随着花朵绽放和水果成熟，它们会释放出一种无色、带有甜味的气体，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，可以检测到低至15亿分之一的乙烯浓度，他们认为这可能在防止食物变质方面有用。
这种由称为碳纳米管的半导体圆柱体制成的传感器，可以用于监控在运输和储存过程中的水果和蔬菜，帮助减少食物浪费，麻省理工学院的John D. MacArthur化学教授Timothy Swager说。
“需要持续改进食物管理和减少食物浪费，”Swager说。“运输水果的人们希望知道在运输过程中水果的情况，以及是否需要采取措施在运输过程中降低乙烯的含量。”
除了作为植物激素的自然作用外，乙烯也是世界上制造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，乙烯检测器也可能对监控这种工业乙烯制造有用。
Swager是这项研究的高级作者，该研究今天发表在《ACS Central》杂志上。麻省理工学院博士后Darryl Fong是论文的第一作者，麻省理工学院研究生Shao-Xiong（Lennon）Luo和访问学者Rafaela Da Silveira Andre也是作者。
乙烯是由大多数植物产生的，它们将其用作激素来刺激生长、成熟和其他生命周期的关键阶段。例如，香蕉在成熟和变褐时会产生越来越多的乙烯，花朵在准备绽放时也会产生乙烯。处于压力下的农产品和花朵可能会过度产生乙烯，导致它们过早成熟或枯萎。据美国农业部估计，每年美国超市因变质损失的水果和蔬菜约为12%。
2012年，Swager的实验室开发了一种含有数万个碳纳米管阵列的乙烯传感器。这些碳圆柱体允许电子沿着它们流动，但研究人员添加了铜原子，减慢了电子流动。当乙烯存在时，它与铜原子结合，进一步减慢电子流动。测量这种减慢可以揭示乙烯的存在量。然而，这种传感器只能检测到低至500亿分之一的乙烯水平，并且由于传感器含有铜，它们可能会最终被氧气腐蚀并停止工作。
“仍然没有一种好的商业乙烯传感器，”Swager说。“为了管理任何长期储存的农产品，如苹果或土豆，人们希望能够测量其乙烯含量，以确定它是否处于静止模式或是否正在成熟。”
Swager和Fong创造了一种新型乙烯传感器，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。他们使用了一种称为钯的金属催化剂，在氧化过程中向乙烯添加氧气，而不是直接与乙烯结合的金属，如铜。
当钯催化剂进行这种氧化时，催化剂暂时获得电子。钯然后将这些额外的电子传递给碳纳米管，使其更具导电性。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。
传感器在暴露于乙烯后几秒钟内响应，一旦气体消失，传感器在几分钟内恢复到其基线导电性。
Fong说：“你正在金属的两个不同状态之间切换，一旦乙烯不再存在，它就会从那个暂时的、富含电子的状态回到其原始状态。”
为了测试传感器的性能，研究人员将碳纳米管和其他传感器组件沉积在玻璃片上。然后他们用它来监控两种花——康乃馨和紫色龙胆——的乙烯产生。他们测量了五天的乙烯产生，使他们能够追踪乙烯水平与植物开花之间的关系。
在康乃馨的研究中，研究人员发现，实验的第一天乙烯浓度迅速上升，花朵在一天或两天内迅速绽放。
紫色龙胆花显示出乙烯的逐渐增加，从第一天开始持续到第四天，然后开始下降。相应地，花朵的绽放分散在几天内，有些在实验结束时仍未绽放。
研究人员还研究了与花朵一起的植物食品包是否对乙烯产生有任何影响。他们发现，给予食物的植物在乙烯产生和绽放方面略有延迟，但效果不显著（仅几小时）。
麻省理工学院团队已为新传感器申请了专利。该研究由国家科学基金会、美国陆军工程研究与开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。