3-1 儀器裝置
3-1-1 電磁閥進樣器
此實驗使用氣相層析儀監控式氫材料在變溫下的放氫能力與即 時釋氫狀態，所以需要長時間下定時注射樣品，因此系統不採用一般 氣相層析儀手動注射針的進樣方式，以電腦控制的方式全程自動進樣。
配合電腦自撰 LabVIEW 軟體控制系統進樣 (圖3-5)。
電動進樣器的構造如圖3-1，主體由原電磁閥改裝，主要是在樣 品槽構造上作改良，樣品槽內有兩種內徑的溝槽，能夠依照樣品大小 塡裝，大內徑槽中可以裝填玻璃珠 (beads) 減少頂空，避免 dead volume 過大造成氣體殘留。針頭為市售替換式 GC 注射針頭，上下 兩端都套上 GC 墊片環 (septa) 有止洩作用，另外可防止針頭拔出注 射口時針頭脫落，針頭款式可以配合實驗需求更換。
進樣訊號是從 NI PXI 6221 輸出輸出 5 V 電壓，傳送到 2003 驅 動器轉換成 24 V 電壓供給電池閥產生磁力使鐵製撞針吸引開啟。電 磁閥控制示意圖及驅動器內部線路如圖 3-3。當電磁閥未通電時，雖 樣品槽與 GC 汽化室相通，但未通電時壓力則與汽化室平衡，故樣 品若不是大量釋放氣體則可以忽視；電磁閥通電時，背景壓力推擠樣 品槽中氣體進入 GC 即完成進樣。
26
圖 3-1 全自動進樣電磁閥儀器相片
圖 3-2 全自動進樣電磁閥儀器剖面示意圖
28
(a)
(b)
圖 3-3 訊號電壓轉換系統 (a) 整體裝置圖 (b) 驅動器內部線路圖
3-1-2 偵測裝置系統
實驗儀器的氣相分離系統使用安捷倫 (Agilent Technologies) HP 5890，樣品由 GC 注射口進入分離系統，經過層析過後進入 Tee 型 匯流管，同時 Tee 型匯流管另一端通入鞘流氣體，輔助微型哨發出 聲音，哨口放置熱電偶感測溫度。哨子持續發出聲音，聲波由市售麥 克風量測，再經過 NI PXI 6221 音效介面卡將聲音轉換為數位訊號。
人機介面軟體使用自撰程式操作。加速規則是由巨富克公司所提供，
用蜜蠟黏貼於哨身，產生的振動由訊號分析軟體 (FleXense STD) 並 搭配 NI cDAQ-9171 利用傅立葉轉換進行訊號處理。
圖 3-4 偵測裝置系統示意圖
30
3-1-3 LabVIEW 軟體程式
由於阿達碼轉換的計算方式相當繁雜，因此以 LabVIEW 來輔 助運算。LabVIEW ( Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) 是由美商國家儀器 (National Instruments, Austin, Texas, USA) 所開發的圖形化程式編譯平臺，發明者為傑夫考度斯基 (Jeff Kodosky)，程式最初於1986 年在蘋果電腦上發表。
LabVIEW 率先引入虛擬儀表 (virtual instrumentation) 概念，在 圖形化程式語言 (graphicallanguage, G-language) 環境下，使用者可透 過人機介面 (front panel) 直接控制自行開發之儀器。
此外，LabVIEW 提供的函式庫包含：訊號擷取、訊號分析、機 器視覺、數值運算、邏輯運算、聲音振動分析、資料儲存…等，目前 可 支 援 Windows 、 UNIX 、 Linux 、 Mac OS 等 作 業 系 統 。 由 於 LabVIEW 圖形化程式語言提供了簡單易懂的開發環境，縮短開發原 型 (proto-type) 的速度並使日後的軟體維護更加方便，因此逐漸受到 系統開發及研究人員的喜愛，目前廣泛地被應用於工業自動化之領域。
此外，LabVIEW 在通訊介面方面支援 GPIB、USB、 IEEE 1394 、 MODBUS 、 SERIAL 、 PARALLEL 、 IRDA 、 TCP 、 UDP 、 Bluetooth、.NET、ActiveX、SMTP…等。LabVIEW 2010 引入了物件 導向之程式設計概念，使其更接近一個完整的程式語言。
本研究使用兩種套編寫的 LabVIEW 程式輔助實驗：
1. 進樣程式
目的是希望能夠將序列由程式內輸入指令，達到連續進樣的目的，
由電腦輸出信號使進樣器依照指定時間進樣，可輸入的指令有樣品進
樣時間及插零數目如圖3-5，第一步輸入樣品進樣次數，接著第二步 輸入零的數量，第三步則是將所輸入零的數量插進每一個 code 之後，
便可得到最終的序列，第四步再執行每個 code 所需的時間，便可將 序列由電腦傳輸至進樣器作用。例如：進樣次數 111，零的數量為 1，
所得第三步整和的序列便為 1010101010，再依照輸入時間假設為 300 ms，則訊號總共耗時 3000 ms。
圖 3-5 電動進樣的 LabVIEW 程式
32
2. 哨式偵測器收音程式
使用 LabVIEW 內建程式將麥可風接擷取聲音正弦波，收到的聲 波經過電容式麥克風轉化為的微小電壓變化，再由 NI 音效卡 PXI 4461 快速接收，速度 (rate) 以每秒 40 k 的速度截取，其頻率收音 範圍可達對 20 kHz，數據數量 (number of sample) 輸入 4 k ，通過 快速傅立葉轉換，觀測到單音聲頻。轉換後數據擷取速度為 10 秒收 取一個數據值，此程式將龐大音訊數據簡化避免佔據記憶體空間，即 時的將聲頻轉化直接記錄存檔。
圖 3-6 哨式偵測器收音的 LabVIEW 程式
3-1-4 氣相層析儀
氣相層析儀 (Gas Chromatography, GC) 分離方法是將樣品注射 至 GC 中，藉由惰性氣體攜帶樣品蒸氣通過層析管柱分離，分離後 的分析物再進入偵測氣中進行檢測。
氣相層析是色層分析法的一種，廣泛應用於揮發性與半揮發性有 機化合物的檢測，近年來毛細管管柱的高解析度、高靈敏度，且能分 析低濃度成分複雜樣品。因此，對於微量化學物種的鑑定以及微量環 境分析上有非常顯著的貢獻。GC 原理是將樣品注入後在注入端 (inlet) (圖3-7) 受熱氣化，由載流氣體 (carrier gas) 推送至層析管柱，
不同物質與固定相 (stationary phase） 和流動相 (mobile phase) 間相 對作用力不同會產生移動速率的差異，藉此達到分離效果。
圖 3-7 氣相層析儀注入端示意圖
34
氣相層析儀主要可分成二個部分：1 . 注入端、2 . 分離系統：
1. 注入端
樣品進入注入端內的汽化室，在汽化室中因為高溫汽化或自然揮 發汽化。在汽化室有三種常見的注入系統：分流 (split)、不分流
(splitless）、管端注射 (on-column)，其特性與優缺點如表3-1。
表 3-1 注入系統的比較
2. 分離系統
分離的機制是因為流動相與固定相交互作用下的結果。一般而言 氣相層析中所使用的流動相必須是不易與固定相和樣品作用的鈍性 氣體，如 H2、He、N2、Ar 及 N2 等。而流動相的控制方式可分成 固定壓力與固定流速的方式。影響層析分離的另一個因素是固定相的 組成，固定相指的是層析管柱的填充物。管柱可分為填充式管柱與毛 細 管 管 柱 兩 大 類 ， 而 毛 細 管 管 柱 又 可 分 為 ： 管 壁 塗 佈 開 管 式 (wall-coated open tubular, WCOT)、支撐物塗佈開管式 (support-coated open tubular, SCOT)、熔融矽開管式 (fused silica open tubular, FCOT）， 表3-2 各種管柱的比較。另外，層析管柱裝設於可程序調控溫度的烘 箱中，烘箱溫度愈高流動相的動能也愈高，使流動相與固定相之間的 平衡改變增加移動速率，因此，適當的升溫程式將可提高分離效率。
表 3-2 各種管柱的比較
管柱類型
FSOT WCOT SCOT 填充式 長度(m) 10～100 10～100 10～100 1～6 內徑(mm) 0.10～0.53 0.25～0.75 0.5 2～4 效率(plates/m) 2000～4000 1000～4000 600～1200 500～1000
樣品量(ng) 10～75 10～1000 10～1000 10～106
相對背壓 低 低 低 高
相對速度 快 快 快 慢
化學惰性 佳 最差
36
3-1-5 電紡裝置系統
電紡的微管陣列薄膜技術，儀器如圖 3-8，此技術是將外管高分子 溶液 PC 和內管 AB 溶液，使用針筒幫浦推送入雙通道紡頭，再施 加高電壓，聚合物溶液表面累積的電荷斥力直到突破溶液表面張力，
因電場吸引往接地端射出，形成泰勒錐。噴出的聚合物溶液在飛行過 程中使溶劑揮發，經過收集器延展而變為奈米級纖維。微管陣列薄膜 技術可以將 AB 微小化包進聚合物纖維中，微米化的 AB 增加面積 降低反應溫度。
圖3-8 微管陣列薄膜紡織裝置系統示意圖
3-1-6 纖維製作方法
靜電紡絲參數會影響紡絲纖維型態，經由改變施加電壓、紡絲距 離、溶液流速、溶液濃度及噴嘴口徑等參數會改變纖維直徑，甚至紡 絲溶液黏度、黏彈性、導電度、表面張力即溶劑揮發性也會影響紡絲 出來纖維的特性。本研究希望藉由調控靜電紡絲參數，利用兩種不同 溶劑系統，分為外管高分子容易與內管釋氫材料溶液，由同軸頭射出 再以旋轉收集器堆疊，製備出順向中空儲氫材料纖維。
以下為紡絲操作流程及參數設定：
外管溶液
秤取 6.6 g 聚碳酸酯 (polycarbonate, PC) 溶解於 27 mL 二氯 甲烷與 3 mL 四氫呋喃混合溶劑中 (v:v = 9:1) 高分子溶液。
內管溶液
秤取 1.5 g 聚氧化乙烯 (PEO) 與 1.5 g 聚乙二醇 (PEG) 溶解 於 30 mL 去離子水中，分裝三瓶 10 mL 溶液各別秤取 0.8 g、
1.4 g 與 2.1 g 硼烷氨 (AB) 溶解後分別是 20 %、30 % 及 40
% 釋氫材料溶液。
儀器參數使用電壓範圍為 3.5~7.5 kV，內外管流速為 5 mL/hr，紡絲 距離 4 cm。電紡後纖維放置陰暗處晾乾備用。
電紡儲氫纖維薄膜材質以 PC/ABX (Ｘ =20,30,40) 作為代稱。
38
3-2 儀器周邊設備及藥品列表
名稱 型號 製造廠商 示意圖或規格
GC 注射針 # 5182-3499 Agilent Technologies 10 L
進樣毛細管 FS, Undeactivated 160-2650 (2644)
(septum) 5183-4761 Agilent Technologies 11 mm
電磁閥 VX2110 SMC For air operating frequency 43 kHz
微量吸量器 research micropipet Eppendorf
1000-100 μL 100-10 μL 10-0.5 μL
高速離心機 Micro Centrifuge
SD mode Serial no︰026702 speed︰6000 rpm/min /1.5 ml
震盪混合器 FN-4S FINEPCR Range：4 mm
Speed：0~3000 rpm
微量天平 ER-120A AND max︰120 g d＝0.1 mg
真空離心
濃縮機 CVE-1000 Tokyo Rikakai
Speed ( 50/60 Hz )
：2750/3250 rpm 真空度：1333 Pa 以下
電腦 --- 自行組裝 Microsoft Windows XP,
Intel Pentium 4
電腦 PXI 1042Q National Instruments
類比/數位卡 PXI 6221 National Instruments
音效卡 PXI 4461 National Instruments
隔音室 --- 自行組裝
壓電式
加速度規 2250AM1-10 ENDEVCO
高感度
麥克風 Model 426E01 PCB Piezotronics
加熱器 HT-720 NEWLAB
40
藥品 來源 物理性質 結構式
氫氣 豐明氣體公司 分子量：2.016
純度 99.99 %
氦氣 豐明氣體公司 分子量：4.0026
純度 99.99 %
氧氣 豐明氣體公司 分子量：31.998
純度 99.99 %
合成空氣 豐明氣體公司 分子量：28.95
氬氣 豐明氣體公司 分子量：39.948
純度 99.99 %
二氧化碳 豐明氣體公司 分子量：44.009
純度 99.99 %
聚碳酸酯 Nytex 分子量：2.25 kD
硼烷氨 Sigma-Aldrich 純度 90%
聚乙二醇 Sigma-Aldrich 分子量：35 kD
聚氧化二烯 Sigma-Aldrich 分子量：900 kD
二氯甲烷 Mallinckrodt 純度 99.9 %
四氫呋喃 Tedia 純度 99.9 %