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植物ホルモン(エチレン)を常時モニタリングできる小型センサを開発 ~野菜・果物の最適な輸送・保存管理によるフードロス削減に期待~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)および同法人 産業技術総合研究所(産総研)は2020年5月12日,NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 主幹研究員 石原 伸輔氏,産総研 触媒化学融合研究センター 研究員 洪 達超氏,及び産総研 ナノ材料研究部門,インド工科大学マンディー校 研究者らの研究チームが,植物ホルモンであるエチレンを常時モニタリングできる小型センサを開発したことを発表した.本研究は,国立研究開発法人科学技術振興機構・CREST,独立行政法人日本学術振興会・卓越研究員事業,NIMS微細構造解析プラットフォーム,などの支援を受けて行われた.また,本研究成果は,米国化学会の学術誌ACS Sensorsのオンライン版で公開された(注).

 エチレン(CH2=CH2)は,野菜や果物から放出されるガス分子で,野菜や果物の熟成を促進させる植物ホルモンである.野菜や果物の保存庫内にエチレンを添加して熟成(追熟)を促すこともできるが,エチレンが過剰に存在すると熟成が進みすぎて,腐敗を進行させてしまう.エチレンの濃度を常時モニタリングして熟成の進行を予測すれば,最適な輸送・保存管理が可能となるので,農業・食品業界では安価で小型なエチレンセンサが切望されている.しかし,エチレンの高感度・高選択的検出には,ガスクロマトグラフィーなどの高価で大型な装置が必要である.一方,電気化学的にエチレンを検出する半導体小型センサが市販されているが,他の還元性ガス分子(アルコールやメタンなど)に誤応答してしまうことなどが課題であった.

 これに対し,研究チームは,エチレンを選択的にアセトアルデヒドに変換する高活性触媒(Pd-V2O5-TiO2)と,アセトアルデヒドと反応して酸性ガスを発生する試薬(NH2OH・HCl),そして酸性ガスを高感度に検出する単層カーボンナノチューブ(SWCNT)で修飾した電極の三要素を組み合わせてエチレンセンサを作製した.高活性触媒は,粉末をガラス管に詰め,その中をエチレン含有空気を通過させることで,空気中に含まれる酸素と水を基質とした触媒反応を起こす.この反応で生成されたアセトアルデヒドと試薬との反応で発生する酸性ガス(HCl)が.SWCNTの抵抗を変化(酸性ガスがSWCNTに対して電子引き抜き剤として作用)させる.この抵抗変化を電流変化としてエチレンを検出する.本センサの感度(1ppmのエチレンで約10%の電流変化)は世界最高レベルで,5分間の測定における検出限界は0.2ppm,15分間の測定では0.1ppmであった.高活性触媒は繰り返し利用可能であり,また,室温付近(40℃)で駆動するため高温に維持する必要がなく低消費電力であるので小型センサに適している.高活性触媒に含まれるパラジウム(Pd)は貴金属であるが,ひとつのセンサに用いられる量は微量(0.8ミリグラム:10円程度)であり,SWCNTの使用量も僅か(1グラムのSWCNTで数百万個のセンサ作製可能)なので,材料費は安価である.

 このセンサは,エチレンの他にアセトアルデヒドとエタノールにも反応するが,前者は試薬(NH2OH・HCl)と直接反応して酸性ガスを発生するので,高活性触媒がないとセンサが感知しないエチレンと識別できる.また,後者は高活性触媒からPdを除いた触媒(V2O5-TiO2)を用いたセンサでも感知できるがエチレンは感知できないので識別可能である.

 今後,別の高活性触媒を設計し,エチレン以外のガス分子に対する小型センサの開発も進めるとしている.

(注)S. Ishihara, A. Bahuguna, S. Kumar, V. Krishnan, J. Labuta, T. Nakanishi, T. Tanaka, H. Kataura, Y. Kon, and D. Hong, "Cascade Reaction-based Chemiresistive Array for Ethylene Sensing", ACS Sensors 2020, DOI: 10.1021/acssensors.0c00194; Publication Date: May 11, 2020