，使它们更具导电性。通过测量由此产生的电流变化，研究人员可以检测到乙烯的存在。
传感器在暴露后几秒钟内对乙烯做出响应，一旦气体消失，传感器会在几分钟内恢复到其基线电导率。
“你在金属的两种不同状态之间切换，一旦乙烯不再存在，它就会从那个短暂的、富含电子的状态回到原来的状态，”Fong 说。
未参与这项研究的威斯康星大学化学助理教授 Zachary Wickens 说：“将 Wacker 氧化催化系统重新用于乙烯检测是一个非常聪明且从根本上说是跨学科的想法。” “研究团队借鉴了最近对 Wacker 氧化的修改，以提供强大的催化系统，并将其整合到基于碳纳米管的装置中，以提供具有显着选择性且简单的乙烯传感器。”
盛开
为了测试传感器的功能，研究人员将碳纳米管和其他传感器组件放置在载玻片上。然后，他们用它来监测两种花——康乃馨和紫色桔梗——中乙烯的产生。他们测量了五天的乙烯产量，从而使他们能够追踪乙烯水平与植物开花之间的关系。
研究人员在对康乃馨的研究中发现，在实验的第一天，乙烯浓度迅速飙升，之后不久就开花了，一切都在一两天内。
紫色桔梗花的乙烯含量从第一天开始逐渐增加，一直持续到第四天开始下降。相应地，花朵的开花时间也持续了好几天，有的到实验结束时还没有开花。
研究人员还研究了鲜花随附的植物食品包是否对乙烯生产有任何影响。他们发现，给予食物的植物在乙烯产生和开花方面表现出轻微的延迟，但效果并不显着（只有几个小时）。
麻省理工学院的团队已经申请了新传感器的专利。该研究由美国国家科学基金会、美国陆军工程师研发中心环境质量技术计划、加拿大自然科学与工程研究委员会和圣保罗研究基金会资助。
参考：Darryl Fong、Shao-Xiong Luo、Rafaela S. Andre 和 Timothy M. Swager 撰写的“Wacker Oxidation 的痕量乙烯传感”，2020 年 3 月 18 日，ACS Central .
DOI：10.1021/acscentsci.0c00022
