學位論文
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Item 陽極氧化鋁靜相之金屬碟式氣相層析管柱研製(2024) 范智傑; Fan, Chih-Chieh本研究以金屬加工的方式開發出新型的氣相層析(Gas Chromatography, GC)管柱，在以鋁為底材的微流道中，生長陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide , AAO)作為氣相層析的靜相。依照不同的微流道製造方式以及陽極氧化鋁的生長條件，研究分為三大部分。第一部分為在毛細鋁管當中直接生長陽極氧化鋁，第二及第三部分為在沖壓製成的鋁微流道中生長陽極氧化鋁，並封裝製成封閉的流道結構。第一部分在毛細鋁管當中直接生長陽極氧化鋁，毛細鋁管使用抽拉的方式製成，為所有流道結構當中最穩定且截面最接近理想的圓形者。但因為陽極氧化鋁的生長過程受到電流及電解液的限制，而毛細管的截面不足以提供適當的生長條件，因此在數米的尺度上難以製備出均勻的靜相。作為本研究的首次嘗試，這樣的流道製造方式所得到的初步層析表現，對於後續的研究來說是相當重要的參考。由於陽極氧化鋁的生長需要相當的電流以及充分攪拌的電解液，第二部分開始嘗試在平板結構上加工出微流道，在硫酸中生長陽極氧化鋁之後，以封裝的方式來完成整個封閉流道。鋁作為一個相當難以焊接的金屬，再加上應用在氣相層析而不能使用加熱會產生揮發性物質的有機封裝材料，流道封裝技術的開發在本研究當中是相當重要的關鍵。第二部分的研究首次有效地做出以陽極氧化鋁作為靜相的氣相層析管柱，並進行了C1-C15直鏈烷類的分離。由於多孔粉末塗布的條件限制，商用氧化鋁管柱的可操作溫度較為受限，本研究則不受此限制，同時分離如此大沸點範圍的分析物在氧化鋁管柱當中為首見。第三部分則是在第二部分的基礎之上進行管柱結構與陽極氧化鋁表面的優化。第二部分使用的製程雖然能最快速生長最厚的陽極氧化鋁，但其表面極性太強，只能針對烷類化合物進行有效的分離，另外靜相厚度太厚也會對分離的效果造成不利的影響。第三部分研究改為使用草酸二次陽極氧化，使用較薄的靜相，並重新開鋼模，將流道內徑縮小並優化與封裝製程之間的配合。除了在理論板數的表現上有顯著進步之外，能分離的化合物範圍也從只有烷類拓展為烯類、芳香烴以及鹵烷類等化合物，最後再更進一步使用油酸進行表面化學修飾，能夠分離部分含氧及含氮的有機物，在應用上已慢慢接近商用管柱的水準。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 微小化介電質氮氣電漿放射光譜應用於氣相層析偵測器之研製(2013) 洪德裕; Te-Yu Hung本研究成功發展出微小化介電質放電電漿裝置應用於氣體偵測，此微小電漿氣體偵測器的電極是以白金線四周包覆玻璃製作而成，且電極間距為200 μm。當在兩端電極連接高壓產生器，施加電壓8 kVp-p、頻率67 kHz正弦波形的交流電源，可在常壓環境下形成穩定電漿，電漿放電體積約為80.0 nL。本研究以氧氣、氫氣、空氣及氮氣四種氣體做為載流氣體進行測試，其中以氮氣作為背景氣體，最容易產生電漿。當有機揮發性氣體通過電漿區域時，有機物會與氮氣形成碳氮鍵，以光譜儀偵測放射光譜在384 nm的地方會有明顯光譜訊號產生。本研究也進一步探討流速、電壓、採樣袋背景氣體與訊號反應的關係，氮氣電漿對於烷類、醇類、酮類、酯類、芳香族及鹵化物等各種官能基有機氣體通過時，在光譜儀上皆有類似的訊號反應，並且會隨有機氣體碳鏈的長度增加放射光譜的訊號強度。在本研究的測試系統中，偵測極限已達到0.54 ng，此裝置具備微小、價格低廉、不耗損電極、可使用成本較低的氮氣作為載流氣體以及高靈敏度等優點。Item 多靜相平行分離微氣相層析晶片研究(2013) 曹湘薇本研究藉由微機電製程技術 (Micro electro mechanical system, MEMS)製作多管柱平行分離氣相微層析晶片 (μ-column)，在微層析晶片內分別塗佈上具有不同選擇性的靜相材料：polydimethylsiloxane (DB-1)、polyethylene glycol (DB-WAX)、trifluoropropylmethylsilicone (OV-210)，利用靜相材料對揮發性氣體 (VOCs) 不同的滯留效果可同步獲得三張層析圖譜。微小化氣相層析儀中利用致冷片對微層析晶片進行控溫，本研究利用致冷片對晶片進行控溫進而達到 0 ℃ 的溫度，使管柱分離效果提升。實驗中探討流速、分流比、溫度對化合物在管柱中分離的影響，並找出實驗最佳條件，提升圖譜分離效果。在最佳條件下進行實驗可以在各管柱長僅 1 公尺的情況下分離 12 種沸點以及極性相異的化合物，並只花費 250 秒的時間。任一化合物在固定實驗參數下進行實驗，可同時獲得三張在不同靜相的層析圖譜，進而得到三組不同的滯留時間，三組滯留時間可作為其定性判斷的依據，協助進行化合物的判別。Item 利用氣相層析儀結合加速規及麥克風氣體感測器線上定量檢測硼烷氨的氫氣釋放濃度(2013) 林建宏; Chien-Hung Lin本研究首次使用加速規 (accelerometer)作為氣相層析儀 (gas chromatography; GC) 的氣體感測器。將微型哨 (milli-whistle) 連接於氣相層析管柱出口端，當管柱層析物與鞘流氣體通過哨式偵測器時便會發出聲音，產生的聲頻可以用麥克風接收，哨子的振動則由加速規測量，再透過快速傅立葉轉換 (fast Fourier transform; FFT) 即可得到頻率。分析物選擇加熱時能夠釋放氫氣的儲氫材料硼烷氨 (ammonia borane; NH3BH3)。實驗結果顯示，無論是聲波或微型哨身的振動，所產生的頻率是相同的。根據頻率的變化量線上即時測定氫氣的釋放濃度。本實驗使用自組裝電磁閥注射裝置，將硼烷氨放置在注射裝置的樣品槽內加熱，釋放的氫氣以 0.5 分鐘為間隔注入 GC 分離系統，可以即時定量每次注入的氫氣濃度。研究中發現以靜電紡織技術，將硼烷氨包覆在聚碳酸酯纖維 (polycarbonate; PC) 的微管陣列薄膜中，可以降低釋放氫氣所需的溫度，這將使得儲氫材料的適用性更為廣泛。研究結果，每 1.0 mg 的硼烷氨在溫度範圍 85 - 115 ℃中可以產生的氫氣量為 1.0 ~ 1.25 mL。Item 氣相層析-哨式偵測器/加速度規感測器對無機氣體的分析與研究(2013) 吳卉馨; Hui-Hsin Wu本研究發展在氣相層析法中使用加速度規感測器來偵測無機氣體。將一迷你發音哨連接於氣相層析管柱的後端，取代傳統的氣相層析儀偵測器。當載流氣體與待測物氣體通過迷你發音哨時，產生聲音，造成振動變化，可以使用加速度規感測器來記錄。點燃傳統中國的沖天炮內的推進劑與爆炸劑，將會釋放高含量的二氧化硫、氮氣和二氧化碳無機氣體，並可以利用氣相層析/哨式偵測器-加速度規感測器系統做快速偵測。這裡描述的方法是安全的，儀器裝置亦是嚴謹，具有潛力被改良成為可攜式裝置。由於火焰離子偵測器對二氧化硫、氮氣、二氧化氮和二氧化碳難偵測，以及熱導偵測器需要使用氦氣，而此系統可以分別與火焰離子偵測器或是熱導偵測器結合來使用。Item 以氣相層析/微哨偵測系統同步監測鐵在發藍處理過程中產生的氫氣濃度變化(2019) 陳宇儂; Chen, Yu-Nung工業上大多以酸洗（黑色氧化）的方式來進行鐵的除銹或防鏽，本研究選用沒食子酸代替業界常用的鹽酸來進行藍染防鏽的實驗。鐵在酸性的環境下會氧化成成二價鐵離子，同時還原溶液中的氫離子並釋放氫氣，其中鐵離子會與沒食子酸進行錯合反應，使得金屬表面形成黑色的四氧化三鐵保護層，藉此防止進一步的氧化生鏽，而由於二價鐵離子與沒食子酸的反應機制複雜，生成的錯合物種類也較為繁多。故本實驗欲簡化以偵測氫氣的方式，進行反應的即時同步監測，儀器選用實驗室自行研發的微哨偵測器，結合氣相層析儀以及全自動進樣系統，過程中會以LabVIEW程式控制進樣流程並搭配NI-4461音效卡進行音頻擷取和數據分析，計算後轉換成氫氣的生成速率，最終以SEM和銹蝕照片的方式討論酸洗處理過後的鐵片，再經浸水氧化的生鏽程度差異，希望藉此得到較佳的防鏽處理配方以延長鋼鐵染黑的使用壽命。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 應用氣相層析儀/哨子技術探討酸性溶液對種子萌發及呼吸作用的影響(2017) 黃筱粧; Huang, Xiao-Zhuang本研究以氣相層析/聲波感測方式，長時間對綠豆種子發芽過程中的呼吸商 （每分鐘氧消耗量和二氧化碳產生量之比；Respiratory Quotient）進行即時偵 測。藉由計算呼吸作用反應的速率常數與溫度之間的關係式，依照 Arrhenius 方程式作圖，成功獲得不同溫度及不同 pH 之下的反應活化能。 氣相層析/聲波感測法是利用串接在氣相層析管柱尾端的微哨感測器，當種子 發芽過程產生的氧氣與二氧化碳，經氣相層析管柱分離後，會在哨子端產生不 同頻率的聲波。經快速傅立葉轉換後，可以得到頻率即時的層析圖譜。呼吸商則可以用來了解各種營養基底被利用的比例。呼吸商為 1 時， 能量主要由碳水化合物供給。本實驗先配製不同p值的溶液（pH 值：3～7），在暗室中進行不同溫度（溫 度：25～30 度）的綠豆呼吸作用反應，並同步長時間測量呼吸商的數值（每 5 分 鐘測量一次，連續 12 小時的即時線上記錄監測）。實驗結果發現，酸性越強的溶液中，種子的呼吸速率也隨之下降。在中性的環境下(pH, 7.0)，萌芽前 的 5 個小時內，呼吸商的數值都非常接近 1。這表示此階段主要是以碳水化合物作為呼吸作用的養份來源。而隨後的 8 個小時內，呼吸商逐漸降至 0.6以下。這表示養份的利用將逐漸轉成為其他成分。此外，種子在酸性溶液中，碳水化合物的利用容易受到抑制。但是，如果將 II 溫度增加的話，葡萄糖被抑制使用的情況可以得到舒減。由上述的實驗結果，依照 Arrhenius 方程式作圖，可以得到不同條件下的反應活化能。在溶液的 pH 值為 3, 4, 5, 6, 7 的情況下，反應 活化能分別為17.5834,17.0047,16.2955,11.5170,11.2704 kJ mol-1。尤其當 pH=3 時，活化能為 17.5834，明顯大於其他 pH 值之下的活化能，清楚說明了強酸的情況下需要較大活化能才能維持種子萌發的生理機能。 利用本實驗裝置可以即時分析種子發芽時所需要的最佳 pH 環境及最佳溫度。本研究所開發的裝置，非常容易用來探知呼吸最緩慢的條件。日後可應用在蔬 果食品保存或魚鮮肉類輸送過程，所需節能省碳等的最佳條件。