แปลและเรียบเรียงโดย
อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร

ข้อมูลจากกรมวิชาการเกษตรบ่งชี้ว่า ทุกปีซูเปอร์มาร์เก็ตในสหรัฐฯ จะมีผักและผลไม้เน่าเสียถึงร้อยละ 10  ดังนั้น เพื่อที่จะแก้ปัญหานี้ Professor Timothy Swager และทีมวิจัยจาก Massachusetts Institute of Technology (MIT) จึงได้พัฒนาเครื่องมือตรวจวัดความสุกของผลไม้แบบพกพาที่ใช้งานง่ายและมีราคาถูกเพื่อช่วยเหลือผู้ประกอบการขึ้น

กระบวนการสุกของผลไม้เกิดขึ้นเมื่อเอทิลีน (Ethylene) ซึ่งเป็นฮอร์โมนของพืชที่ควบคุมกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางสรีระวิทยาต่างๆ เช่น การสุกของผลไม้  การงอกของเมล็ด และการบานหรือการเหี่ยวเฉาของดอกไม้จับกับตัวรับ (receptor) ที่เฉพาะเจาะจง และตลอดช่วงเวลาการสุก พืชจะหลั่งฮอร์โมนนี้ในปริมาณต่างๆ กัน เช่น กล้วยจะยังคงมีสีเขียวจนกระทั่งมันหลั่งเอทิลีนออกมาในระดับที่เพียงพอต่อกระบวนการสุกก็จะเปลี่ยนเป็นสีเหลือง ทันทีที่เริ่มสุกกล้วยก็จะยิ่งหลั่งเอทิลีนมากขึ้น การสุกก็จะถูกเร่งให้เร็วขึ้น และเมื่อกล้วยสุกเหลืองเต็มที่และยังไม่ถูกบริโภค เอทิลีนก็จะเปลี่ยนสีเปลือกกล้วยให้กลายเป็นสีน้ำตาลและเนื้อกล้วยให้นิ่มมากขึ้น

ด้วยเหตุนี้ ผู้ประกอบการจึงพยายามยืดกระบวนการสุกของผลไม้ด้วยการทำให้โกดังเก็บสินค้ามีปริมาณก๊าซเอทิลีนในระดับต่ำที่สุด ถึงกับต้องลงทุนติดตั้งระบบตรวจสอบด้วยก๊าซโครมาโทกราฟี (Gas Chromatography) หรือแมสสเปกโตรสโกปี (Mass Spectroscopy) ที่มีราคาสูงถึง 1,200 ดอลลาร์ และในระหว่างการขนส่งก็ต้องเก็บผลไม้ภายใต้บรรยากาศก๊าซไนโตรเจนด้วย

ก๊าซเอทิลีนเป็นก๊าซที่ตรวจวัดได้ยาก อีกทั้งเครื่องมือที่ใช้ตรวจวัดยังมีราคาสูงและมีความซับซ้อนจึงไม่เหมาะจะนำไปใช้ในภาคสนามหรือในสวนผลไม้ Swager และทีมวิจัยจาก MIT จึงได้พัฒนาเครื่องมือที่สามารถตรวจวัดปริมาณก๊าซเอทิลีนในระดับต่ำที่ผลไม้หลั่งออกมาแบบพกพาที่ให้ผลวิเคราะห์น่าเชื่อถือ ใช้งานง่าย และมีราคาถูกขึ้น

Swager คิดจะทำเซนเซอร์ราคาถูกที่ติดกับกล่องกระดาษและสามารถแสดงให้ผู้ประกอบการรู้ความสุกของผลไม้ที่บรรจุอยู่ภายใน เพื่อที่จะสามารถจัดการนำผลไม้ไปวางจำหน่ายก่อนที่มันจะสุกเกินไป เขากล่าวว่า “หากสามารถสร้างเครื่องมือที่ช่วยผู้ประกอบการให้สามารถบริหารจัดการได้อย่างถูกต้องก็จะสามารถลดความเสียหายได้ถึงร้อยละ 30 ก็จะดีมาก”

ในส่วนของอุปกรณ์รับรู้ของเครื่องตรวจวัดที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นประกอบด้วยแผ่นกระจกขนาดเล็กที่มีขั้วไฟฟ้าทองคำ 2 ขั้ว มีสารผสมของคาร์บอนนาโนทิวป์แบบผนังเดี่ยว (single-walled carbon nanotube) และสารทองแดงเชิงซ้อนชนิดพิเศษ (special copper complex) วางอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้านี้ (ดังภาพ) โดยที่สารทองแดงเชิงซ้อนจะเชื่อมต่อกับคาร์บอนนาโนทิวป์อย่างเหนียวแน่น เมื่อมีก๊าซเอทิลีนมาสัมผัสที่อุปกรณ์รับรู้ เอทิลีนก็จะเชื่อมต่อกับสารทองแดงเชิงซ้อนทำให้พันธะที่เชื่อมต่อระหว่างสารทองแดงเชิงซ้อนกับคาร์บอนนาโนทิวป์อ่อนแอลง สมบัติทางไฟฟ้าของคาร์บอนนาโนทิวป์จะไวต่อความแข็งแรงของอันตรกิริยากับสารทองแดงเชิงซ้อน ซึ่งทำให้ความต้านทานไฟฟ้าเกิดการเปลี่ยนแปลงสัมพันธ์ตามปริมาณของเอทิลีน

อุปกรณ์รับรู้ของเครื่องตรวจวัด

ในการทำให้เครื่องมือมีความไวในการตรวจวัดเพิ่มสูงขึ้น นักวิจัยได้เติมเม็ดโพลิสไตรีนขนาดจิ๋วเพื่อช่วยดูดซับก๊าซเอทิลีน และเพิ่มความเข้มข้นในบริเวณใกล้กับคาร์บอนนาโนทิวป์ทำให้เครื่องมือเวอร์ชั่นล่าสุดสามารถตรวจวัดปริมาณเอทิลีนได้ต่ำถึง 0.5 ppm (หนึ่งในล้านส่วน) ซึ่งความเข้มข้นของก๊าซเอทิลีนที่ทำให้ผลไม้สุกมักอยู่ในช่วงระหว่าง 0.1-1 ppm ทั้งนี้ นักวิจัยได้ทดสอบเครื่องตรวจวัดกับผลไม้หลายชนิด ได้แก่ กล้วย อะโวคาโด แอปเปิ้ล แพร์ และส้ม ซึ่งพบว่า เครื่องมือนี้สามารถตรวจวัดความสุกของผลไม้จากปริมาณเอทิลีนที่ผลไม้หลั่งออกมาได้

Swager กำลังยื่นจดสิทธิบัตรเกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้และจะเริ่มทำในเชิงพาณิชย์ ในอนาคตเขาวางแผนจะนำชิประบบการชี้เฉพาะด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (Radio Frequency Identification, RFID) มาติดในอุปกรณ์ตรวจวัดด้วยเพื่อให้สามารถสื่อสารอย่างไร้สายกับอุปกรณ์แบบพกพาที่ใช้ตรวจวัดระดับเอทิลีน ซึ่งระบบนี้จะมีราคาถูกมากโดยประเมินว่า อุปกรณ์รับรู้คาร์บอนนาโนทิวป์จะมีราคาประมาณ 25 เซ็นต์ และชิป RFID อีก75 เซ็นต์

แหล่งข่าว
http://phys.org/news/2012-05-ripe-carbon-nanotube-based-ethylene-sensor.html
http://web.mit.edu/newsoffice/2012/fruit-spoilage-sensor-0430.html

วารสารอ้างอิง
Timothy M. Swager, et al. Selective Detection of Ethylene Gas Using Nanotube-based Devices: Utility in Determination of Fruit Ripeness, Angewandte Chemie International, Publish online 19 APR 2012