国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS) および国立研究開発法人 産業技術総合研究所 (産総研)は、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と発表した。

概要
1.　エチレンは野菜や果物の熟成を促進させるが、過剰に存在すると腐敗を進行させてしまう。小型センサによってエチレンの常時モニタリングを行えば、野菜や果物の最適な輸送・保存管理が可能となり、食べ頃の調整や、フードロスの削減などにつながると期待されるとのこと。

2.　エチレン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。保存庫内にエチレンを添加することで、人為的に野菜や果物の熟成を促すこともでき、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・保存管理につながる。そのため、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。しかし現在市販されているエチレン検出用の小型センサは、その多くが高温状態 (200〜300℃) で駆動させる必要があり、センサ材料表面が高い活性を持つため他の還元性ガス分子 (アルコール、メタンなど) とも反応してしまい、エチレンの選択的な検出が難しいことが課題だったという。

3.　研究では、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、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ることで、エチレンを選択的かつ高感度に検出できる小型センサを開発した。高活性触媒は、エチレンを含む空気を通過させるだけで、エチレンをアセトアルデヒドに変換でき、繰り返し利用可能。しかも室温付近 (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動作可能という点でも小型センサに適している。アセトアルデヒドと試薬の反応で発生した酸性ガスは半導体SWCNTに対して強い電子引き抜き剤として働くため、SWCNTの電気抵抗値を変化させる。この仕組みにより、僅か0.1ppmのエチレンを高感度かつ高選択的に電気抵抗の変化としてモニタリングすることに成功した。例えば、バナナとキウイフルーツの熟成 (追熟) に用いられるエチレンの濃度は、それぞれ約500ppmと約10ppmなので、このセンサで十分に対応できるとのこと。

4.　このエチレンセンサは小型かつ省電力であり、情報 (ビックデータ) を集積・ネットワーク化するためのセンサデバイスを低コストで設置することが可能で、農業・食品業界においてSociety 5.0の実現に向けた取り組みを推進することができると考えている。さらに、別の高活性触媒を設計し、エチレン以外のガス分子に対応する小型センサの開発も進めているという。

5.　この研究は、NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の石原伸輔主幹研究員と、産総研 触媒化学融合研究センターの洪達超研究員、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の研究者らによって行われた。研究成果は、2020年5月11日 (米国東部時間) に米国化学会の学術誌「ACS Sensors」のオンライン版で公開されるとしている。

プレスリリースサイト(NIMS):https://www.nims.go.jp/news/press/2020/05/202005120.html