新的传感器可以帮助防止食物浪费

当鲜花盛开、果实成熟时，它们会释放出一种无色、有甜味的气体——乙烯。麻省理工学院的化学家们现在已经发明了一种微小的传感器，它可以检测到浓度低至十亿分之十五的这种气体，他们认为这可能有助于防止食物变质。

麻省理工学院(MIT)约翰·d·麦克阿瑟(John D. MacArthur)化学教授蒂莫西·斯韦格(Timothy Swager)表示，这种传感器由一种名为碳纳米管的半导体圆柱体制成，可用于监测水果和蔬菜的运输和储存，帮助减少食物浪费。

斯韦格说:“人们始终需要更好的食品管理和减少食品浪费。”“运输水果的人想知道水果在运输过程中的情况，以及在运输过程中是否需要采取措施来降低乙烯的含量。”

除了作为植物激素的天然作用，乙烯也是世界上最广泛制造的有机化合物，被用于制造塑料和服装等产品。研究人员说，一种乙烯检测仪也可以用于监测这种工业乙烯的生产。

斯韦格是这项研究的资深作者，该研究发表在今天的ACS Central杂志上。麻省理工学院博士后Darryl Fong是这篇论文的主要作者，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

乙烯是由大多数植物产生的，它们用乙烯作为一种激素来刺激生长、成熟和生命周期的其他关键阶段。例如，香蕉在成熟和变黄的过程中会产生越来越多的乙烯，而花朵在准备开花时也会产生乙烯。在压力下生产和开花会产生过量的乙烯，导致它们提前成熟或枯萎。据美国农业部估计，美国超市每年因变质而损失约12%的水果和蔬菜。

2012年，斯韦格的实验室开发了一种乙烯传感器，它包含成千上万个碳纳米管阵列。这些碳圆柱体允许电子沿着它们流动，但研究人员加入了铜原子，减慢了电子的流动。当乙烯存在时，它会与铜原子结合，使电子运动速度减慢。测量这种减速可以揭示乙烯的含量。然而，这种传感器只能检测到十亿分之500的乙烯含量，而且由于传感器中含有铜，它们很可能最终会被氧气腐蚀而停止工作。

“目前还没有一个好的乙烯商业传感器，”斯韦格说。“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，以确定它是处于停滞状态，还是正在成熟。”

斯韦格和冯创造了一种新型的乙烯传感器，它也是基于碳纳米管，但工作原理完全不同，被称为瓦克氧化。他们使用了一种叫做钯的金属催化剂，在一种叫做氧化的过程中向乙烯中添加氧，而不是将铜这样的金属直接与乙烯结合。

当钯催化剂进行这种氧化时，催化剂会暂时获得电子。然后钯把这些多余的电子传递给碳纳米管，使它们更导电。通过测量电流的变化，研究人员可以检测到乙烯的存在。

传感器在几秒钟内就会对乙烯产生反应，一旦气体消失，传感器在几分钟内就会恢复到它的基线电导率。

“你在两种不同的金属状态之间切换，一旦乙烯不再存在，它就会从瞬态的富电子状态回到它原来的状态，”Fong说。

威斯康辛大学(University of Wisconsin)的化学助理教授扎卡里•威肯斯(Zachary Wickens)表示:“重新利用瓦克氧化催化系统进行乙烯检测，是一个非常聪明的、从根本上跨学科的想法。”威肯斯没有参与这项研究。“研究小组利用最近对瓦克氧化反应的改进，提供了一个强大的催化系统，并将其整合到一个基于碳纳米管的装置中，提供了一个非常有选择性和简单的乙烯传感器。”

盛开

为了测试传感器的能力，研究人员将碳纳米管和其他传感器组件放置在玻璃载玻片上。然后，他们用它来监测两种花卉——康乃馨和紫百合的乙烯产量。他们测量了5天内的乙烯产量，以便追踪乙烯水平和植物开花之间的关系。

在他们对康乃馨的研究中，研究人员发现，在实验的第一天，乙烯浓度迅速上升，之后不久，花朵就开始绽放，所有这一切都发生在一两天内。

紫百合的乙烯含量从第一天开始逐渐增加，直到第4天开始下降。与之相对应的是，这些花的花期被延长了好几天，有些直到实验结束还没有开花。

研究人员还研究了随鲜花而来的植物食品包装是否对乙烯的产生有任何影响。他们发现，给了这种食物的植物在乙烯的生产和开花方面有轻微的延迟，但效果不明显(只有几个小时)。

麻省理工学院的研究小组已经为这种新型传感器申请了专利。这项研究由国家科学基金会、美国陆军工程研究与发展中心环境质量技术项目、加拿大自然科学与工程研究理事会和圣保罗研究基金会资助。