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Das MIT hat einen winzigen neuen Sensor erfunden, um Lebensmittelverschwendung zu vermeiden

Wenn Blumen blühen und Früchte reifen, stoßen sie ein farbloses, süß riechendes Gas namens Ethylen aus. MIT Chemiker haben jetzt einen winzigen Sensor entwickelt, der dieses Gas in Konzentrationen von nur 15 Teilen pro Milliarde erfassen kann. Sie glauben, dass dies nützlich sein könnte, um den Verderb von Lebensmitteln zu verhindern.

Der Sensor, der aus halbleitenden Zylindern besteht, die als Kohlenstoffnanoröhren bezeichnet werden, könnte zur Überwachung von Obst und Gemüse während des Versands und der Lagerung verwendet werden, um Lebensmittelverschwendung zu reduzieren, sagt Timothy Swager, John D. MacArthur-Professor für Chemie am MIT.

“Es besteht ein anhaltender Bedarf an einem besseren Lebensmittelmanagement und einer Reduzierung der Lebensmittelverschwendung”, sagt Swager. “Menschen, die Obst transportieren, möchten wissen, wie es während des Transports funktioniert und ob sie Maßnahmen ergreifen müssen, um Ethylen während des Transports niedrig zu halten.”

Ethylen ist neben seiner natürlichen Rolle als Pflanzenhormon auch die weltweit am häufigsten hergestellte organische Verbindung und wird zur Herstellung von Produkten wie Kunststoffen und Kleidung verwendet. Ein Detektor für Ethylen könnte auch nützlich sein, um diese Art der industriellen Ethylenherstellung zu überwachen, sagen die Forscher.

Swager ist der leitende Autor der Studie, die heute (18. März 2020) in der Zeitschrift erscheint ACS Central. Der MIT-Postdoc Darryl Fong ist der Hauptautor des Papiers, und der MIT-Doktorand Shao-Xiong (Lennon) Luo und die Gastwissenschaftlerin Rafaela Da Silveira Andre sind ebenfalls Autoren.

Reif oder nicht

Ethylen wird von den meisten Pflanzen produziert, die es als Hormon verwenden, um das Wachstum, die Reifung und andere wichtige Phasen ihres Lebenszyklus zu stimulieren. Bananen produzieren zum Beispiel immer mehr Ethylen, wenn sie reifen und braun werden, und Blumen produzieren es, wenn sie sich auf die Blüte vorbereiten. Produkte und Blumen unter Stress können Ethylen überproduzieren und dazu führen, dass sie vorzeitig reifen oder welken. Schätzungen zufolge verlieren US-Supermärkte jedes Jahr etwa 12 Prozent ihres Obsts und Gemüses durch Verderb, so das US-Landwirtschaftsministerium.

Im Jahr 2012 entwickelte Swagers Labor einen Ethylensensor, der Anordnungen von Zehntausenden von Kohlenstoffnanoröhren enthält. Diese Kohlenstoffzylinder lassen Elektronen entlang fließen, aber die Forscher fügten Kupferatome hinzu, die den Elektronenfluss verlangsamen. Wenn Ethylen vorhanden ist, bindet es an die Kupferatome und verlangsamt die Elektronen noch mehr. Die Messung dieser Verlangsamung kann zeigen, wie viel Ethylen vorhanden ist. Dieser Sensor kann jedoch nur Ethylengehalte bis zu 500 ppm erfassen. Da die Sensoren Kupfer enthalten, werden sie wahrscheinlich durch Sauerstoff korrodiert und funktionieren nicht mehr.

“Es gibt immer noch keinen guten kommerziellen Sensor für Ethylen”, sagt Swager. “Um Produkte zu verwalten, die langfristig gelagert werden, wie Äpfel oder Kartoffeln, möchten die Menschen in der Lage sein, ihr Ethylen zu messen, um festzustellen, ob es sich in einem Stasis-Modus befindet oder ob es reift.”

Swager und Fong haben eine neue Art von Ethylensensor entwickelt, der ebenfalls auf Kohlenstoffnanoröhren basiert, jedoch nach einem völlig anderen Mechanismus arbeitet, der als Wacker-Oxidation bekannt ist. Anstatt ein Metall wie Kupfer einzubauen, das direkt an Ethylen bindet, verwendeten sie einen Metallkatalysator namens Palladium, der Ethylen während eines als Oxidation bezeichneten Prozesses Sauerstoff hinzufügt.

Während der Palladiumkatalysator diese Oxidation durchführt, gewinnt der Katalysator vorübergehend Elektronen. Palladium leitet diese zusätzlichen Elektronen dann an Kohlenstoffnanoröhren weiter, wodurch sie leitfähiger werden. Durch Messung der resultierenden Änderung des Stromflusses können die Forscher das Vorhandensein von Ethylen nachweisen.

Der Sensor reagiert innerhalb weniger Sekunden nach dem Aussetzen auf Ethylen, und sobald das Gas verschwunden ist, kehrt der Sensor innerhalb weniger Minuten zu seiner Basisleitfähigkeit zurück.

“Sie wechseln zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Metalls und sobald Ethylen nicht mehr vorhanden ist, geht es von diesem vorübergehenden, elektronenreichen Zustand zurück in seinen ursprünglichen Zustand”, sagt Fong.

„Die Umnutzung des Wacker-Oxidationskatalysatorsystems zum Nachweis von Ethylen war eine außerordentlich clevere und grundlegend interdisziplinäre Idee“, sagt Zachary Wickens, Assistenzprofessor für Chemie an der Universität von Wisconsin, der nicht an der Studie beteiligt war. “Das Forscherteam stützte sich auf die jüngsten Modifikationen der Wacker-Oxidation, um ein robustes katalytisches System bereitzustellen, und baute es in ein Gerät auf Kohlenstoffnanoröhrenbasis ein, um einen bemerkenswert selektiven und einfachen Ethylensensor bereitzustellen.”

In Blüte

Um die Fähigkeiten des Sensors zu testen, haben die Forscher die Kohlenstoffnanoröhren und andere Sensorkomponenten auf einem Objektträger abgelegt. Sie verwendeten es dann, um die Ethylenproduktion in zwei Arten von Blumen zu überwachen – Nelken und lila Lisianthus. Sie maßen die Ethylenproduktion über fünf Tage und konnten so die Beziehung zwischen dem Ethylengehalt und der Blüte der Pflanzen verfolgen.

In ihren Nelkenstudien stellten die Forscher fest, dass die Ethylenkonzentration am ersten Versuchstag schnell anstieg und die Blüten kurz danach alle innerhalb von ein oder zwei Tagen blühten.

Lila Lisianthus-Blüten zeigten einen allmählicheren Anstieg des Ethylens, der am ersten Tag begann und bis zum vierten Tag andauerte, als es zu sinken begann. Dementsprechend war die Blüte der Blumen über mehrere Tage verteilt und einige hatten bis zum Ende des Experiments noch nicht geblüht.

Die Forscher untersuchten auch, ob die mit den Blumen gelieferten pflanzlichen Lebensmittelpakete einen Einfluss auf die Ethylenproduktion hatten. Sie fanden heraus, dass Pflanzen, denen das Futter gegeben wurde, leichte Verzögerungen bei der Ethylenproduktion und -blüte zeigten, aber der Effekt war nicht signifikant (nur wenige Stunden).

Das MIT-Team hat ein Patent für den neuen Sensor angemeldet. Die Forschung wurde von der National Science Foundation, dem Umweltqualitäts-Technologieprogramm des US-Army Engineer Research and Development Center, dem kanadischen Forschungsrat für Naturwissenschaften und Ingenieurwesen und der Sao Paulo Research Foundation finanziert.

Referenz: „Spuren-Ethylen-Sensing durch Wacker-Oxidation“ von Darryl Fong, Shao-Xiong Luo, Rafaela S. Andre und Timothy M. Swager, 18. März 2020, ACS Central.
DOI: 10.1021 / acscentsci.0c00022