Мониторинг гормона растений этилена может выявить, когда фрукты и овощи будут портиться.
По мере цветения цветов и созревания плодов они выделяют бесцветный, сладко пахнущий газ, называемый этиленом. В настоящее время химики из Массачусетского технологического института создали крошечный датчик, который может обнаруживать этот газ в концентрациях до 15 частей на миллиард, что, по их мнению, может быть полезно для предотвращения порчи продуктов.
«Датчик, который сделан из полупроводниковых цилиндров, называемых углеродными нанотрубками, может использоваться для контроля фруктов и овощей при их транспортировке и хранении, что помогает сократить количество пищевых отходов», - говорит Тимоти Свагер, профессор химии им. Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте.
«Существует постоянная потребность в улучшении управления пищевыми продуктами и сокращении пищевых отходов», - говорит Свагер. «Люди, которые перевозят фрукты вокруг, хотели бы знать, как это происходит во время транзита, и нужно ли им принимать меры для снижения содержания этилена во время его транспортировки».
В дополнение к своей естественной роли в качестве растительного гормона этилен также является наиболее широко производимым органическим соединением в мире и используется для производства таких продуктов, как пластмассы и одежда. Исследователи говорят, что детектор для этилена также может быть полезен для мониторинга этого вида промышленного производства этилена.
Свагер является старшим автором исследования, которое появляется сегодня в журнале ACS Central . Постдок MIT Даррил Фонг является ведущим автором статьи, а аспирант Массачусетского технологического института Шао-Сюн (Леннон) Ло и приглашенный ученый Рафаэла да Сильвейра Андре также являются авторами.
Спелый или нет
Этилен производится большинством растений, которые используют его в качестве гормона для стимулирования роста, созревания и других ключевых этапов своего жизненного цикла. Бананы, например, производят все большее количество этилена, когда они созревают и становятся коричневыми, а цветы производят его, когда они готовятся цвести. Продукты и цветы в состоянии стресса могут перепроизводить этилен, что приводит к их преждевременному созреванию или увяданию. По оценкам Министерства сельского хозяйства США, каждый год американские супермаркеты теряют около 12 процентов фруктов и овощей из-за порчи.
В 2012 году лаборатория Swager разработала датчик этилена, содержащий матрицы из десятков тысяч углеродных нанотрубок. Эти углеродные цилиндры позволяют электронам течь вдоль них, но исследователи добавили атомы меди, которые замедляют поток электронов. Когда присутствует этилен, он связывается с атомами меди и еще больше замедляет электроны. Измерение этого замедления может показать, сколько этилена присутствует. Однако этот датчик может обнаруживать уровни этилена только до 500 частей на миллиард, и поскольку датчики содержат медь, они, вероятно, в конечном итоге станут корродировать кислородом и перестанут работать.
«Там до сих пор нет хорошего коммерческого датчика для этилена», говорит Свагер. «Чтобы управлять любым видом продуктов, которые хранятся в течение длительного времени, такими как яблоки или картофель, люди хотели бы иметь возможность измерить его этилен, чтобы определить, находится ли он в режиме стазиса или созревает».
Swager и Fong создали новый тип этиленового сенсора, который также основан на углеродных нанотрубках, но работает по совершенно другому механизму, известному как окисление Вакера. Вместо включения такого металла, как медь, который непосредственно связывается с этиленом, они использовали металлический катализатор под названием палладий, который добавляет кислород к этилену во время процесса, называемого окислением.
Поскольку палладиевый катализатор выполняет это окисление, катализатор временно приобретает электроны. Затем палладий передает эти дополнительные электроны углеродным нанотрубкам, делая их более проводящими. Измеряя результирующее изменение тока, исследователи могут обнаружить присутствие этилена.
Датчик реагирует на этилен в течение нескольких секунд после воздействия, и как только газ исчезает, датчик возвращается к своей базовой проводимости в течение нескольких минут.
«Вы переключаетесь между двумя различными состояниями металла, и когда этилена больше нет, он переходит из этого переходного, обогащенного электронами состояния обратно в его исходное состояние», - говорит Фонг.
«Перенаправление каталитической системы окисления Вакера для обнаружения этилена было исключительно умной и фундаментально междисциплинарной идеей», - говорит Захари Викенс, доцент кафедры химии в Висконсинском университете, который не принимал участия в исследовании. «Исследовательская группа использовала последние модификации для окисления Вакера, чтобы создать надежную каталитическую систему, и включила ее в устройство на основе углеродных нанотрубок, чтобы обеспечить удивительно селективный и простой датчик этилена».
В расцвете
Чтобы проверить возможности датчика, исследователи нанесли углеродные нанотрубки и другие компоненты датчика на предметное стекло. Затем они использовали его для контроля производства этилена в двух видах цветов - гвоздиках и лизиантусе пурпурного цвета. Они измерили производство этилена в течение пяти дней, что позволило им отслеживать взаимосвязь между уровнем этилена и цветением растений.
В своих исследованиях гвоздик исследователи обнаружили, что в первый день эксперимента произошел быстрый скачок концентрации этилена, и вскоре после этого цветы распустились, все в течение дня или двух.
Фиолетовые цветки лизиантуса показали более постепенное увеличение этилена, которое началось в первый день и продолжалось до четвертого дня, когда оно начало снижаться. Соответственно, цветение цветов распространилось на несколько дней, а некоторые еще не распустились к концу эксперимента.
Исследователи также изучали, влияли ли пакеты с растительными продуктами, которые шли с цветами, на производство этилена. Они обнаружили, что растения, получавшие пищу, демонстрировали небольшие задержки в производстве и цветении этилена, но эффект был незначительным (всего несколько часов).
Команда MIT подала заявку на патент на новый датчик. Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Научно-исследовательским центром армии США, Технологической программой качества окружающей среды, Советом естественных и технических исследований Канады и Исследовательским фондом Сан-Паулу.
Чтобы проверить возможности нового датчика, исследователи нанесли углеродные нанотрубки и другие компоненты датчика на предметное стекло. Затем они использовали его для контроля производства этилена в двух видах цветов - красных гвоздиках и лизиантусе фиолетового цвета.