NIMS en AIST hebben een kleine sensor ontwikkeld die het plantenhormoon ethyleen continu kan monitoren. Ethyleengas bevordert de rijping van groenten en fruit, maar overmatige blootstelling bevordert dat ze gaan rotten. De nieuwe kleine sensor kan worden gebruikt om groenten en fruit te bewaken door continu ethyleengas te detecteren, zorgen voor de versheid tijdens transport en opslag, en het helpen verminderen van voedselverspilling.

Ethyleen is een gasvormig molecuul dat door groenten en fruit wordt afgegeven als een rijpingsbevorderend fytohormoon. Verse producten kunnen kunstmatig worden gerijpt in opslag na de oogst door ethyleen in een opslagfaciliteit te brengen. Door continue monitoring van de ethyleenconcentraties in deze faciliteiten kan het rijpingsverloop van opgeslagen producten nauwkeuriger worden geschat, waardoor een optimaal transport- en opslagschema mogelijk is. Dit potentiële voordeel heeft geleid tot een grote vraag naar de ontwikkeling van kleine, goedkope ethyleensensoren uit de landbouw- en voedingsindustrie. Kleine sensoren die ethyleen kunnen detecteren zijn in de handel verkrijgbaar, maar veel van hen werken alleen bij hoge temperaturen (200-300 ). Daarnaast, de in de handel verkrijgbare sensoren die halfgeleiders als detectiematerialen gebruiken, kunnen andere gasvormige moleculen detecteren (bijv. alcohol en methaan) vanwege het zeer actieve oppervlak. Deze bestaande sensoren missen daarom selectieve gevoeligheid voor ethyleen.

In dit onderzoeksproject wordt we ontwikkelden een kleine, zeer gevoelige sensor die ethyleen met grote selectiviteit kan detecteren. Deze sensor bestaat uit drie componenten:een zeer actieve katalysator die selectief ethyleen omzet in aceetaldehyde, een reagens dat reageert met aceetaldehyde om zuur gas vrij te maken en een SWCNT-elektrode (enkelwandig koolstofnanobuisje) die erg gevoelig is voor zuur gas (figuur). Deze zeer actieve katalysator kan ethyleen herhaaldelijk in aceetaldehyde omzetten wanneer analyt-lucht er doorheen gaat. In aanvulling, de katalysator kan werken bij bijna kamertemperatuur (40 ℃), waardoor de kleine sensor energiezuinig is. Het zure gas dat wordt geproduceerd door de reactie tussen aceetaldehyde en het reagens onttrekt sterk elektronen aan de SWCNT-halfgeleider, het veranderen van de elektrische weerstand van de halfgeleider. Deze kenmerken en mechanismen stellen de sensor in staat om selectief en gevoelig ethyleen te detecteren, zelfs bij een extreem lage concentratie (0,1 ppm) door veranderingen in elektrische weerstand te bewaken. Deze sensor zal naar verwachting effectief zijn in het monitoren van ethyleenconcentraties voor veel soorten verse producten in opslag. Bijvoorbeeld, de ethyleenconcentraties die de rijping in bananen en kiwi's bevorderen zijn ongeveer 500 ppm en 10 ppm, respectievelijk:ruim binnen het bruikbare gevoeligheidsbereik van de sensor.

Deze kleine, energiezuinig, goedkope ethyleensensor is ontworpen om compatibel te zijn met big data-integratie en netwerksystemen, en kan daarom dienen als een essentieel hulpmiddel bij het in de praktijk brengen van de visie van de superslimme samenleving van Japan (het Society 5.0-initiatief) in de landbouw- en voedingsindustrie. Deze onderzoeksgroep ontwerpt verschillende soorten zeer actieve katalysatoren om kleine sensoren te ontwikkelen die andere gasvormige moleculen dan ethyleen kunnen detecteren.