第二章 研究方法及原理
2-1 微哨聲波感測器
當混合氣體經由層析管柱分離後，在管柱末端串接上微哨聲波感 測器，藉由在進樣端施予背壓使得和哨子端間產生壓力差推動氣體從 管柱析流經微哨感測器。用麥克風讀取並記錄氣體通過微哨時所發出 正弦音波，透過編寫的 LabVIEW 程式進行傅立葉轉換成單一頻率的訊 號。透過程式紀錄得到的隨時間點下哨音頻率的變化，即為分析物的 層析圖譜。[39-41]
基於層析管柱的分離特性，混合氣體樣品經層析管柱分離後，個 個氣體組成會在不同的滯留時間析出通過微哨偵測器。由於微哨感測 器發出聲波頻率與分析物的平均分子量具有相關性，當通過的氣體分 析物的分子量與載流氣體的分子量不同時即產生頻率變化。藉由頻率 差的改變可進一步應用於定性與定量。
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2-1-1 微哨感測器的偵測原理
哨子的發音原理依據哨體之結構可分為主要三種:
狹縫音(Slit tone)
空氣推進單一狹縫產生漩渦式的氣體波動，在坑間中部段往來而產音 頻[42]。
圖 2-1 狹縫音結構
邊稜音(Edge tone)
氣體流經一個具有開口的尖端構造，在邊稜上下產生兩股週期性的渦 流氣體。共振腔的大小決定哨音頻率。[43]
圖 2-2 邊稜音結構
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空氣柱共振(Air column)
空氣柱所產生的自然共振取決於管柱的長度以及氣流的振動方向 [44]。
圖 2-3 空氣柱示意圖
6 波(standing wave)而發出聲響。閉管空氣柱頻率的相關公式如下:
f = vλ (公式 2-2)
f:閉管空氣柱頻率 v:聲波速度 λ:駐波波長
閉管空氣柱內的駐波，以介質在管內的振動的相對位置而言，開 口端為波腹(antinode)，閉口端則為波節(node)，兩者之間可有其他波 節，當駐波為管長 L 的四分之一個波長的奇數倍時為最小的頻率，稱 為基頻(fundamental frequency, n=1)，當管式空氣柱的振動頻率為基頻 的奇數倍時，統稱為泛頻(overtone, n=3, 5, 7…)，音頻波長與管內駐 波之波長關係如下:
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2-1-2 微哨感測器的開發設計
閉管式微哨偵測器是以內徑 1 mm、外徑 3 mm 的鐵氟龍管作為哨 子本體並以外徑 1 mm 銅線堵住前後端形成閉管式結構。詳細製作方 式如下:
1. 以單刃刀片切下長度 1 cm 的鐵氟龍管作為哨子本體，並在管壁 上切出 45°角切口形成邊稜之結構。
2. 利用鐵鉗將銅線截下兩段，以剉刀、砂紙將切口面磨至光滑平 整，其中一段磨成半圓柱狀，厚度可在 0.85 至 0.95 mm 之間，
置於哨體吹口處並對齊切口，另一段則置於哨子尾端。兩段銅 線之間的距離為空氣柱長度(L)。
鐵氟龍管切口、銅柱平滑程度將會影響微哨感測器的雜訊強度，
因此銅線切面務必要磨至光滑，也盡量不要傷到鐵氟龍管內壁。
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圖 2-4 哨子結構示意
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baseline ∆f = 0.07
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baseline ∆f = 0.07
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圖 2-8 GC/微哨偵測器搭配鎖相放大儀器架構圖
圖 2-9 訊號接收與轉換輸出程式
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圖 2-10 GC/微哨偵測器搭配鎖相放大儀器實際裝置
圖 2-11 截波器所使用的 3D 列印馬達輔助旋轉閥
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圖 2-12 利用截波裝置將聲波轉換成脈衝電壓訊號
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乙醯輔酶 A（Acetyl-CoA）
糖解作用形成的丙酮酸會進入粒線體中，轉變為乙醯輔酶 A，之後乙 醯輔酶 A 進入克氏循環。
檸檬酸循環（Citric acid cycle）
在細胞進行有氧呼吸的過程中，乙醯輔酶 A 與四碳化合物結合形成 檸檬酸，藉由酵素活化後檸檬酸分解，形成 3 個 NADH、1 個 FADH2、
2 個 CO2、1 個 ATP、以及四碳化合物。
電子傳遞鏈（electron transport chain）
將來自糖解作用和克氏循環的 NADH 與 FADH2 進入粒線體內膜上的 電子傳遞鏈，經過一系列氧化反應而以氧為最終電子接受者以產生 ATP。
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圖 2-13 醣類的呼吸作用
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2-2-2 呼吸作用指標
2-2-2-1 呼吸商(respiratory quotient, RQ)
呼吸商為生物體在同一時間內，釋放二氧化碳與吸收氧氣的體積 之比或莫耳數之比[55]。
呼吸商, RQ =
𝐂𝐎𝟐 𝐞𝐥𝐢𝐦𝐢𝐧𝐚𝐭𝐞𝐝𝐎𝟐 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐮𝐦𝐞𝐝
(公式 2-9)
在氧氣充足的情況下，用呼吸商的數值可推斷呼吸作用的營養基 質來源。當氧氣作為醣類( Cx(H2O)y )的氧化時，由於只用於與碳形成 二氧化碳，也就是說每釋放 x 莫耳 CO2 需吸收 y 莫耳 O2，故呼吸商 為 1。脂質完全氧化分解時，由於其分子中氫對氧的比例較糖分子高，
氧氣既需用於碳的氧化，也需要用於與氫的氧化。因此消耗較多的氧 氣，呼吸商小於 1（0.7～0.8）。另外，如果呼吸底物是有機酸，因 其相對含氧量高，呼吸商會大於 1。下表為不同營養基質來源的呼吸 商數值[56]。
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表 2-1 各種營養基質來源的呼吸商數值
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2-2-2-2 呼吸速率(Respiratory rate)
呼吸速率代表呼吸強弱的生理指標，它可以用單位時間單位重量 (乾燥種子重量)的植物组織或單位细胞所釋放的 CO2含量(Qco2)或吸 收的 O2的量(Qo2)來表示[57,58]。。
單位時間下𝐶𝑂2產量
乾燥種子重 (公式 2-10)
呼吸速率的測定可使用红外線 CO2氣體分析儀測定 CO2的釋放 量並以氧電極装置測定 O2吸收量；還有廣口瓶法、氣流法、微量呼 吸減壓法等。[59]
2-2-2-3 萌發率
發芽種子 粒數
供試種子粒數
× 100%
(公式 2-11)種子發芽率越高，說明種子飽滿，整齊度高，種子胚發育良好。
22 度，表示達到最適溫度(optimum temperature)，一般約在 25～35℃(溫 带植物) [63]。
2-2-3-3 氧氣
氧氣是有氧呼吸的必要條件，當氧氣濃度下降到 20% 以下時，
植物呼吸速率便開始下降。一般把無氧呼吸停止進行的最低氧含量 (10%左右)稱為無氧呼吸的消失點(anaerobic respiration extinction point) ，同時植物對氧氣的需求也會受到不同溫度環境下而有不同需 求量[64][65]。
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