學位論文
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Item 以微型空氣電弧放射光譜研製氣相層析儀偵測器(2023) 陳平; CHEN, PING本研究製作一空氣電弧氣體偵測器並實際應用於氣相層析儀進行揮發性有機氣體偵測。利用石英管與市售不銹鋼針頭製作簡易電弧裝置，將電極連接高壓產生器，施加正弦波形高壓交流電激發空氣產生電弧。以空氣作為氣相層析儀載流氣體，當待測物通過電弧時，有機物會減弱電弧放光強度，並利用光譜儀分析空氣電弧放射光譜。進一步進行光譜儀參數、載流氣體流速、電場梯度等條件最佳化。於最佳化條件下此空氣電弧氣體偵測器有良好之再現性，對12種有機氣體進行量測均有良好的線性關係（R2＞0.997）。透過不同官能基反應性比較，推測本研究製作之偵測器對於含氧類及芳香族化合物反應性較高。除有機樣品偵測外也將此偵測器應用於無機氣體量測。另與可攜式微型氣相層析儀之光游離偵測器進行比較，相較光游離偵測器本研究製作之空氣電弧氣體偵測器可偵測較高游離能之化合物。本研究製作之空氣電弧氣體偵測器具有裝置微小、成本低廉、再現性高及高靈敏度之優點，偵測下限可達到210 pg，並使用價格低廉之空氣作為載流氣體，期許未來能應用於微型氣相層析儀。Item 氣相層析儀結合微型發音哨對氣體分析的開發與研究(2014) 賀怡珊; Yi-San He本研究利用微型哨式發音器(milli-whistle)結合氣相層析儀(gas chromatography, GC)，並使用麥克風為偵測器，將毛細管柱之載流氣體與外加輔助的鞘流氣體混合後，偵測混合氣流以受迫性的高速通過哨式發音器時的單頻聲音。此時，聲音藉由麥克風接收並同步以 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程式進行快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)，獲得即時聲音頻率，並探究頻率變化與分子量大小等對頻率影響的公式計算和探討。在最佳化實驗條件下頻率訊號半高寬約為 1.6 Hz，並以層析時間與即時發音哨之頻率作圖，即得氣相層析譜圖。與實驗結果比對後，發現不僅能成功地驗證理論推導公式，更可以應用在各式氣體樣品之中。透過本研究開發之理論公式可推估氣體樣品含有的氣體組成成分及含量，搭配分析物的滯留時間與頻率訊號的檢量線驗算，將能更精確地進行樣品的定性和定量研究。本研究進行檢測健康人體志願者之呼氣中含二氧化碳/氧氣比例、固相微萃取法(solid-phase microextraction, SPME)檢驗丙酮蒸氣的含量，以及硼烷氨類釋氫量與金屬酵素(metalloenzyme)釋氫量的理論計算，都得到與實際值或理論值相近的計算結果。此外，哨式發音器的製作有許多方法，本研究也比較了各種不同的構型，發現對於哨式發音器的感度和發聲頻率有很大的影響。Item 以飛秒雷射誘發多光子離子化質譜法與電子撞擊離子化質譜法分析人體呼氣中氣體分子及對離子化效率之比較(2019) 陳冠豪; Chen, Kuan-Hao本研究分別利用氣相層析電子撞擊式質譜儀(gas chromatography-electron ionization-mass spectrometry, GC-EI/ MS)以及飛秒雷射誘發多光子離子化飛行時間質譜儀(femtosecond laser-induced multiphoton ionization/time-of-flight mass spectrometry, FL-MPI/ TOFMS)研究並且比較非吸菸者／吸菸者呼吸氣體中成分的質譜資訊。藉由固相微萃取(solid phase microextraction, SPME)提升分析物訊號強度後，本研究能夠在人體呼氣樣品中檢測出40種以上的揮發性有機化合物(VOCs)其中有24種揮發性有機化合物可以被鑑定出來。GC-EI / MS利於偵測己烷(hexane)，乙脲(ethylurea)，甲苯(toluene)和檸烯(limonene)。相對的，FL-MPI/ TOFMS則利於偵測鄰二甲苯(o-xylene)，萘(naphthalene)和甲基丙基苯(methylpropyl benzene)等化合物。而有些化合物在兩種質譜儀中皆有被偵測到，例如丙酮(acetone)以及異戊二烯(isoprene)。除此之外，本研究亦利用FL-MPI/ TOFMS檢測同一名志願者吸菸後的呼氣樣品，發現其中含有有2,3-二甲基吡嗪(2,3-dimethly pyrazine)，2-甲基吡啶(2-methyl pyridine)和吡嗪(pyrazine)等化合物。GC-EI/MS和FL-MPI/TOFMS的組合，成功地為研究人體呼氣中的VOCs提供一種新的檢測方法。Item 使用氣相層析/哨音檢測技術對酵母菌固化微管陣列薄膜發酵過程中乙醇之即時監測(2016) 吳明儒; Wu, Ming-Ju在生質酒精的發展上，篩選發酵效果良好的菌株，是其中一項重要的環節。透過發酵反應過程中葡萄糖含量、乙醇產量、細胞活性隨時間變化的曲線，能幫助我們了解菌株的表現。但為了得到這些數據，研究人員得固守在儀器與反應裝置旁，佔用機器與研究人員的時間。另外，由於將微生物細胞固定後，能提升其代謝活性，提高其代謝產物產量，並降低抑制物質對細胞的影響。 本研究利用同軸靜電紡絲的技術，製作出包覆酵母菌的微管陣列薄膜，並以在本研究中自組裝的電磁閥進樣裝置與自組裝氣相層析/哨音檢測裝置，以五分鐘作為間隔，對於酵母菌發酵反應過程中產生的二氧化碳、乙醇進行自動化的即時線上偵測，並評估酵母菌在此薄膜應用於酒精發酵的表現。本次研究中，對包覆釀酒酵母的微管陣列薄膜一共進行11次發酵反應循環。二氧化碳訊號隨時間變化曲線的部分，由於電磁閥進樣器，一次只將反應槽少量氣體注入到分析儀器中，直到發酵反應結束為止，二氧化碳不斷累積，而當發酵反應結束後，二氧化碳不在產生，隨每次進樣的動作，反應槽內的二氧化碳逐漸減少，導致二氧化碳的變化曲線，呈現類似於高斯分佈，此曲線的頂點即是發酵反應結束地時間點，第一次至十一次發酵反應的時間分別為1.65、1.07、1.04、0.88、0.62、0.71、0.69、0.67、0.66、0.48、0.57天，此時間點的二氧化碳造成的頻率變化分別為26.54、31.70、31.13、37.35、43.50、45.94、46.72、45.18、50.80、60.88、59.25 Hz，經檢量線換算後，進樣的二氧化碳體積分別為64.20、77.03、75.62、91.07、106.36、112.42、114.36、110.53、124.50、149.55、145.50 μL。乙醇訊號隨時間變化曲線的部分，由於在定溫、定壓下，乙醇飽和蒸氣壓與溶液中乙醇濃度相關，因此可以乙醇的飽和蒸汽壓結果推估乙醇溶液的濃度，但在發酵反應結束時，乙醇無法在此時就達到飽和蒸氣壓，因此，在曲線達平衡的時間點相較於二氧化碳得到的結果有延遲的現象，此處取實驗中最後時間點收取的數據判斷乙醇的濃度。第一次到第十一次達平衡後乙醇造成的頻率變化分別為0.92、0.97、1.07、1.00、0.93、0.95、0.93、1.15、1.16、1.27、1.22 Hz，經檢量線換算後，乙醇溶液的重量百分比濃度分別5.15、5.59、6.92、6.33、5.75、5.96、5.77、6.18、6.25、6.96、6.64%，而理論產量為8.27%。由此數據能證實，透過氣相層析/哨音檢測技術能成功地對酵母菌微管陣列薄膜發酵過程進行有效的即時線上偵測，同時，也說明酵母菌微管陣列薄膜是一項在生質酒精發酵上具有潛力的技術。 另一方面，本研究同時也進行可攜式氣相層析/哨音檢測裝置的開發。開發的裝置，長36 公分、寬29公分、高17公分，總重6公斤，以氮氣作為載流氣體下，對氫氣、氦氣、氧氣、氬氣、二氧化碳，都有良好的線性結果，線性範圍都有兩個數量級，也能在管柱烘箱溫度60℃下，分離並偵測混合樣品中，氧氣、丙酮、甲醇、乙醇的訊號，顯示在此成功地開發可攜式氣相層析/哨音檢測裝置。Item 氣相層析音哨檢測法之3D列印哨的發展與應用(2015) 吳侑倫; Wu, You-Lun本研究承接氣相層析／音哨檢驗法的開發與研究，首次以3D列印技術製造各式不同的發音哨，用來求得最佳發音模型，以便作為日後微型化高靈敏度氣體檢驗元件之用。當本元件作為氣相層析儀的氣體偵測器時，可藉由麥克風接收頻率變化，透過音效卡記錄。在固定流速的情況下，發音哨的頻率變化會和通過的氣體分子平均分子量平方根成反比的關係，並以此搭配分離技術，可藉由數學公式計算直接得到氣體的未知濃度。相對於傳統的氣體檢驗方式，本元件不需以發光、發熱、燃燒或其他的化學變化去得到電子訊號，而是以物理的方式，只需比較頻率的變化量，即可進行定量分析。因此非常適用於各種氣體的檢測。實驗步驟先以耐熱溫度200度以上的工程用ABS (acrylonitrile butadiene styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)來做為塑料，使用3DS Max繪圖軟體設計出發音哨的3D立體結構，探討不同的實驗參數對發音的頻率、發音範圍以及發音強度的影響，尋找出最為穩定的發音結構。Item 氣相層析／音哨檢氣法對發酵製程中產生氣體之即時偵測法的研究(2015) 葉冠甫; Ye, Guan-Fu本研究使用微型發音哨，作為氣相層析儀的偵測器，藉由麥克風接收不同氣體經過發音哨時頻率的變化，透過音效卡加以記錄。當氣相層析毛細管柱之載流氣體與待分析的氣體混合後，因壓力差快速通過微型發音哨而發出不同頻率的聲響。即時的頻率變化量可藉由LabVIEW(Laboratory Virtual Engineer Workbench)程式同步進行傅立葉轉換，以獲得即時單一頻率。將此頻率變化對時間作圖，可得一即時層析音頻圖譜。本實驗便是依憑此音頻變化層析圖譜來進行實驗數據的即時分析。 為了提高發酵製醇的效率，本研究首次將學名為Saccharomyces cerevisiae的酵母菌株，以靜電紡織技術，將酵母菌包覆在聚左旋乳酸 (poly-L-lactide；PLLA) 的微管陣列薄膜中。酵母菌於室溫下約20小時會從106/mL 生長至108/mL，並於36小時後，生長至穩定。薄膜對酵母菌的活性不會有影響。使用包菌纖維可以解決發酵之後，乙醇溶液中移菌的困難步驟。再者，包菌纖維還可以回收持續使用，降低製造乙醇的成本。 本實驗使用自組裝電磁閥注射裝置，將發酵液放入注射裝置的樣品槽內，並將已包覆酵母菌的纖維共同置入發酵液中進行發酵。利用程式控制電磁閥，將發酵過程所產生乙醇的揮發氣體及二氧化碳等，以5分鐘的間隔，自動注入到毛細管柱中進行分離與記錄。實驗結果顯示，使用本實驗裝置，可以即時檢測並追蹤發酵程度，實驗過程可長達４日且完全自動化。根據頻率的變化量，可以即時偵測當下發酵液中乙醇的揮發氣體的濃度，並以其蒸氣壓判定溶液中乙醇的濃度。以1克的葡萄糖為起始物，用~106株酵母菌進行發酵時，在溫度28度之下，24小時後可以產生約0.12克的乙醇，並釋放出約20 mL的二氧化碳。三天發酵之中，合計生產了約0.43克的乙醇，並釋放出約41 mL的二氧化碳。將此包菌纖維進行第二次實驗，亦得到相同的結果,顯示本方法具有良好的再現性。