Selektiver Nachweis von Ethylengas mit Kohlenstoffnanoröhren als Hilfsmittel in der Fruchtreifebestimmung

Abstract

Ethylen als kleinstes Pflanzenhormon ist an vielen Entwicklungsprozessen beteiligt. Als Beispiele sind die Fruchtreifung zu nennen, die durch Ethylen initiiert wird, der Saataufgang und die Blüte sowie das Verwelken von Blättern und Blumen. [1] Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt im Biosyntheseweg von Ethylen, der von Yang et al. untersucht wurde, wird durch die 1-Aminocyclopropan-1-carbonsäure-(ACC)-Synthase katalysiert. [2] In mehreren Entwicklungsphasen einer Pflanze wird Ethylen produziert, und auch externe Faktoren kçnnen die Produktion anregen. Der Reifeprozess wird dadurch eingeleitet, dass Ethylen an den Rezeptor ETR1 bindet, was zur Translation von Reifungsgenen und zur Produktion von Enzymen führt, die schließlich die sichtbaren Reifungseffekte bewirken. In der Landwirtschaft ist es daher von großer Bedeutung, die Ethylenkonzentration zu überwachen. Im Inneren einer Frucht kann diese als Indikator zur Bestimmung der Erntezeit dienen, während die Überwachung des Ethylengehalts der Luft in Lagerräumen und während des Transports wichtig ist, um Überreifung zu vermeiden. Hier stellen wir einen reversiblen, chemoresistiven Sensor vor, der Ethylenkonzentrationen im Sub-ppm-Bereich (ppm = parts per million) detektieren kann. Das Detektionsschema ist hochselektiv für Ethylen, und der Sensor kann in wenigen Schritten ausgehend von käuflich erwerbbaren Materialien hergestellt werden. Der Detektionsmechanismus basiert auf der hohen Empfindlichkeit von einwandigen Kohlenstoffnanorçhren (SWNTs) gegenüber ihrer elektronischen Umgebung. Diese Eigenschaft wurde bereits im Design zahlreicher Sensoren genutzt. [3] Mit Blick darauf, dass Cu I ein essenzieller Cofaktor des Rezeptors ETR1 im biologischen System ist, verwenden wir einen Kupfer(I)-Komplex zur selektiven Erkennung von Ethylen. [4] Die kleine Grçße und fehlende Polarität von Ethylen erschweren im Allgemeinen dessen Detektion. Herkçmmliche Methoden sind die Gaschromatographie [5a] oder laserakustische Spektroskopie, [5b] beide bençtigen jedoch kostspielige Instrumente und sind ungeeignet für praktische Anwendungen. Darüber hinaus wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, die auf amperometrischen [5c] oder elektrochemischen [5d]

Bio‐Inspired Carbon Monoxide Sensors with Voltage‐Activated Sensitivity

“…[7] This high affinity for CO over O 2 of hemoglobin and myoglobin is the underlying mechanism of carbon monoxide poisoning in mammals. [8,9] Although detectors for CO are available, there remains a need for massively [16,17] Theoretical and experimental reports have suggested that CO does not engage in charge transfer with pristine SWCNTs, [18][19][20] indicating the a chemical reactive interface is necessary. Conductivity-based CO detection has been reported for carboxylate-containing, [19] deformed, [21] or doped SWCNTs, [22] as well as SWCNTs dispersed in polymers [23] or decorated with metallic nanoparticles.…”

“…[10][11][12][13][14][15] Random networks of functionalized SWCNTs have produced sensors that are inexpensive to fabricate, operate at room temperature, and have ultra-low power requirements. [16,17] Theoretical and experimental reports have suggested that CO does not engage in charge transfer with pristine SWCNTs, [18][19][20] indicating the a chemical reactive interface is necessary. Conductivity-based CO detection has been reported for carboxylate-containing, [19] deformed, [21] or doped SWCNTs, [22] as well as SWCNTs dispersed in polymers [23] or decorated with metallic nanoparticles.…”

Selektiver Nachweis von Ethylengas aus Früchten mit Kohlenstoffnanoröhren‐Sensoren

“…In einer jüngsten Veröffentlichung beschrieben nun Swager und Mitarbeiter6 die Entwicklung eines neuartigen Ethylensensors basierend auf der nichtkovalenten Funktionalisierung eines SWNT‐Netzwerks mit einem Kupfer(I)‐Komplex (Abbildung 1 a). Ethylen ist das kleinste Pflanzenhormon.…”

“…Bei Einwirkung von Ethylengas bindet 1 ein Ethylenmolekül und bildet den Cu‐Ethylen‐Komplex 2 , was zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des SWNT‐Netzwerks führt. b) Relatives elektrisches Ansprechverhalten von 1 ‐SWNT‐Sensoren gegenüber Ethylengas, das von verschiedenen Früchten (je 100 g) emittiert wurde 6…”

Laparoscopic resection of advanced colorectal cancer (Br J Surg 2011; 98: 427–430)

“…In an article in Angewandte Chemie , Timothy Swager and co‐workers6 describe the clever design of a novel ethylene sensor, which included the noncovalent functionalization of SWNT network with a copper(I) complex (Figure 1 a). Ethylene is the smallest plant hormone that initiates the ripening of fruit and influences other growth processes,7a and it is also a typical example of an analyte with low chemical activity and molecular polarity.…”