식물 호르몬 (에바카라 룰)을 지속적으로 모니터링 할 수있는 작은 센서를 개발했습니다

1 NIMS와 AIST는 식물 호르몬 에바카라 룰을 지속적으로 모니터링 할 수있는 작은 센서를 개발했습니다 에바카라 룰은 야채와 과일의 노화를 촉진하지만 과도한 존재는 부패로 이어질 수 있습니다 이 작은 센서를 사용하면 에바카라 룰을 지속적으로 모니터링 할 수있어 야채와 과일을 최적으로 운송하고 저장할 수 있으며 식습관의 조정 및 음식물 쓰레기 감소로 이어질 것으로 예상됩니다

2 에바카라 룰은 야채와 과일에서 방출 된 가스 분자이며 야채와 과일의 노화를 촉진하는 식물 호르몬입니다 저장 캐비닛에 에바카라 룰을 추가하면 야채와 과일의 노화를 인위적으로 촉진 할 수 있으며, 에바카라 룰의 농도를 지속적으로 모니터링하고 노화의 진행을 예측함으로써 최적의 운송 및 저장 관리로 이어질 것입니다 이러한 이유로 농업 및 식품 산업은 저렴하고 작은 에바카라 룰 센서를 찾기를 원합니다 그러나, 에바카라 룰 검출을위한 현재 이용 가능한 소규모 센서의 대부분은 고온 (200-300 ° C)에서 구동되어야하며, 센서 재료의 표면은 높은 활성을 갖기 때문에 다른 환원 가스 분자 (알코올, 메탄 등)와 반응하여 에바카라 룰의 선택적 검출을 어렵게 만듭니다

3 이 연구에서, 우리는 세 가지 요소를 결합하여 에바카라 룰을 선택적이고 민감하게 감지 할 수있는 작은 센서를 개발하여 에바카라 룰을 아세트 알데히드로 선택적으로 전환시키는 고도로 활성 촉매, 아세트 알데히드와 반응하여 산성 가스와 반응하는 시약 및 산성 탄소 나노 튜브 (SWCNT)로 변형 된 전극 (SWCNT)을 생성하는 전극 (Swcnts) (Swcnts)을 억제합니다 1) 고도로 활성 촉매는 에바카라 룰을 함유 한 공기를 통과시킴으로써 에바카라 룰을 아세트 알데히드로 전환 할 수 있으며, 반복적으로 사용될 수있다 또한, 실온 근처 (40 ° C) 근처에서 구동되기 때문에 소형 센서에는 고온에서 유지 될 필요가 없으며 저전력 소비로 작동 할 수 있으므로 소규모 센서에 적합합니다 아세트 알데히드와 시약 사이의 반응에 의해 생성 된 산성 가스는 SWCNT의 전기 저항을 변화시키는 반도체 SWCNT에 대한 강한 전자 추출기로서 작용한다 이 메커니즘은 전기 저항의 매우 민감하고 매우 선택적인 변화로서 01 ppm의 에바카라 룰 만 모니터링하는 데 성공했습니다 예를 들어, 노화 (숙성) 바나나 및 키위 프 루트에 사용되는 에바카라 룰의 농도는 각각 약 500ppm 및 약 10ppm 이므로이 센서는 적절하게 처리 할 수 있습니다

4 이 에바카라 룰 센서는 작고 에너지 절약이며 저렴한 비용으로 정보의 통합 및 네트워킹 (빅 데이터)을위한 센서 장치를 설치할 수 있으며, 농업 및 식품 산업에서 사회 50을 실현하기위한 노력을 촉진 할 수 있다고 생각합니다 또한, 우리는 또 다른 고도로 활성 촉매를 설계했으며 에바카라 룰 이외의 가스 분자를 수용 할 수있는 소형 센서를 개발하고 있습니다

5 이 연구는 NIMS International Nanoarchitectonics Research Center, Hong Da-Shao, AIST Catalytic Chemistry Fusion Research의 AIST 센터 및 AIST Nanomaterial Research Division 및 Indian Technology Mandy 연구원의 연구원 인 Ishihara Shinsuke에 의해 수행되었습니다 이 연구 결과는 2020 년 5 월 11 일 (동부 미국 시간)에 미국 화학 학회 (American Chemical Society)에 의해 발표 될 것입니다ACS 센서"에 대해 온라인으로 출시됩니다

에바카라 룰 (CH₂= ch₂)는 야채와 과일에서 방출 된 가스 분자이며 야채와 과일의 노화를 촉진하는 식물 호르몬입니다 또한 채소와 과일의 저장 선반에 에바카라 룰을 추가하여 노화 (숙성)를 촉진하는 데 사용될 수 있으며 바나나와 키위 과일에 널리 사용됩니다 그러나 과도한 에바카라 룰은 과도한 노화를 유발하고 부패를 일으킨다 (도 2)

노화의 진행을 예측하기위한 에바카라 룰 농도의 일정한 모니터링은 최적의 운송 및 보존 관리로 이어지고, 저렴하고 작은 에바카라 룰 센서가 농업 및 식품 산업에서 번성하고 있습니다 그러나, 에바카라 룰의 매우 민감하고 고도로 선택적으로 검출하려면, 현재 비싸고 가스 크로마토 그래피와 같은 대형 장비가 필요합니다 반면에,반도체 재료⁽¹⁾를 사용하는 작은 센서 에바카라 룰을 전기 화학적으로 감지하는 것은 상업적으로 이용 가능하지만, 다른 감소 가스 분자 (예 : 알코올 또는 메탄)에 잘못 반응 할 수 있다는 점이다 반도체 센서는 일반적으로 고온 (200-300 ° C)에서 구동되므로 센서 재료의 표면은 활성이 높고 대부분의 감소 가스와 반응하여 에바카라 룰 가스를 선택적으로 감지하기가 어렵습니다

이 연구에서, 에바카라 룰을 아세트 알데히드로 선택적으로 변환하는 고도로 활성 촉매 (PD-V₂O₅-tio₂) 및 Acetaldehyde와 반응하여 산 가스를 생성하는 시약 (NH₂OH ∙ HCL) 및 산성 가스의 매우 민감한 탐지단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT)⁽²⁾를 운반하는 전극의 세 가지 요소를 결합함으로써, 우리는 높은 감도로 에바카라 룰을 선택적이고 반복적으로 감지 할 수있는 작은 센서를 개발했습니다 (그림 3) 아세트 알데히드의 시약과 반응 (CH₃Cho + NH₂OH ∙ HCL → CH₃ch = noh + h₂O + HCL에 의해 생성 된 산 가스 (HCL)는 SWCNT의 전기 저항을 변화시키는 반도체 SWCNT에 대한 강력한 전자 추출기 역할을한다 이 메커니즘으로 1PPM⁽³⁾에서 에바카라 룰에 대한 매우 민감하고 선택적인 모니터링에 성공했습니다 단 5 분 안에 예를 들어, 노화 (숙성) 바나나 및 키위 프 루트에 사용되는 에바카라 룰의 농도는 각각 약 500ppm 및 약 10ppm 이므로이 센서는 적절하게 처리 할 수 있습니다 이 센서의 감도 (에바카라 룰 1 ppm에 대해 대략 10%의 현재 변화)는 세계에서 가장 높았으며, 검출 한계는 5 분 동안 02ppm이고 15 분 동안 01 ppm입니다 이 높은 감도는 이전에 개발 된 AIST의 분리 및 정제 반도체 SWCNT에 의해 사용됩니다 또한 하나의 센서에는 몇 개의 SWCNT 만 사용되며 1 그램의 SWCNT에서 수백만 개의 센서를 제작할 수 있습니다

센서 애플리케이션에 최적화 된 고도로 활성 촉매는이 연구를 달성하는 데 중요한 역할을합니다 (그림 4) 매우 활성 촉매는 유리 튜브에 포장 된 분말 고체 재료 (PD-V₂O₅-tio₂) 에바카라 룰을 함유 한 공기를 통과하면 환경 친화적 인 촉매 반응 (Wacker 반응⁽⁴⁾)에 의해 아세트 알데히드로 전환 될 수있다 우리는 PPM 수준에서 에바카라 룰이 통과 될 때 거의 모든 에바카라 룰이 아세트 알데히드로 전환된다는 것을 확인했다 고도로 활성 촉매는 재사용 가능하며 실온 근처 (40 ° C) 근처에서 구동되기 때문에 소형 센서에도 적합하므로 고온에서 유지 될 필요가 없으며 저전력 소비로 작동 할 수 있습니다 고도로 활성 촉매에 함유 된 팔라듐 (PD)은 귀금속이지만, 한 센서에 사용되는 양은 약 08 밀리그램이며 현재 가격 측면에서 10 엔 미만입니다

이 센서는 에바카라 룰을 선택적으로 식별 할 수 있습니다 도 5a에 도시 된 바와 같이, 전류 값은 1 ppm 및 10 ppm 에바카라 룰에 대해 증가하지만, 일반적인 유기 분자 (메탄, 톨루엔, 클로로포름, 테트라 하이드로 푸란, 아세토 니트릴)로 구성된 가스의 경우, 현재 값은 약간 감소하여 에바카라 룰과 구별하기 쉽다

10 ppm 에바카라 룰 및 10 ppm 아세트 알데히드는 비슷한 반응을 나타내지 만 (그림 5a), 이것은 아세트 알데히드 및 산성 가스를 생성하는 시약입니다 (NH₂오 ∙ HCl) 직접 반응합니다 여기서, 활성이 높은 촉매를 포함하지 않는 추가 센서를 준비하고 응답을 비교할 때, 우리는 두 센서가 아세트 알데히드에 반응하는 반면, 고도로 활성 촉매를 사용하는 측면의 센서만이 에바카라 룰에 반응한다는 것을 발견했다 (도 5B) 이것은 에바카라 룰 및 아세트 알데히드의 명확한 확인을 허용합니다

1 ppm 에바카라 룰 및 500 ppm 에탄올은 또한 일부 에탄올이 아세트 알데히드를 생성하기 위해 고도로 활성 촉매에서 산화되기 때문에 유사한 반응을 보인다 (도 5A) 여기서 팔라듐이없는 촉매 (V₂O₅-tio₂)를 사용하여 추가 센서를 준비하고 응답을 비교할 때, 우리는 두 센서가 에탄올에 반응하는 반면, 활성이 높은 촉매를 갖는 측면의 센서만이 에바카라 룰에 반응한다는 것을 발견했다 (도 5C) 이것은 에바카라 룰과 에탄올을 명확하게 확인할 수있게한다

이 작은 센서를 사용한 에바카라 룰의 지속적인 모니터링은 야채와 과일의 최적의 운송 및 저장을 가능하게하여 식습관을 조정하고 음식물 쓰레기를 줄일 것으로 예상됩니다 또한, 많은 작은 에바카라 룰 센서에서 수집 한 축적 및 네트워킹 정보 (빅 데이터)를 통해 농업 및 식품 산업을 만들 수 있습니다사회 50⁽⁵⁾또한, 우리는 또 다른 고도로 활성 촉매를 설계했으며 에바카라 룰 이외의 가스 분자를 수용 할 수있는 소형 센서를 개발하고 있습니다

제목 : 에바카라 룰 감지를위한 캐스케이드 반응 기반 화학 화학 배열
저자 : Shinsuke Ishihara* (NIMS), Ashish Bahuguna (Iit-Mandi, Nims), Suneel Kumar (IIT-Mandi, NIMS), Venkata Krishnan (IIT-Mandi), Jan Labuta (NIMS), Takashi Nakanishi (Nims), hi Tanaka (Takashi Nakanishi) Hiromichi Kataura (Aist), Yoshihiro Kon (Aist) 및 Dachao Hong* (Aist)
잡지 :ACS 센서
게시 : 2020 년 5 월 11 일 미국 동부 시간
doi : 101021/acssensors0c00194

이 연구는 과학 기술 홍보를위한 일본 사회 (18H02016), 과학 기술 크레스트 홍보를위한 일본 협회 (JPMJCR16Q2/JPMJCR18I5), 과학 및 기술 예외적 인 연구원 프로젝트, NIMS Microstucture Analystration 및 NIMS 연구를위한 일본 사회의 지원으로 수행되었습니다

(1) 반도체 재료 :

전기 저항력이 낮은 도체 (예 : 금속)와 전기 저항력이 높은 절연체 (예 : 플라스틱) 사이의 전기 저항 중간체가있는 재료 물리적 및 화학적 자극으로 인해 전기 저항력이 변하기 때문에 트랜지스터, 센서 등에 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

(2) 단일 벽 탄소 나노 튜브 (SWCNT) :

탄소로 만든 단일 층 그래 핀 시트가있는 1 차원 재료, 나노 구조에 따라 전도도 또는 반도성을 나타냅니다 일반적으로, 합성 된 SWCNT는 금속 신체와 반도체의 혼합물이기 때문에 고성능 장치를 제조하기 위해 금속 몸체와 반도체를 분리하고 정제하는 것이 중요합니다[참조로 돌아 가기]

(3) PPM :

백만 부에 대한 약어 여기서 1 ppm은 백만 분의 농도를 나타냅니다 예를 들어, 물질의 방울 (003 ml)이 전체 가정용 목욕 (300 L)에 첨가 될 때, 농도는 01 ppm이다[참조로 돌아 가기]

(4) WACKER 반응 :

탄소 이중 결합을 갖는 알켄이 팔라듐 촉매를 사용하여 알데히드 또는 케톤으로 전환되는 산화 반응[참조로 돌아 가기]

(5) 사회 50 :

제 5 기본 과학 및 기술 계획에서 제안 된 일본이 목표로해야 할 미래 사회의 이미지 사이버 공간 (가상 공간)과 물리적 공간 (실제 공간)을 많이 융합시키는 시스템을 통해 경제 발전과 사회 문제를 해결하는 인간 중심 사회 사냥 소사이어티 (Society 10), 농업 협회 (Society 20), 산업 협회 (Society 30) 및 정보 학회 (Society 40)에 이어 새로운 사회로 자리 잡고 있습니다[참조로 돌아 가기]