植物に着想を得たフレキシブルウェアラブルセンサー、微量エチレンガスモニタリングを実現

2026-04-22

最近、河南農業大学の科学技術イノベーションチームは、Natureの姉妹誌である『Nature Communications』に、「A Plant-receptor-inspired Cuprous Complex for Wearable Trace-level Ethylene Gas Sensing」と題する研究論文をオンライン発表しました。この研究は、植物のエチレン認識メカニズムに着想を得て、生体模倣型エチレンセンシングコアユニットを開発し、これを用いてフレキシブルなウェアラブルセンサーを構築しました。このデバイスは貴金属触媒を必要とせず、低検出限界を実現し、高速応答、高選択性、長期安定性を兼ね備えており、スマート農業や化学産業における微量エチレンガスモニタリングに重要な技術的基盤を提供します。

エチレン（C2H4）は、植物の成長発育を調節する重要なホルモンであると同時に、世界の化学産業にとって最も重要な基礎原料の一つです。農産物の収穫後保鲜（鮮度保持）、植物生理研究、化学パイプラインの漏洩警報などのシーンにおいて、エチレンガスのリアルタイムで高精度なモニタリングを実現することは非常に重要です。しかしながら、従来のエチレン検出は大型のガスクロマトグラフなどの機器に依存することが多く、装置が大型である、前処理が複雑である、その場でのリアルタイムモニタリングが困難であるといった欠点があります。また、既存の市販センサーも、パラジウムや白金などの貴金属触媒への依存、高温動作環境の必要性、選択性の不足、フレキシブル集積の困難さといった中核的なボトルネックに広く直面しており、これらがウェアラブルや分散型モニタリングシーンでの大規模応用を一定の範囲で制限しています。植物の小胞体膜上のエチレン受容体は、ジスルフィド結合で架橋されたCu+配位中心を介して、複雑な環境下で微量エチレンを特異的に認識しシグナル伝達を行うことができます。長い進化を経て形成されたこの生物学的メカニズムは、センサー設計に新たな視点を提供します。これに基づき、研究チームはワンステップ法で温和な条件下、花状の階層構造を持つ亜銅イオン錯体（Cu2Cyt）を合成しました。その硫黄架橋結合とCu+配位中心は、植物のエチレン受容体の生体認識活性部位をうまく模倣しており、貴金属触媒に依存することなく、室温でエチレンのC=C二重結合と安定なπ配位相互作用を形成し、エチレン分子の特異的捕捉を実現します。

効率的なシグナル伝達を実現するために、Cu2Cytを2D半導体材料であるMXeneと複合化し、ヘテロ接合センシング構造を構築しました。マルチスケールキャラクタリゼーション手段と理論計算を通じて、その中のカスケード電子移動センシングメカニズムを体系的に解明しました。すなわち、エチレン分子がCu+活性部位に特異的に捕捉されると、電子はまずエチレン分子からCu2Cytへ伝達され、その後さらにp型半導体であるMXene基板へと移動します。このプロセスにより、MXene中の正孔キャリア濃度が低下し、電極抵抗に規則的な変化が生じ、最終的にエチレンガス濃度の高精度なモニタリングが実現されます。

研究チームはさらに、センシングチップ、テスト回路、通信モジュールなどのコンポーネントを統合し、ウェアラブルセンシングシステムを構築し、2つの中核的なシーンで検証を完了しました。農業シーンでは、このセンサーを植物や果実の表面に直接貼付でき、エチレンガスの放出パターンを連続的かつその場でモニタリングし明らかにすることができ、植物の成長、青果物の収穫後保鲜、コールドチェーン物流における品質管理などに対して、非侵襲でリアルタイムなモニタリング手段を提供します。産業シーンでは、このセンサーは化学パイプラインからのエチレン漏洩に迅速に応答し、フレキシブルで分散型の産業安全モニタリングに低コストのソリューションを提供します。

河南農業大学・機電工程学院・農業工学科の2023年次博士課程学生である許露露氏と、タバコ学院の張渤海先生が、本論文の共同第一著者です。河南農業大学の若手トップ人材である呉俊鋒教授と胡建東教授、鄭州大学の周震教授が共同責任著者です。この研究は、河南省科技研發計画共同基金（No. 242103810027）および河南農業大学トップ人材特別資金の支援を受けました。