4-1 大腸桿菌去活化分析
本論文目的為改善殺菌效率，故希望能用較少能量、較少時間消 滅較多細菌，故本節內容以光通量所能消滅細菌數、消滅單位細菌所 需要的能量以及消滅單位細菌所需要的脈衝數三方面來探討隨時間 變化的實驗結果。
1. 隨著照射時間增加，光通量取對數與所消滅細菌數取對數的變化 細菌或病毒在一段時間內單位面積獲得的能量是很常被研究 且可用來分析殺菌效率的物理量，在生物實驗中我們稱它為光通 量。
瀏覽文獻後我們發現不同的殺菌方法下，殺菌效率各有不同，
但與光通量都有一定關係，例如 2008 年 Natasha Vermeulen 使用 458nm 可見光連續波雷射對 0.1ml 體積的大腸桿菌照射，在光通量 取對數為 2.5 時有 90%的殺菌量[27]。2009 年 Michelle Maclean 使 用 405nm 發光二極管陣列對 2ml 體積的大腸桿菌照射，在光通量 取對數為 2.03 時有 90%的殺菌量[28]。因此我們設計此實驗希望 結果是更有效率的。
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Acapillary -2.8 BCapillary 11
Amicro-fluid -0.9 Bmicro-fluid 7.7 y=Ax+B
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性的負相關(由於是雙對數圖故可知為非線性吸收)，而在毛細管 系統中，需要超過臨界的光通量才會有顯著的殺菌效果。
ii. 本實驗細菌數取對數的初始值為 7.56，在殺菌率達到 90% 也就 是細菌數取對數的值為 6.56 ( 見圖 4.3 中 LD 90:6.56 紅色橫向虛 線 )時，微流道系統需要的光通量取對數為 1.25(見圖 4.3 中紅色 縱向虛線)即光通量為 17.8 J/cm2，而 毛細管系統需要的光通量取 對數為 1.61(見圖 4.3 中紅色縱向虛線)即光通量是 40 J/cm2。推測 是由於毛細管系統處理的菌液量是微流道系統的十倍，故毛細管 系統對光通量的利用率較低。
iii. 雖然毛細管系統對光通量的利用率較低但一次可處理較多體積 的菌液，比前人的殺菌效果都要好，達到預期的改善殺菌效率的 目標。而微流道系統對光通量的利用率較高但一次可處理的菌液 體積較少，殺菌效率沒有達到預期目標，但由於此系統尺度較小 在光通量小於 10 時仍可做出精確的數據，可補全毛細管系統數 據的不足，故以下實驗仍會繼續討論。
2. 隨著照射時間增加，平均一隻細菌所接收到的能量變化
上一個實驗我們算出殺菌率達 90%時，脈衝雷射所需的能量 以及照射時間的乘積，也就是光通量的數據。但光通量這個物理 單位對一般人而言並不直觀，因此我們將橫軸光通量單位轉為平
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均一隻細菌所接收受的能量，如此可直觀感受到在我們實驗中單 一細菌所需的能量非常小即可達到 90%殺菌效果。
微流道系統(大腸桿菌菌液處理量為 0.1ml)
0 500 1000 1500 2000 2500
6.0 6.5 7.0 7.5
Log(cfu/ml)
nJ/per bacteria (nJ)
圖 4.4 微流道系統:消滅單位細菌所需能量對細菌數取對數做圖。
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毛細管系統(大腸桿菌菌液處理量為 1ml)
0.0 5.0E4 1.0E5 1.5E5 2.0E5 1
2 3 4 5 6 7 8
Log(cfu/ml)
nJ/per bacteria (nJ)
圖 4.5 毛細管系統:消滅單位細菌所需能量對細菌數取對數做圖。
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Acapillary -2.94 BCapillary 16
Amicro-fluid -0.9 Bmicro-fluid 9 y=Ax+B
微流道系統&毛細管系統
0.0 5.0E4 1.0E5 1.5E5 2.0E5 1
nJ/per bacteria (nJ)
圖 4.6 微流道系統&毛細管系統:消滅單位細菌所需能量對細菌數取
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A 代表每增加 10 倍能量，細菌數的衰減量取對數。
Bmicro-fluid代表細菌數取對數的實驗初始值，約為 7.56。
BCapillary等於 16 並非為細菌數取對數的實驗初始值，這是由於毛細管
系統中存在臨界光通量的現象(見章節 4.2 有較詳細說明)，故在能量 取對數為 2.9 時帶入的求得的 BCapillary才是細菌數取對數的實驗初始 值。
由圖 4.4、4.5、4.6 和 4.7 可看出三件事情
i. 兩個系統在殺死一隻細菌所需能量取對數相對於細菌數取對數做 圖方面都是線性的負相關(由於是雙對數圖故可知為非線性吸收)，
特別地是在毛細管系統中，需要吸收超過臨界能量才會有顯著的 殺菌效果。
ii. 本實驗細菌數取對數的初始值為 7.56，在殺菌率達到 90% 也就是 細菌數取對數的值為 6.56 ( 見圖 4.7 中 LD 90:6.56 紅色橫向虛線 ) 時，微流道系統平均每隻細菌所接收的能量取對數為 2.77(見圖 4.7 中紅色縱向虛線)即能量為 589nJ，而 毛細管系統平均每隻細菌所 接收的能量取對數為 3.18(見圖 4.7 中紅色縱向虛線)即能量為 1513nJ。推測是由於毛細管系統處理的菌液量是微流道系統的十 倍，故毛細管系統對能量的利用率較低。
iii. 2008 年 Natasha Vermeulen 對 0.1ml 體積的大腸桿菌照射，平均每
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隻細菌所接收的能量為 10625nJ 時有 90%的殺菌量，2009 年 Michelle Maclean 對 2ml 體積的大腸桿菌照射，平均每隻細菌所接 收的能量為 3600 時有 90%的殺菌量，與毛細管系統相比，相同的 殺菌效果下，毛細管系統所需的能量較小，顯示我們的系統提高 了能量利用率。
3. 隨著照射時間增加，殺死一隻細菌所需的脈衝數
前兩個實驗探討能量與殺菌率的關係，而要提高效率我們還 希望能縮減實驗時間也就是縮減所需打的脈衝數，故接下來我們 將橫軸換成脈衝數做討論。
微流道系統(大腸桿菌菌液處理量為 0.1ml)
0.0 5.0E4 1.0E5 1.5E5 2.0E5 6.0
6.5 7.0 7.5
Log(cfu/ml)
# of pulse/per bacteria
圖 4.8 微流道系統:消滅單位細菌所需脈衝數對於細菌數取對數做圖
40
毛細管系統(大腸桿菌菌液處理量為 1ml)
0.0 5.0E7 1.0E8 1.5E8 2.0E8
1
# of pulse/per bacteria
圖 4.9 毛細管系統:消滅單位細菌所需脈衝數對細菌數取對數做圖 微流道系統&毛細管系統
0.0 5.0E7 1.0E8 1.5E8 2.0E8
1
# of pulse/per bacteria
圖 4.10 微流道系統&毛細管系統:消滅單位細菌所需脈衝數相對於 細菌數取對數做圖。
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Acapillary -2.78 BCapillary 23.5
Amicro-fluid -0.9 Bmicro-fluid 10.8 y=Ax+B
Log(# of pulse/per bacteria) LD(90):6.56
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吸收)。
ii. 本實驗細菌數取對數的初始值為 7.56，在殺菌率達到 90% 也就 是細菌數取對數的值為 6.56 ( 見圖 4.11 中 LD 90:6.56 紅色橫向 虛線 )時，微流道系統每隻細菌所接收的脈衝數取對數為 4.77(見 圖 4.11 中紅色縱向虛線)即脈衝數為 53700 個，而 毛細管系統每 隻細菌所接收的脈衝數取對數為 6.1(見圖 4.11 中紅色縱向虛線) 即脈衝數為 1288000 個。推測是由於毛細管系統處理的菌液量是 微流道系統的十倍，故毛細管系統對脈衝數的利用率較低。
iii. 脈衝數除以脈衝重複頻率即為曝光時間，故殺菌率達到 90%時，
微流道系統每隻細菌平均受照射時間為 0.655ms，毛細管系統每 隻細菌平均受照射時間為 15.7ms。微流道系統中單一細菌所需的 處理時間較短，以單一細菌所需的處理時間作為效率最重要考量 的話微流道系統較有效率。
4-2 臨界能量&臨界光通量
臨界光通量
由圖 4.1 和 4.3 可知在毛細管系統中，需要超過某個特定的光通 量才會有顯著的殺菌效果，此值即為臨界光通量。如圖 4.12 所示。
計 算 結 果 顯 示 臨 界 光 通 量 取 對 數 為 1.32 ， 即 臨 界 光 通 量
=21(J/cm2)。
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脈衝雷射照射 1 小時、使用能量為 10mW 的脈衝雷射照射 2.5 小時 以及使用能量為 5mW 的脈衝雷射照射 5 小時這四項實驗。
0 50 100 150 200 250
0 1 2 3 4 5 6
Fixed Fluence to 810 J/cm2
Log ( cfu/ml)
Power (mW)
y=Ax+B
A 0.001 B 6.5
A 代表隨著能量改變，細菌數取對數值的變化，在此圖中 A 趨近於 零，代表細菌數取對數的值不隨能量改變。
B 顯示目前能量下(50mW-250mW)照射一小時後細菌數取對數值。
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Fixed Fluence to 125 J/cm2
Viability (%)
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4-3 最佳化設計流道
利用 4-1 與 4-2 所做實驗，我們得到結論，首先雷射能量要大於 臨界值 25mW，並妥善利用雷射光束即可得效率的流道設計。
毛細管系統中能量的利用率較低是因為流道太深，且菌液經過來 回抽取易有已死亡的細菌與尚未死亡的細菌混合不均勻的現象，使目 前毛細管系統的效率只能達到 5 個小時殺菌 1ml 的菌液(相當於 1 小 時殺菌 200μl)，而微流道系統中脈衝數利用率較低是因為流道太淺，
故每次雷射脈衝能打到的細菌太少。結論是要設計新的系統，其尺寸 介於毛細管系統與微流道系統之間。如圖 4.14 所示
圖 4.14 最佳化流道示意圖
設計新流道寬度與雷射光點大小相同，深度擴增為 2400μm，此 時的截面積將為最大(能量均在尖峰能量 = 1GW 以上)。
由圖 4.16 可知原本微流道系統在流速為 0.02ml/Hour(光通量
=64.5(J/cm2))時殺菌效果為 LD99 (細菌衰減量對數 Log reduction = 2)，
故重複流 2 趟細菌衰減量對數(Log reduction) 可達到 4。
由於截面積增加，此時新流道在相同光通量、相同殺菌率(LD99)
Inlet Outlet
Length: 24µm
Width: 24µm depth: 2400µm Spot size
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Survival Rate (%)
Velocity (ml/hour)
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