Flexible chemoresistive ethylene gas sensor at room temperature for rapid determination of the ripening state in perishable food

Abstract

A series of chemoresistive sensors based on ZnO-Ag (1 wt.%) films with different morphologies, including nanospheres (HM1 and HM2) and nanorods (HM3 and HM4), as well as a composite with ZnO and graphene oxide (GO) doped with Ag (HM5), were prepared for the detection of ethylene gas. All materials were dispersed in poly(vinylidene fluoride) with 1ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate as the ionic liquid and dropped onto polyethylene terephthalate-indium tin oxide (PET-ITO) slides with coupled silver electrodes. The resistance of the films was determined in the presence of different gases at concentrations ranging from 0 to 700 ppm by fixing a potential difference of 1.0 V. The gases tested were ethylene, carbon dioxide, ethanol, methanol, ethyl acetate, and isoamyl alcohol. The sensor's performance at room temperature (25 ºC) expressed as Response (%) increases linearly with the gas concentration. Samples structured as nanorods (HM3) and the ZnO-Ag/GO composite (HM5) showed the best sensing performance. Both samples exhibited a selectivity factor of ~100 % for ethylene, compared to ~12.0 % for isoamyl alcohol, ~5.7 % for ethyl acetate, ~2.1 % for ethanol, ~2.8 % for methanol and ~2.1% for carbon dioxide. The sensors also demonstrated high stability (both long-term and short-term) even in the presence of humidity. As a practical application, HM3 and HM5 sensors were successfully used for the dynamic monitoring of banana fruit freshness at room temperature (25 °C), comparing the results with a commercial ethylene sensor, as commercial method, and confirming their potential as cost-effective, low-power ethylene sensors.

Se preparó una serie de sensores quimiorresistivos basados ​​en películas de ZnO-Ag (1 % en peso) con diferentes morfologías, incluyendo nanoesferas (HM1 y HM2) y nanobarras (HM3 y HM4), así como un compuesto con ZnO y óxido de grafeno (GO) dopado con Ag (HM5), para la detección de gas etileno. Todos los materiales se dispersaron en poli(fluoruro de vinilideno) con tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazolio como líquido iónico y se depositaron sobre portaobjetos de tereftalato de polietileno-óxido de indio y estaño (PET-ITO) con electrodos de plata acoplados. La resistencia de las películas se determinó en presencia de diferentes gases a concentraciones que oscilaban entre 0 y 700 ppm fijando una diferencia de potencial de 1,0 V. Los gases ensayados fueron etileno, dióxido de carbono, etanol, metanol, acetato de etilo y alcohol isoamílico. El rendimiento del sensor a temperatura ambiente (25 °C) expresado como Respuesta (%) aumenta linealmente con la concentración de gas. Las muestras estructuradas como nanobarras (HM3) y el compuesto ZnO-Ag/GO (HM5) mostraron el mejor rendimiento de detección. Ambas muestras exhibieron un factor de selectividad de ~100 % para etileno, en comparación con ~12,0 % para alcohol isoamílico, ~5,7 % para acetato de etilo, ~2,1 % para etanol, ~2,8 % para metanol y ~ 2,1 % para dióxido de carbono. Los sensores también demostraron alta estabilidad (tanto a largo como a corto plazo) incluso en presencia de humedad. Como aplicación práctica, los sensores HM3 y HM5 se utilizaron con éxito para el monitoreo dinámico de la frescura de la fruta del banano a temperatura ambiente (25 °C), comparando los resultados con un sensor de etileno comercial, como método comercial, y confirmando su potencial como sensores de etileno rentables y de bajo