阿達瑪轉換/氣相層析質譜法對人體呼氣中丙酮之分析與研究
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(2) 謝誌 碩士班生涯即將告一段落，這兩年來最要感謝的人莫過於指導老 師林震煌教授在實驗與論文寫作方面給予指導和協助，並且分享許多 生活上的經驗，讓我獲益良多，也培養出以正面態度來面對困難和挫 折，並且獨立思考處理事情的能力。 感謝口試委員丁望賢教授與呂家榮教授在百忙中抽空參與口試 審查，並不吝對於本論文給予指點和建議，藉此本論文更臻完善。 在實驗室這段日子裡，以要特別感謝實驗室所有成員在實驗上的 幫助和鼓勵，度過許多溫馨快樂的時光。感謝怡珊學姊、建宏學長、 李珣學姊、智勝學長和冠甫學長的照顧，在實驗上給予我許多寶貴意 見和協助，讓我實驗可以慢慢步上軌道也融入實驗室的生活，真的非 常感謝你們。還有這兩年一起奮鬥的夥伴們：華華、桓安、亞薇和卉 馨，很開心一路上有你們相陪，我的碩士生活才能如此充實精彩，有 你們真好。另外也相當感謝實驗室的兩位學弟，綱庭學弟和昕楷學弟， 感謝你們為實驗室帶來了許許多多的歡笑。最後也感謝父母和我的雙 胞胎弟弟建潁，感謝你們的支持，還有我可愛的室友們，誠摯地感謝 所有關心我的人，祝福你們一切順利。 建霖.
(3) 摘要 本研究利用阿達瑪轉換-氣相層析質譜術. (Hadamard. transform-gas chromatography/mass spectrometry, HT-GC/MS)，成功偵 測到人體呼出氣體中微量的丙酮。實驗用氣體樣品分別採自於數名糖 尿病患及正常志願者。每次採集測試者 100 mL 的吐氣。採樣袋的氣 體不需要任何前處理步驟，即可直接測量。依據 Hadamard code 由電 腦控制的電磁閥，依序注射到氣相層析質譜儀中。每次氣體樣品的注 射量為 11 µL。在最佳化的條件下，當測試樣品以阿達瑪矩陣 255、 511、2047 次的編碼分別進行實驗時，訊號雜訊比可以得到 6.4、11.3、 20.9 倍的改良效果。這樣的增加倍率與理論值 (8.0、11.3、22.6) 相 當吻合。就單一樣品的測量，在 3.5 分鐘內即可完成。本研究同時以 傳統的頂空固相微萃取法進行比較。實驗結果發現，使用 SU-57310U 型號的固相微萃取針進行頂空萃取時，在 4 分鐘內可完成一次測量。 在實際測量 8 位非糖尿病患志願者的呼出氣體，合計 30 袋的氣體， 每袋重複實驗 5 次，得到的平均值為 0.1 ~ 1 ppmv。在此情況下，無 論使用阿達瑪轉換法或使用成本較高的固相微萃取法，對於提高偵測 靈敏度都十分有效。阿達瑪轉換法適用於各類氣體，而固相微萃取法 則須視偵測氣體的種類，選用適合的微萃取管，才能達到預期的效果。 此外，本研究發現糖尿病患呼出氣體中的丙酮濃度很高，不須經由阿 達瑪轉換或固相微萃取法亦可偵測得到。經實際測量 4 位糖尿病患 (含 type I 及 type II 糖尿病患) 的呼出氣體，合計 30 袋的氣體，每袋 重複實驗 20 次，得到的平均值為 1 ~ 10 ppmv。 關鍵字：阿達瑪、丙酮、氣相層析質譜術 I.
(4) Abstract In this study, the Hadamard transform-gas chromatography/mass spectrometry (HT-GC/MS) technique was successfully employed for detecting of a trace of acetone from human exhaled breath. Experimental gas samples were collected from several diabetic patients and normal volunteers. A 100mL exhaled breath was collected from each subject, and the collected gases in gas sampling bags did not require any extraction procedure before measurement. Based on the Hadamard code’s electromagnetic valve controlled by the computer, the gas samples were sequentially injected into the GC/MS with the volume of 11 μL each. Under the optimized conditions, when the Hadamard matrices of 255, 511 and 2047 were used, the S/N ratios were substantially improved to 6.4-, 11.3-, and 20.9-fold, respectively, matched with those expected from theoretical values (8.0-, 11.3-, 22.6-fold). The measurement of a single sample could be completed within 3.5 minutes. This study also employed traditional headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) for comparison. The result showed that when the extraction needle, model SU-57310U, was used, a single measurement could be completed within 4 minutes. According to medical reports, the acetone concentration in normal people’s exhaled breath is very low. This view was confirmed by the actual measurement of eight non-diabetic volunteers’ exhaled breath, 30 bags of gases in total, each of which was measured five times repeatedly, obtaining an average value of 0.1 to 1 ppmv. In this case, both II.
(5) HT and higher-cost SPME are effective in improving detection sensitivity. HT is suitable for various types of gas while SPME should choose the proper microextraction syringe depending on the detected gas type in order to achieve desired results. Besides, due to the higher concentration of acetone in the exhaled breath from diabetic patients used in this experiment, it could also be detected without employing HT or SPME. The actual measurement on the exhaled breath from four diabetic patients (including type I and type II), 30 bags of gases in total, each of which was measured 20 times repeatedly, obtained an average value of 1 to 10 ppmv.. Keywords: Hadamard, acetone, gas chromatography/mass spectrometry III.
(6) 目錄 謝誌................................................................................................................................ I 摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 目錄..............................................................................................................................IV 圖目錄....................................................................................................................... VIII 表目錄........................................................................................................................... X. 第一章 緒論.................................................................................................................. 1 1-1 研究目的 ........................................................................................................ 1 1-2 揮發性有機物簡介 ........................................................................................ 2 1-2-1 揮發性有機物的定義 ......................................................................... 2 1-2-2 揮發性有機物的汙染來源 ................................................................. 2 1-2-3 揮發性有機物對人體的危害 ............................................................. 3 1-2-4 呼出氣體中揮發性有機物 ................................................................. 4 1-2-5 呼氣檢測之特性 ................................................................................. 4 1-2-6 呼氣採樣方法 ..................................................................................... 6 1-2-7 呼氣中的丙酮 ..................................................................................... 7 1-3 糖尿病的簡介 ................................................................................................ 8 1-3-1 糖尿病的形成原因 ............................................................................. 8 1-3-2 糖尿病的診斷標準 ............................................................................. 9 1-3-3 糖尿病的分類 ................................................................................... 10. IV.
(7) 第二章 研究方法及原理............................................................................................ 11 2-1 阿達瑪矩陣原理 .......................................................................................... 11 2-1-1 矩陣起源 ........................................................................................... 12 2-1-2 阿達瑪轉換法 ................................................................................... 13 2-1-3 LabVIEW 操作程式 ......................................................................... 20 2-1-4 阿達瑪轉換提高 S/N 值的理論值................................................. 23 2-2 阿達瑪矩陣轉換在其他方面的應用 .......................................................... 27 2-2-1 在分析化學上的應用 ....................................................................... 27 2-2-2 在其它方面上的應用 ....................................................................... 31 2-3 固相微萃取法 .............................................................................................. 33 2-3-1 固相微萃取法之簡介 ....................................................................... 33 2-3-2 固相微萃取裝置和萃取步驟 ........................................................... 33. 第三章 儀器與藥品.................................................................................................... 37 3-1 實驗儀器 ...................................................................................................... 37 3-1-1 氣相層析質譜法 ............................................................................... 37 3-1-2 氣相層析儀 ....................................................................................... 37 3-1-3 介面 ................................................................................................... 41 3-1-4 質譜儀 ............................................................................................... 42 3-1-5 資料處理 ........................................................................................... 47 3-1-6 質譜儀校正 ....................................................................................... 48 3-1-7 儀器及週邊設備列表 ....................................................................... 50 3-2 實驗藥品列表 .............................................................................................. 51 V.
(8) 第四章 研究過程和結果討論.................................................................................... 52 4-1 阿達瑪進樣系統 .......................................................................................... 52 4-1-1 阿達瑪進樣器 ................................................................................... 52 4-1-2 丙酮標準品配製 ............................................................................... 55 4-1-3 丙酮標準品進樣 ............................................................................... 55 4-1-4 真實樣品採樣 ................................................................................... 57 4-1-5 呼出氣體樣品進樣 ........................................................................... 57 4-1-6 系統清潔方法 ................................................................................... 58 4-2 數據紀錄之時間校正 .................................................................................. 59 4-3 阿達瑪進樣條件最佳化 .............................................................................. 61 4-3-1 阿達瑪進樣轉換結果與理論值比較 ............................................... 61 4-3-2 進樣器穩定度與阿達瑪轉換再現性 ............................................... 64 4-4 分析物特定離子質荷比分析 ...................................................................... 65 4-5 真實樣品上的應用 ...................................................................................... 66 4-5-1 阿達瑪轉換對非糖尿病患呼出氣體研究 ....................................... 66 4-5-2 固相微萃取對非糖尿病患呼出氣體研究 ....................................... 68 4-5-3 非糖尿病患呼出的丙酮含量 ........................................................... 70 4-5-4 糖尿病患呼出的丙酮含量 ............................................................... 71 4-5-5 糖尿病患的血糖值 ........................................................................... 72 4-5-6 糖尿病患的糖化血色素 ................................................................... 73 4-5-7 非糖尿病患一天呼氣中丙酮的含量 ............................................... 76. VI.
(9) 第五章 結論和展望.................................................................................................... 78 5-1 阿達瑪轉換進樣方面 .................................................................................. 78 5-2 真實樣品分析方面 ...................................................................................... 78 5-3 未來展望 ...................................................................................................... 79. 學會發表...................................................................................................................... 80 參考文獻...................................................................................................................... 81. VII.
(10) 圖目錄 圖 2-1 阿達瑪 8 階矩陣 ............................................................................................. 14 圖 2-2 8 階 H 矩陣轉成 7 階 S 矩陣 ................................................................... 15 圖 2-3 7 階 S 矩陣轉成 7 階 Cyclic S 矩陣 ........................................................ 17 圖 2-4 阿達瑪轉換的 LabVIEW 程式 ..................................................................... 22 圖 2-5 商業化之固相微萃取法裝置圖 [63]............................................................. 34 圖 2-6 商業化 SPME fiber 的結構圖 ........................................................................ 35 圖 2-7 固相微萃取之萃取步驟圖 ............................................................................. 36 圖 3-1 汽化室 (Vaporizer) ......................................................................................... 38 圖 3-2 電子衝擊式離化室 (EI Chamber) ................................................................. 43 圖 3-3 四極柱式質量分析器構造 ............................................................................. 45 圖 3-4 (A) 分離式電子倍增器 (B) 連續式電子倍增器 ......................................... 46 圖 3-5 質譜儀的校正圖 ............................................................................................. 49 圖 4-1 (A) 阿達瑪進樣器構造圖 (B) 阿達瑪進樣器組裝後外 ............................ 53 圖 4-2 (A) 電磁閥控制裝置圖 (B) 驅動器內部線路圖 ......................................... 54 圖 4-3 標準樣品進樣裝置 ......................................................................................... 56 圖 4-4 chamber 裝置 ................................................................................................... 56 圖 4-5 校正數據程式圖 ............................................................................................. 60 圖 4-6 (A) 數據點平均後得到的單位訊號 ............................................................... 62 (B) 阿達瑪序列進樣結果與阿達瑪序列比較 .......................................................... 62 圖 4-7 一次進樣與不同次數阿達瑪轉換比較 ........................................................ 63 圖 4-9 非糖病患吐氣單點進樣 ................................................................................. 67 圖 4-10 非糖病患吐氣阿達瑪轉換 ........................................................................... 67 VIII.
(11) 圖 4-11 糖尿病患呼出氣體的固相微萃取與單次進樣結果比較 ........................... 69 圖 4-12 正常人的呼氣丙酮值 ................................................................................... 70 圖 4-13 2013 年到北醫就診四位糖尿病患的呼氣丙酮值 ....................................... 71 圖 4-14 2013 年到北醫就診四位糖尿病患的非血糖值 ........................................... 72 圖 4-16 非糖尿病患一天呼氣中丙酮的含量 ........................................................... 77. IX.
(12) 表目錄 表 1-1 呼出氣體與疾病的關係 ................................................................................... 5 表 2-1 阿達瑪進樣次數與噪訊比理論值比較 ......................................................... 26 表 3-1 三種注入系統的比較 ..................................................................................... 39 表 3-2 四種管柱性質的比較 ..................................................................................... 41 表 3-3 不同掃描方式的優缺點 ................................................................................. 48 表 4-1 數據校正後的每秒平均點數 ......................................................................... 60 表 4-2 轉換後 S/N 比增加倍率與理論值比較 ....................................................... 64 表 4-3 糖尿病人血糖控制指標 ................................................................................. 73 表 4-4 糖尿病人呼氣中丙酮、血糖值、糖化血色素與酮酸之比較 ..................... 74 表 4-5 平均血糖值與糖化血色素的對照表 ............................................................. 75. X.
(13) 第一章 緒論. 第一章 緒論 1-1 研究目的 在分析化學中，許多研究都將重心放在如何提高儀器本身偵 測極限的靈敏度，但是儀器本身也會有無法突破的物理偵測極限。由 本實驗在西元 2008 年發展出的阿達瑪氣相層析質譜術，是一種以數 學運算來提升偵測的靈敏度和解析度。 本實驗研究目的： (一) 將阿達瑪轉換氣相層析質譜術應用於真實樣品上，提高偵測靈 敏度。 (二) 設計適合連續進樣的自動進樣器，並找出進樣最佳條件，在合 理的阿達瑪轉換效率下，提升進樣的次數以及進樣的速度。. 1.
(14) 第一章 緒論. 1-2 揮發性有機物簡介 1-2-1 揮發性有機物的定義 揮發性有機物 (volatile organic compounds,VOCs) 的定義為沸點 低於 100 ℃且在常溫常壓 (760 mmHg、25 ℃) 下蒸氣壓大於 0.1 mmHg 的有機化合物，大部分揮發性有機物含碳數小於 12 [1]。另 外，環保署所也明確定義：在一大氣壓下，測量所得初始沸點在 250 ℃以下有機化合物之空氣汙染的總稱，常見揮發性有機物包含直鏈揮 發性有機物、苯環揮發性有機物、含氫氧鍵揮發性有機物、含氮有機 化合物、鹵烷類，但不包含甲烷、一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳酸 鹽、碳酸銨等化合物 [2]。. 1-2-2 揮發性有機物的汙染來源 據研究，室內 VOCs 的總濃度通常在 0.2-2 mg/m3 之間，然而在 不當裝修施工中，甚至可高出數十倍。VOCs 排放來源相當地龐大且 複雜，若依行業分類，可分為工業、商業等；若以排放特性來，可分 為不完全燃燒、製程排放、油品揮發、溶劑作用及生物作用等五大類。 2.
(15) 第一章 緒論. 這些有機溶劑之蒸汽對人體健康造成極大危害，必須加以處理，不可 直接排放到大氣中。所以 VOCs 污染的管制是繼車輛排氣管制、工 廠塵粒、SOx、NOx 排放管制之後，政府新的管制目標。而除了部分 含氯之 VOCs 外，絕大部分 VOCs 皆具有爆炸上下限之值，在封閉 性空間中容易產生火災爆炸，引發工安意外。. 1-2-3 揮發性有機物對人體的危害 VOCs 具有滲透性、脂溶及揮發等特性，可藉由接觸、吸入、食 入方式進入人體，對人體健康有巨大影響。VOCs 已被證實具有致癌 性、致突變性、急性效應、危害中樞神經系統、引發皮膚炎、增加肝、 腎之毒性效應，長期暴露會使心肺功能受損。. 3.
(16) 第一章 緒論. 1-2-4 呼出氣體中揮發性有機物 人 體 呼 出 的 氣 體 中 含 有 數 百 種 VOCs ， 包 括 碳 氫 化 合 物 (hydrocarbons)、醇類 (alcohols)、醛類 (aldehydes) 和酮類 (ketones) 等，其組成成分與吸入的空氣有著顯著的不同，濃度在 ppb 至 ppm 範圍之間 [3]，且不同個體呼出氣體中所含的揮發性有機物成分並非 完全相同，含量也不相同 [4]。. 1-2-5 呼氣檢測之特性 疾病有關的呼吸代謝物可作為疾病診斷的參考訊息，表 1-1 列出 典型常見的疾病與人體呼氣成份的關係 [5-12]。糖尿病患者的呼氣中 具有略甜及含酮類成分之類似水果芳香味道、肝病患者的呼氣中帶有 魚腥味、腎衰竭患者的呼氣含有尿臭味；肺膿瘡患者的呼氣會有腐臭 味 [13]，另外呼氣中帶有蒜臭味是有機磷農藥中毒的一種症狀。 以呼出氣體的檢測可以輔助醫師作疾病的診斷，可代替傳統方式 如抽血等的侵入性診斷方式，除了降低病人的不方便與不舒服感，也 可藉由呼氣中的資訊增加對身體生化功能的了解及預防。利用呼出氣 4.
(17) 第一章 緒論. 體取代扎針作為生物指標的優點有：操作簡單、呼氣檢體取得容易、 非侵入式 (noninvasive)、快速、重複測試容易且方便等。. 表 1-1 呼出氣體與疾病的關係 [5-12]. 疾病. 呼出氣體. 糖尿病. 丙酮. 肝硬化. 硫醇、甲基硫醇. 氣喘. 一氧化氮. 胰臟疾病. 氫氣. 脂肪過氧化. 乙烷、戊烷. 肺癌. 己烷、甲基戊烷、磷苯甲胺、苯胺. 支氣管炎. 過氧化氫. 腎臟疾病. 二甲胺、三甲胺. 缺血性心臟病. 戊烷. 急性心肌梗塞. 異戊二烯. 5.
(18) 第一章 緒論. 1-2-6 呼氣採樣方法 呼出氣體採樣方法包含混合呼出氣體 (mixed expired) 與肺泡呼 氣 (alveolar breath) 採樣。其差別在吸入之空氣有一部分是無法到達 肺部交換區，它們只充滿在不發生氣體交換的呼吸道中，例如鼻、咽 喉、氣管等，稱為死腔空氣 (dead space air) [14]，相對於肺泡呼氣採 樣，混合呼出氣體採樣的方式則較為簡易方便，但混合呼出氣體容易 因稀釋效應而導致肺泡呼氣中 VOCs 濃度降低。根據文獻指出若肺 部正常潮氣容積為 500 mL，正常死腔容積應為 150 mL，約占呼出 氣體的三分之一 [15]。其中肺泡的 VOCs 濃度最能直接反應血液中 最原始的 VOCs 含量，所以大部分的文獻皆以採集肺泡呼氣為主 [16]。 再者，採樣裝置中的材質也會影響分析結果，有些 VOCs 會由 橡膠和塑膠製品中釋放出來，汙染呼出氣體樣品，也要避免樣品吸附 在採樣裝置上。因此必須充分了解各種採樣裝置的材質特性，以降低 此類干擾的產生。. 6.
(19) 第一章 緒論. 1-2-7 呼氣中的丙酮 根據醫學報導，糖尿病患者呼出氣體中所含的丙酮濃度高於一 般正常人，故可將丙酮視為糖尿病診斷的指標，取代侵入式傳統抽血 方法 [17]。在身體中酮體主要是由三種型式存在，包括有乙醯乙酸 (acetoacetic acid) 、β-羥基丁酸 (β-hydroxybutyric acid) 、丙酮 (acetone)，而前兩者可送至肝腸外的組織 (如肌肉) 利用產生能量， 而人體無法利用的丙酮，可由呼吸中排除，當丙酮量相當高時可能是 糖尿病患者，可以由其呼氣中感受到一陣水果的香味。. 7.
(20) 第一章 緒論. 1-3 糖尿病的簡介 糖尿病是一種長期的慢性疾病，隨著經濟的快速發展，以及人 們飲食型態的改變，依據衛生署民國 100 年的統計資料，糖尿病佔 十大死因排行第四名 [18]。病人常會有口乾、多尿、疲倦、體重減 輕等症狀。糖尿病若控制不好會有很多併發症，成為很大的健康問 題。. 1-3-1 糖尿病的形成原因 糖尿病形成原因，目前醫學界並沒有真正的結論，因為糖尿病有 很多致病機制，無法確切了解，一般推測與遺傳或後天飲食與生活習 慣有關 [19]。. 8.
(21) 第一章 緒論. 1-3-2 糖尿病的診斷標準 根據 1997 年美國糖尿病協會提出之糖尿病新診斷標準 [20]， 符合下列任何一項標準即可診斷為糖尿病： (一) 出現典型糖尿病症狀如多尿、口渴、無法解釋的體重減輕，再 加上任何一次血漿葡萄糖濃度 > 200 mg/dl。 (二) 空腹血漿葡萄糖濃度 > 126 mg/dl (至少空腹八小時)。 (三) 口服葡萄糖耐量試驗，二小時血漿葡萄糖濃度 > 200 mg/dl。. 9.
(22) 第一章 緒論. 1-3-3 糖尿病的分類 糖尿病的種類以病因學為基準分類有: (一) TYPE I (胰島素依賴型糖尿病)：此型糖尿病的病因不明，常發生 於小孩或青年人。患者的胰臟生產很少或不生產胰島素，口服糖 尿病藥是無效的，所以他們必須每天注射胰島素，並保持健康的 飲食。 (二) TYPE II (非胰島素依賴型糖尿病)：糖尿病的家族史是發生此型 糖尿病的重要因素，通常發生於 40 歲以上，體重超重的人。糖 尿病患者約 97 % 屬於此型。此型糖尿病是由於身體不能有效地 利用胰島素。 (三) Other Specific type (特異型糖尿病)：能指出糖尿病之特殊明確原 因者。 (四) Gestational diabetes (妊娠糖尿病)：婦女在懷孕期間才會發生的一 種糖尿病。. 10.
(23) 第三章 儀器與藥品. 第二章 研究方法及原理 2-1 阿達瑪矩陣原理 阿達瑪矩陣是一個方陣，是由 +1 或 −1 組成每個元素的正交矩 陣。而這種矩陣是起源於西元 1867 年，英國數學家 James Joseph Sylvester 提出一個如下的 n 階正交矩陣，其元素為 +1 或 -1 且滿 足如下條件 (1)。而且它的轉置矩陣就等於它的反矩陣 [21]。 Hn HnT = HnT Hn = nIn (1) HnT 為 Hn 的轉置矩陣且 In 為 n 階的單位矩陣。 n=4 的例子如下:. 在西元 1893 年，法國數學家阿達瑪（Jacques Salomon Hadamard） 發表一篇論文，他從最大行式值的觀點來研究這類的正交矩陣。並在 論文中證明如果一個 n 階實數矩陣 A 的所有元素的絕對值皆小於 或等於 1，那麼 A 的行列式絕對值必小於或等於 nn/2 [22-23]。. 11.
(24) 第三章 儀器與藥品. 2-1-1 矩陣起源 矩陣的概念是直接從行列式的概念而來，用來表達一個線性方程 組的簡單記法。西元 1848 年，matrix 一詞是由英國數學家 Sylvester 首先創造出。矩陣是一個矩形的數學方陣。一個方陣可看作兩個向量 空間的線性變陣，故矩陣理論可當作線性代數的一個分支。 之後 1855 年，英國數學家 Cayley 發表一系列研究矩陣理論的 文章，並定義了如矩陣相等、零矩陣、單位矩陣、矩陣的和、矩陣的 乘積、矩陣的逆轉置矩陣、對稱矩陣等。故一般認為他是矩陣理論的 創始人。直到 1925 年，Heisenborg 利用矩陣在量子力學上產生革命 性的影響，讓人們明白矩陣具有這麼強大的功能。 矩陣的簡易定義如下： 令 m 與 n 為正整數，一個大小 (size) 或「階數 order」為 m × n 的矩陣是一個數字 Aij 的有序集合 (ordered set) 其中 1≦i≦m, 1≦ j≦n，表示如下：. 12.
(25) 第三章 儀器與藥品. 矩陣內的數字 Aij 稱為「第 i 列 (橫)、第 j 行 (直)」的「矩陣 元素 matrix element」，若 m = n 則 A 稱為「方陣 square matrix」， 而 n × n 矩陣則簡稱為 n 階矩陣。. 2-1-2 阿達瑪轉換法 阿達瑪轉換在本實驗中指的是將阿達瑪矩陣編碼所得層析圖譜 數據加以運算出另一組層析圖譜數據，而在本實驗中此組數據將會較 原本數據的訊噪比值好。 阿達瑪矩陣皆是 n × n 階的矩陣，且 n 為 2k 階的矩陣，其中 k 為非負整數。且根據 Sylvester 所提出的例子，利用以上定義，我們 可以給出 n = 1、n = 2 及 n = 4 的矩陣：. 13.
(26) 第三章 儀器與藥品. 接下來便是延伸其定義，在 Sylvester 提出來的定義中，其提及 第一行和第一列的元素都是 1，其他各行各列的元素都是一半 1，一 半-1。根據此定義，所延伸出的 8 階阿達瑪矩陣如圖 2-1。. 圖 2-1 阿達瑪 8 階矩陣. 14.
(27) 第三章 儀器與藥品. 觀察 H = 8 的矩陣，圖 2-1 上的 A、B、C 矩陣與 H = 4 的矩 陣相同，而 D 矩陣則是將 1 改為 -1，-1 改為 1。並以此類推至更 高階的 H 矩陣，所以可得知阿達瑪矩陣的階數皆會是 4 的倍數 (除 了 1 及 2 以外)，也就是符合 2n (n = 0, 1, 2, 3,…) 階。舉例來說， 符合阿達瑪矩陣的階數為 1、2、4、8、16、32 等。再來是將 8 階 的 H 矩陣轉為 7 階的 S 矩陣 (Simplex matrix)，方法是去除掉第一 行及第一列的 1 變成為 G 矩陣，之後將 -1 改為 1，1 改為 0，即 成為 7 階的 S 矩陣，如圖 2-2。由以上敘述可知，S 矩陣的階數應 為 2n - 1 階。. 圖 2-2 8 階 H 矩陣轉成 7 階 S 矩陣. 15.
(28) 第三章 儀器與藥品. 接下來將 S-matrix 轉為 Cyclic S-matrix 的反矩陣。為的是簡化 此矩陣型式，使其便於製造往後的光柵 [24]。 當得到 n = 7 的 S 矩陣後，利用二次剩餘法 (quadratic residue) 將 S 矩陣轉換為 Cyclic S 矩陣。二次剩餘法說明如下，以 7 階 S矩陣為例： 取得 a1, a2, a3,…, a(n-1)/2，由於 n = 7 代入 (n-1)/2，得 3 因此此數列有 a1, a2, a3 相對應的平方值為 1, 4, 9 an 則為相對應平方值除以 7 的餘數 可得 a1 = 1, a2 = 4, a3 = 2 Si 為符合上述餘數的為 1，其他為 0 i 的數值從 0 到 6 得到 i = 0 1 2 3 4 5 6 Si. =1110100. 得到 Si 值後，再將 Si 值變成矩陣。第一列是 Si 的值，得到第二 列以後的方法是依序將每一列往左移一位，而最左邊數值則移到最右 邊，便可得到 Cyclic S-matrix 又稱 Left circulant matrix，如圖 2-3。 16.
(29) 第三章 儀器與藥品. 二次剩餘法. 圖 2-3 7 階 S 矩陣轉成 7 階 Cyclic S 矩陣. 之後代入阿達瑪轉換公式如下： [η] = [S] [C]. (2). [η]：觀察到層析圖譜所組成的數據 [S]：Cyclic S-matrix (n-1) (n-1) 的矩陣 [C]：轉換後所求得矩陣. 17.
(30) 第三章 儀器與藥品. 由於目標為 [C]，故將 (2) 轉為以下等式 (3)，即左右兩邊各乘 上 [S] 的反矩陣 [S]-1。 [C] = [S]-1 [η]. (3). 由 (3) 知，需求得 [S] 的反矩陣 [S]-1。由於 S-matrix 中所有元 素的絕對值為 1，因此將 [S] 乘上 2/(n＋1)，以及將 0 用 -1 取代， 即可求得如下，7 次 S-matrix 的反矩陣 [25-26]。. S 71. 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 n 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . 將求得的 [S]-1 代入 (2)，以 7 次阿達瑪進樣為例，公式如下：. 以上矩陣知，在原本的阿達瑪矩陣中若要進樣需進樣 72 次，但 為節省實驗時間，在本實驗將進樣 n2 次減少至只要以阿達瑪序列進 18.
(31) 第三章 儀器與藥品. 樣 2n-1 次 [27]。舉例 7 次的阿達瑪序列 (1 1 1 0 1 0 0) 為例，將 進樣的序列增長為 (1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0)，其中 raw data 代表的是 層析圖譜中取 n 到 (2n-1) 個訊號，此一取法可將轉換所得到的層析 圖譜跟原本圖譜的滯留時間一致。即當 n = 7，取第 7 到第 13 個數 據。但此方法需確保樣品第一次出現的時間在 n 個單位時間內即滯 留時間小於 n 個單位，否則將無法以阿達瑪轉換運算。 再以 255 次阿達瑪矩陣轉換為例：. 19.
(32) 第三章 儀器與藥品. 從圖中的第 255 個單位時間開始取數據至 509 個單位數據代 入上式可得到轉換後的層析圖，再將其反轉便可得到與原始圖譜滯留 時間一致的層析圖 ，需將轉換後圖反轉是由於 cyclic S-矩陣中下一 列的序列是各元素向左移一位而得，但實驗紀錄層析圖時卻是從左到 右收集數據，故將其反轉便可得到與原始圖譜相當的滯留時間。由於 此轉換的計算方式相當繁雜，因此以 LabVIEW 來輔助運算。. 2-1-3 LabVIEW 操作程式 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 (graphical language, 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 20.
(33) 第三章 儀器與藥品. 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 特殊的圖形程式簡單易懂的開發介面，縮短了開 發原型 (Proto-type) 的速度以及方便日後的軟體維護，因此逐漸受到 系統開發及研究人員的喜愛。目前廣泛的被應用於工業自動化之領域 上。此外，LabVIEW 通訊介面方面支援：GPIB, USB, IEEE1394, MODBUS, SERIAL, PARALLEL, IRDA, TCP, UDP, Bluetooth, .NET, ActiveX, SMTP 等介面。LabVIEW 8.X 之版本中引入了物件導向之 程式設計概念，使其更接近一個完整的程式語言。 在本實驗阿達瑪的轉換中，LabVIEW 除了可控制進樣外，在後 續龐大的數據處理也提供相當大的幫助。如圖 2-4，第一步先將已運 算好的 Cyclic S-matrix 序列取出，由於 Cyclic S-matrix 序列並非矩 陣形式，故需先將其轉變成矩陣形式。第二步則是將 Cyclic S-matrix 序列轉換成矩陣。第三步是將實驗層析圖譜數據取出。第四步是從實 驗數據中取出 n 到 (2n-1) 個訊號。第五步是將矩陣與第四步所取出 的數據以多重數列形式相乘。第六步是乘上 2/(n+1)。第七步則是將 得到的數列反轉。經由以上的步驟，便可到阿達瑪轉換後的的層析圖 數據了。. 21.
(34) 第三章 儀器與藥品. 圖 2-4 阿達瑪轉換的 LabVIEW 程式. 22.
(35) 第三章 儀器與藥品. 2-1-4 阿達瑪轉換提高 S/N 值的理論值 實驗證明阿達瑪轉換可以提高 S/N 值的理論值，這樣的結果可以 用秤重實驗的例子來加以說明 [28-29]。假設當以一天秤秤物體重量 時，其標準偏差為 e (error)，而且此 e 與天秤物的總重量無關，不 同次測量的 e’ 也與天秤上秤物的總重量無關。則會得到如下期望值 E [30-31]： E{e} = 0 E{ee’} = 0. (偏差的總平均為零). E{e2} = σ2. (平方和為最小值). σ2：誤差的變異數 σ：誤差的標準偏差 (standard deviation) 1951 年 Fellgett 指出若以分開秤重的方式秤物，則有機會減少 誤差，這個發現又稱為 Fellgett advantage [32]。例如以等臂天平秤四 個物件，其真實重量分別為 Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4，秤重的觀察值 η 為放置於 天平左邊所有物件的總重扣掉至於右邊所有物件的總重再加上標準 偏差 e，經過四次測量得到的結果如下： η1＝Ψ1＋Ψ2＋Ψ3＋Ψ4＋e1 23.
(36) 第三章 儀器與藥品. η2＝Ψ1－Ψ2＋Ψ3－Ψ4＋e2 η3＝Ψ1＋Ψ2－Ψ3－Ψ4＋e3. (4). η4＝Ψ1－Ψ2－Ψ3＋Ψ4＋e4 Ψ’1＝. 1 1 (η1＋η2＋η3＋η4) ＝Ψ1＋ (e1＋e2＋e3＋e4) 4 4. Ψ’1 表示 Ψ1 的估計值。所以 Mean square error 為： E{(Ψ’i－Ψi)2} = E{1/16 (e1＋e2＋e3＋e4) 2}＝E{1/4e2}＝1/4σ2 (i＝1 ~ 4). 若以彈簧式天平秤重，得到以下結果： η1＝. Ψ2＋Ψ3＋Ψ4＋e1. η2＝Ψ1＋Ψ2. ＋e2. η3＝Ψ1. ＋e3. η4＝Ψ1. ＋Ψ3. (5). ＋Ψ4＋e4. 則 Mean square error 為以下： 4 9. E{(Ψ’1－Ψ1)2} = σ2 E{(Ψ’2－Ψ2)2} = E{(Ψ’3－Ψ3)2}＝E{(Ψ’4－Ψ4)2}＝ 24. 7 2 σ 9.
(37) 第三章 儀器與藥品. 由上可知當分開秤重時，可有效減少誤差，相對於 S/N 值則是減 少雜訊。而 (4) 若以矩陣表示相當於阿達瑪矩陣，(5) 則相當於 S 矩 陣，表示方法如下。 1 1 1 1 1 1 1 1 W 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 W 1 1. 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1. (H-矩陣). (S-矩陣). 計算提昇 S/N 值的方式則是可以下列等式計算：. i E( 'i -i ) 2 所以當代入上式計算提昇的 S/N 值則等於. 9 = 1.1339，即可提 7. 升約 1.14 倍。而在提高 S/N 值的理論值上，理論值的公式如下 [33-34]：. (n 1) 2n1/2. 25.
(38) 第三章 儀器與藥品. 相對於上方的秤重實驗，搭配 2-1-2 章節所提到的將 H 矩陣轉 為 S 矩陣需要將第一行及第一列刪除，所以只剩 3 階矩陣，因此取 n = 3，代入上式可得提升理論值等於 1.1547，可提升約 1.15 倍。故 此公式可表示提升的 S/N 值。且當 n 值極大時，提高的 S/N 理論 值接近. n 2 。當轉換不同次數時，便會有以下不同的提高 S/N 理. 論值，見表 2-1。. 表 2-1 阿達瑪進樣次數與噪訊比理論值比較 阿達瑪的次數 (n). S/N 比的提高倍率 (理論值). 7. 1.5. 127. 5.12. 255. 8.02. 511. 11.32. 1023. 16.01. 2047. 22.63. …. …. 26.
(39) 第三章 儀器與藥品. 2-2 阿達瑪矩陣轉換在其他方面的應用 阿達瑪轉換法可以應用在許多不同領域，最常見的是在影像編碼 解碼上的應用，其他領域如統計學、物理學及分析化學也可見其廣泛 的發展。以下介紹阿達瑪轉換在各方面的應用。. 2-2-1 在分析化學上的應用 1970 年，Smit 證實在氣相色層分析法中可以利用假隨機二進制 進樣 (pseudo-random binary sequence, PRBS) 將樣品注入氣相層析的 管柱中，此種方法若結合色層分析可有效降低偵測極限 [35]。近年 來，阿達瑪轉換技術便被應用在相當多的化學領域中，包括了飛行式 時間質譜儀 (time-of-flight mass spectrometry)，拉曼光譜法 (Raman spectrometry)，螢光成像 (fluorescence imaging)，離子遷移式光譜儀 (ion mobility spectrometry) ， 核 磁 共 振 (NMR) 以 及 毛 細 管 電 泳 (capillary electrophoretic, CE)…等。 飛行式分析器 (time of flight, TOF)在許多分析器中，首次在西元 1955 年被提出 [36]。在飛行式時間質譜儀的應用上，Brock 在 1998 27.
(40) 第三章 儀器與藥品. 年發展了一種阿達瑪轉換飛行式時間質譜儀 (HT-TOFMS)。在該系 統中，採用金屬絲對信號進行交叉掃描，以控制離子束的開或關， 並產生阿達瑪編碼序列，再通過分離和放大再模擬 HT-TOFMS 過 程中各種相位差的影響， 確定了各種不利因素產生的誤差特性 [37-38]。Fernández 在西元 2002 年發展了在加壓的毛細管電泳連接 HT-TOFMS。此法除了可用來分離，且可降低分析時間，更可穩定 電灑離子化 (ESI) 裝置 [39]。 在拉曼光譜法的應用上，Treado 在西元 1990 年發展阿達瑪轉 換拉曼顯微鏡，其利用阿達瑪序列製造一個一維光柵加入顯微鏡中， 可用來提升影像解析度 [40]。DeVerse 在西元 2000 年利用一個二維 光柵，但其光柵是利用反射鏡組成，稱為 digital micro-mirror array (DMA)，且此反射鏡可快速的變換，利用這個法也可有效增加 S/N 比 [41]。 在螢光呈像的應用上，Chen 在西元 1995 年將螢光顯微鏡成功地與 阿達瑪轉換結合，其方式也是加入一個阿達瑪 255 次序列的光柵。 其優點在於可即時完整地呈現一細胞的三維樣貌 [42-43]。Tang 在 2002 年利用一維的阿達瑪 511 次序列光柵搭配高靈敏度的 CCD (charge-coupled device)，更進一步地提升其影像的解晰度，此方法對 於細胞學或藥學有相當大的幫助 [44]。 28.
(41) 第三章 儀器與藥品. 離子遷移式光譜法相對於其他技術而言是較新穎的，目前也被廣 泛的應用在分析化學的偵測上，尤其近來儀器的縮小化，更成為最方 便攜帶的分析儀器之一。而 Clowers 於西元 2006 年將阿達瑪轉換應 用在此一分析技術上，其將 B-N 離子柵以阿達瑪序列的方式給予開 及關的脈衝，再將其序號解碼後，可得 2 ~ 10 倍的 S/N 值 [45]。 同年，Szumlas 也利用控制 B-N 離子柵搭配阿達瑪轉換的方式提高 S/N 比 [46]。 在核磁共振的應用上，Fletcher 發展一種利用混淆現象產生大規 模矩陣的磁共振 (MR) 高分辨成像技術，再將混淆的視場用阿達瑪 轉換來復原，該技術被成功用於人腦及乳房的二維及三維的體內成像 [47]。Freeman 結合阿達瑪轉換發展了一種快速多維核磁共振技術， 測量時間比一般方式縮短了 3 個數量級 [48]。 在毛細管電泳的應用上，Kaneta 於西元 1999 年首先採用光圈 控制進樣技術，結合 PRBS 的方式進樣。當樣品持續進入毛細管中， 利用大功率的雷射使部分樣品降解失去螢光活性，間接得到阿達瑪進 樣序列，此方法可使 S/N 值提高 8 倍，與理論值所預測倍率 8.02 吻合 [49-50]。西元 2003 年，Hata 將阿達瑪轉換應用在微型晶片電 泳 (microchip electrophoresis) 上 ， 然 後 以 雷 射 誘 導 螢 光 (diode laser-induced fluorometry) 偵測，可改進特定樣品只對於大功率雷射 29.
(42) 第三章 儀器與藥品. 產生降解的缺點 [51]。隔年，Hata 在毛細管中間開一小洞，此洞可 讓樣品進入，之後再以阿達瑪序列使其進樣，此法也可得到與理論值 相近的 S/N 值提高率 [52]。西元 2006 年，Braun 則發展了快速的 阿達瑪毛細管電泳，此方法可減少進樣量在實驗時間上，甚至只要原 本阿達瑪毛細管電泳時間的一半 [53]。其他在微流晶片毛細管電泳 (chip-based CE/Microfluidic chip) 也有阿達瑪轉換方面的應用 [54]。 過去在 GC 的研究上，相對於其他分析技術是來得少的。自西 元 1979 年起，有數篇互相關 (cross-correlation) 應用在氣相層析上 的研究被發表 [55-58]。互相關指的是用來表示兩個訊號之間相似性 的一個度量，通常通過與已知訊號比較用於尋找未知訊號中的特性。 互相關與阿達瑪轉換 (HT) 相似，同樣也是提高 S/N 值的一種技術。 Kaljuarand 在西元 2005 年重新討論了互相關及阿達瑪轉換這兩種 非傳統偵測方法 [59]。同年，Kaljurand 以理論計算的方式計算出若 利用 PRBS 的方式進樣，應可得到相對應的訊號，但並未進行實際 上的實驗 [60]。. 30.
(43) 第三章 儀器與藥品. 2-2-2 在其它方面上的應用 在工業實驗中，需要考慮的因子數非常多，而真正可能會影響產 品特性值的因子只有少數幾個，若採用完全因子設計或部份因子設計 來配置實驗，會造成龐大實驗成本的浪費，統計學上便可應用阿達瑪 矩陣轉換成的 S 矩陣，計算可能會影響產品特性值的因子 [61]。 在影像編碼方面，最普遍的應用在影像格式的編碼。常見的影像 格式有 MPEG、AVI、3gp、RM、MP3 等等。MPEG 是 Moving Picture Experts Group 的縮寫。MPEG 基本原理是使用多張 JPEG 圖像檔， 經過壓縮後依照編排的順序連續顯示在顯示器上，以人類的眼力速度 來看，畫面就像是連續的影像效果，JPEG 圖像檔是將影像以破壞性 壓縮，而且無法還原將影像壓縮，所以在影像上多少會失真，因為 JPEG 圖像檔支援全彩，且多數影像軟體也支援，所以 MPEG 編碼 大為被採用。而 MPEG 的發展史可追溯到西元 1992 年的 MPEG-1， 其應用在 VCD 上。西元 1994 年發展的 MPEG-2 則是當今 DVD 的影視通用格式。而最新的 MPEG-4 則保留了 MPEG-2 的壓縮比 例，以最大的壓縮比例獲得最優質的圖像，常應用在 PMP 產品、數 位相機等。MPEG-4 分成了 16 個部分，H.264 則是 MPEG-4 的第 10 部 分 ， 而 這 種 編 碼 技 術 也 被 稱 為 AVC ， 即 高 級 視 頻 編 碼 (Advanced Video Coding)。阿達瑪矩陣轉換則多被用來計算 SATD (一 31.
(44) 第三章 儀器與藥品. 種視頻殘差信號大小的衡量)。而 H.264 正是使用 4 階和 8 階阿達 瑪變換來計算 SATD，其變換矩陣如下：. 當計算 4 × 4 階 [L4] 的 SATD 時，先使用下面的方法進行二 維的阿達瑪變換：. L H L H ' 4. 4. 4. 4. 然後計算所有 [ L'4 ] 係數絕對值之和並歸一化。同樣的，當 計算 8 × 8 階的 SATD 時，先使用下面的方法進行二維的阿達瑪變 換：. L H L H ' 8. 8. 8. 8. 然後計算所有 [ L'8 ] 係數絕對值之和並歸一化 [62]。. 32.
(45) 第三章 儀器與藥品. 2-3 固相微萃取法 (solid phase microextraction) 2-3-1 固相微萃取法之簡介 固相微萃取法是廣泛應用的一種樣品前處理技術。文獻上已有分 析食品、血液、環境等報告。固相微萃取法 (SPME) 的裝置簡單、 攜帶容易、使用方便、偵測極限佳，最重要的是無需任何溶劑。固相 微萃取法融合了取樣、萃取、濃縮和淨化等幾個步驟簡化為一步，可 以減少樣品前處理的時間。加上操作簡單，只需一個步驟，所以減少 實驗過程中可能產生的人為誤差。固相微萃取法擁有以上幾個特點， 因此逐漸為大眾所重視。. 2-3-2 固相微萃取裝置和萃取步驟 目前固相微萃取裝置之商業化產品已經問世，並分為手動型與自 動 型 兩 種 ， 皆 為 Supelco 公 司 所 出 品 。 商 業 化 的 SPME 套 件 (Supelco, USA)，其主要構造主要分成兩部分一為纖維固定器 (holder)， 一為塗佈高分子聚合物的熔融矽纖維 (fused silica fiber)，其裝置類似 典型的推針，如圖 2-5 [63]及圖 2-6。 固相微萃取技術除了儀器裝置設計簡單外，萃取步驟亦十分方便。 首先將固相萃取裝置之不鏽鋼針管插入樣品瓶中，伸出塗覆纖維的吸 33.
(46) 第三章 儀器與藥品. 附部位，直接進入溶液中萃取或頂空萃取，靜置一段時間使塗覆纖維 表面與分析物樣品間濃度達分配平衡後，縮回纖維，再拔出固相微萃 取裝置，即完成吸附之步驟如圖 2-7。. 圖 2-5 商業化之固相微萃取法裝置圖 [63]. 34.
(47) 第三章 儀器與藥品. 圖 2-6 商業化 SPME fiber 的結構圖. 35.
(48) 第三章 儀器與藥品. 圖 2-7 固相微萃取之萃取步驟圖 (A) 頂空萃取 (B) 直接浸入萃取 (C) 以氣相層析儀分析 (D) 以液相層析儀分析. 36.
(49) 第三章 儀器與藥品. 第三章 儀器與藥品 3-1 實驗儀器 3-1-1 氣相層析質譜法 氣相層析質譜儀. (GC-MS) 可 分 為 氣 相 層 析 儀. (Gas. Chromatography, GC) 與質譜儀 (Mass spectrometry, MS) 兩個部分。 待測物先經由氣相層析儀進行層析分離，再依序通過介面 （interface） 送入質譜儀進行分析鑑定。. 3-1-2 氣相層析儀 氣相層析 (Gas Chromatography) 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。 是化合物在固定相 (stationary phase) 與流動相 (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。 氣相層析儀分為兩大部份 [64]：（一）注入端、 （二）分離系統. 37.
(50) 第三章 儀器與藥品. (一) 注入端 樣品用注射針注入汽化室如圖 3-1 [65]，樣品會在汽化室中因高 溫汽化或自然揮發汽化。其中常見的注入系統分別是：1. 分流 (split)、 2. 不分流 (splitless)、3. 管端注射 (on-column)，三種系統的特性與 優缺點如表 3-1 [66]。. Syringe. Septum purge. Septum. Syringe needle. ΔP = 0.25 psi mL flow rate. Vaporization chamber Carrier gas. Zero-dead-volume connector. Column. 圖 3-1 汽化室 (Vaporizer). 38.
(51) 第三章 儀器與藥品. 表 3-1 三種注入系統的比較 (Comparison of injection technique) 分流 (split). 不分流 (splitless). 管端 (on-column). 適用範圍. 主要成分. 微量與主要成分. 微量與主要成分. 精確度. 不良. 好. 極佳. 注入溫度（℃） 250～320. 200～280. 注入器未加熱. 可測最高濃度. 50 ng /分析物. 100 ng /分析物. 決定於分流比. 控制節流比率防止 對微量樣品的定量較分 管柱過度負荷。. A.. 流方式準確。. 優點. 能分析熱不穩定 樣品。. B.. 精準度與準確度 佳。. A.. 分流時樣品會 A.. 瞬間揮發。. 散失。. 樣品需藉由溶劑效. B.. 瞬間揮發。. C.. 間接定量。. D.. 微量分析效果. B.. 應或加以濃縮。. C.. 直接定量。. A.. 未揮發性物質會 累積在管柱前端。. B.. 部分溶劑會傷害. 缺點 管柱。. 不佳。. 39.
(52) 第三章 儀器與藥品. (二)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也就是載流氣體，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。而流動相可分 為固定壓力與固定流速兩種。 分離的成功與否另一個重點是固定相，也就是管柱內填充物質的 選取。氣相層析管柱可以分成「填充式管柱」與「毛細管管柱」二種， 而毛細管管柱的填充方式又可以分成：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 wall-coated open tubular, FSWC)， 表 3-2 [67] 是各種管柱的比較。 另外，層析管柱裝設於可調控溫度的烘箱，烘箱溫度愈高流動相 的動能也愈高，增加移動速率，進而提高分離效率。. 40.
(53) 第三章 儀器與藥品. 表 3-2 四種管柱性質的比較 (Properties and Characteristics of TypicalGas-Chromatographic Columns) Type of Column FSWC. WCOT. SCOT. 填充式. Length (m). 10-100. 10-100. 10-100. 1-6. Inside diameter (mm). 0.1-0.3. 0.25-0.75. 0.5. 2-4. Efficiency (plate/m). 2000-4000 1000-4000 600-1200 500-1000. Sample size (ng). 10-75. 10-1000. 10-1000. 10-106. Relative pressure. Low. Low. Low. High. Relative speed. Fast. Fast. Fast. Slow. Flexibility. Yes. No. No. No. Chemical inertness. Best. Poorest. 3-1-3 介面 介面扮演著串聯氣相層析儀與質譜儀，將經過層析分離的樣品送 入質譜儀偵測的角色。由於質譜儀在高真空的環境下運作，介面須移 除大部分載流氣體，並在不破壞真空環境、不影響層析分離效果且不 改變分析物組成成分的前提下，盡可能將待測物導入質譜儀。介面可 分為直接式與間接式介面，通常使用毛細管分離管柱者會搭配直接式 介面以減少樣品損失，並同時避免波峰變寬的問題，但缺點是載氣流 速會對真空造成某種程度的影響使質譜的解析度下降。 41.
(54) 第三章 儀器與藥品. 3-1-4 質譜儀 世界上第一台質譜儀於 1912 年由英國物理學家 Joseph John Thomson (1906 年諾貝爾物理學獎獲得者、英國劍橋大學教授) 研製 成功，其利用此技術研究正電流 (positive rays)，推論出離子在 y 軸 上 (或 z 軸上) 的移動距離和離子之電荷質量速度及電場 (或磁場) 間之關係，並奠定分離不同荷質比之帶電荷粒子的基礎原理。質譜儀 極其靈敏度，是現代分析不可缺少的工具。. 質譜儀的高真空系統一般由機械幫浦 (rotary pump) 串聯擴散幫 浦 (diffusion pump) 或渦輪幫浦 (turbo pump) 組成。先以機械幫浦當 做前級幫浦 (foreline pump) 真空粗抽至約 10-3 torr，接著由擴散幫浦 或渦輪幫浦將真空度降至 10-6 ~ 10-8 torr。串聯的幫浦可以快速地將真 空度降至質譜儀可工作的範圍，但仍需約 4 小時的平衡時間，待水 份、空氣等雜質充分排除，以確保儀器工作環境的穩定。 質譜儀主要可分為三個部分： （一）離子源、 （二）質量分析器（三） 離子偵測器。. （一）離子源 (Ion source) [68] 待測物進入質譜儀時會被電子、離子、分子或光子撞擊，經過此 離子化步驟可將其轉化成帶電荷的離子狀態。在氣相層析質譜儀中常 用的離子化方式有：電子撞擊式離化法 (Electron Impact, EI) 如圖 3-2、 化學離化法 (Chemical Ionization, CI)。本實驗使用的儀器為電子撞擊 式離化法。. 42.
(55) 第三章 儀器與藥品. 圖 3-2 電子衝擊式離化室 (EI Chamber). 電子撞擊式離化法是利用加熱的鎢絲 (filament) 釋放出電子，這 些電子經高壓加速後進入離化室與待測物碰撞，使得待測分子在激發 狀態下失去電子而形成分子離子，這些高能量狀態的分子離子會再分 裂成子離子。其分裂的模式會依結構本身而有其特異性，故每一化合 物都有特定的斷裂質譜，可以做為判斷化合物結構的依據，下列為離 子化及分裂途徑 [69]：ABC + e－ → ABC․+ + 2e－ ABC․+ → AB+ + C․ AB․+ C+ A․ + BC+ A+ + BC․ 43.
(56) 第三章 儀器與藥品. 分子離子的穩定度會影響其離子強度，各類分子離子之穩定度 由大到小約為：芳香環 > 具共軛鍵之不飽和碳氫化合物 > 脂肪環 > 硫化物 > 直鏈碳氫化合物 > 硫氫化合物 > 酮 > 胺 > 酯 > 醚 > 具 COOH 之酸 > 醇。 電子撞擊式離化法生成分子碎片的原則約可歸類如下： 1. 支鏈較易斷裂，支鏈上的碳形成正離子。 2. 雙鍵位置最易斷裂。 3. 含環分子之母離子具有強峰。 4. 含環化合物一定具有環之特性質量數。 5. 飽和環所接脂肪鏈位置易斷裂。 6. 含 N、S、Cl 等原子之化學鍵位置易斷裂。 7. 含 C=O 分子之化合物會斷裂成 C=O+ (m/z = 28)。 8. 環上取代基位置之碳氫化合物易斷裂。 9. 可能發生重排 (rearrangement) 現象。. （二）質量分析器 本使用的質量分析器是四極式質量分析儀 (Quadrupole Mass Analyzer)。四極式質量分析儀是由四根平行配置的圓柱狀電極所構成， 以四方形對角線排列，如圖 3-3 [70]。將直流電壓 (direct current voltage) 與射頻電壓 (radio frequency voltage) 通入電極中，只是 Y 軸方向電極所施加的直流電壓為負電，而 X 軸方向電極所施加的電 44.
(57) 第三章 儀器與藥品. 壓為正電，且射頻電壓與 Y 軸相位相差 180 度。X、Y 方向電壓所 呈現的方程式如下： X 方向：Vx = ＋( Vdc + Vrf cosωt ) Y 方向：Vy = －( Vdc + Vrf cosωt ) 不同荷質比的離子在四極柱電場中會有不同的振動軌跡，只有特定荷 質比的離子能順利通過到達偵測器，其他離子則會撞上四極柱被中和 掉，藉此達到篩選的目的。 四極式質譜分析器具有外型小不佔空間、操作與維修容易、掃瞄 速度快的特點，並可以藉由使用選擇離子偵測法 SIM (Selected Ion Monitoring) 而提升靈敏度，因此現在很多使用毛細管管柱的氣相層 析質譜儀所搭配的質量分析器多半採用四極式的分析器。. 圖 3-3 四極柱式質量分析器構造 Components of Quadrupole Mass Analyzer. 45.
(58) 第三章 儀器與藥品. （三）離子偵測器 離子通過四極式分析器後會到達離子偵測器。一般常見的離子偵 測器是電子倍增器 (electron multiplier, EM)，偵測的方式類似於光電 倍增管 (photon multiplier tube, PMT)。電子倍增器內為 Cu/Be 材質 的電極表面，當接收到離子撞擊時會釋放電子，又每個電極表面會將 接收到的電子倍增傳遞出去，經過數次連續碰撞之後，可得到放大數 個數量級的電流量，一般可將離子訊號加強 107 倍。 電子倍增器除了加強訊號的能力外，另外的優點是從接受到離子 訊號到輸出加強訊號的反應時間迅速，可以減低不必要的誤差。其電 子倍增器又分為分離式以及連續式電子倍增器兩種，如圖 3-4 [71]。 Ion beam Detector slit. To amplifier. Electrons. (A). Resistive conductive surface. -2 kV. Cascade of electrons. (B). To ground via amplifier. 圖 3-4 (A) 分離式電子倍增器 (B) 連續式電子倍增器. 46.
(59) 第三章 儀器與藥品. 3-1-5 資料處理 由質譜儀得到的層析圖及質譜圖資料會由中央處理器統一判讀。 因此中央處理器有兩大特色： 1. 具有同時監控層析圖以及對質譜分析的能力。 2. 具質譜資料庫查詢的功能，並依照其質譜斷裂情形推測最有可能 分子及相對可信度。 質譜儀偵測離子的紀錄方式有兩種： 1. 全離子掃瞄法 (Total Ion Current Monitoring, TIC)，此種方式是將 所有的離子訊號全部紀錄下來所得到的層析圖。 2. 選擇性離子偵測法 (Select Ion Monitoring, SIM)，此種方式是利用 對四極柱施加特定電壓，並只抓取特定質荷比的離子做偵測，有利於 純化層析圖及增加靈敏度。其不同掃描方式優缺點如表 3-3 [72]。. 47.
(60) 第三章 儀器與藥品. 表 3-3 不同掃描方式的優缺點 TIC. SIM. I. 可對樣品中未知化合物進行定 I. 只能針對有限數量的目標化合 性分析。. 物進行分析。. II. 可得到較完整的分子質譜資料 II. 降低背景離子與基質之干擾。 與各化合物間相對比例關係。 III. 訊 號 強 度 較. TIC 模 式 強. 102~103 倍，靈敏度較高。. III. 偵測極限較高。. IV. 可對目標外的化合物進行定性 IV. 無法針對額外化合物進行定 定量分析。. 量。. 3-1-6 質譜儀校正 為了得到良好的分析結果，質譜儀在實驗之前必須進行校正的工 作。以本實驗用的質譜儀 (Hewlett-Packard Agilent Technologies MS 5972) 為例，利用標準品 PFTBA (perfluorotributylamine) 在 70 eV 會得到的三個質譜斷片為依據，其質荷比分別為 69、219、502，可 確定質譜儀在低、中、高分子量偵測範圍的感度。 圖 3-5 為某次校正結果報告，由圖中我們可以藉由 Vacuum 的 數值以及 abundance 強度來判斷質譜的真空度，並且以 EMVolts 及 Repeller 來判斷離化源乾淨與否或是否需要更換電子倍增器。. 48.
(61) 第三章 儀器與藥品. 圖 3-5 質譜儀的校正圖. 49.
(62) 第三章 儀器與藥品. 3-1-7 儀器及週邊設備列表 名稱 氣相層析儀. 型號 GC 5890 Hewlett-Packard. 質譜儀. Hewlett-Packard 5972. 氣相層析 毛細管柱. DB-5MS. 製造廠商. 示意圖或規格. Avondale, PA. Avondale, PA Angilent Technologies. I.D. 0.25 mm. Length 30 m. Film 0.25 m. 高純度. -------. 豐明氣體. 純度 99.999%. 普通氮氣. -------. 豐明氣體. 純度 99.99%. GC 注射針. 80030. Hamilton. 氦氣. 進樣毛細管. TSP075375. 1701RN 10 L. Polymicro. SYR (26s/2”/2) I.D. 75 m, O.D. 360. Technologies. m I.D. 0.4 mm. 套圈. 213164. CRS. (ferrule). Vespel/Graphite H30920. 注射口墊片 (septum) 電磁閥 直流電源. 5183-4761. Hamilton Angilent. I.D. 0.018 inch, PTFE 11 mm. Technologies VX2110. SMC. S-15-24. Mean Well. 0101-0113. Hewlett-packard. 供應器 泡沫式. 85%/15%. 流量計 50. For air 0~15 MPa Input: 115 VAC, 0.35 A Output：+24 V, 0.7 A Output: +24 V, 0.7 A 1-10-100 mL.
(63) 第三章 儀器與藥品. LabVIEW. NI 介面卡. National. 2010 版本. Instruments National. HA7033878. PCI-6221. 電腦. 自組. Instruments 自組. 標準氣體. Tedlar®. Jensen Inert. 5L. Products. 10 L. 採樣袋. Windows XP. 真實樣品 採樣袋. 北醫提供. 北醫提供. 3-2 實驗藥品列表 藥品. 來源. 物理性質. 結構式. 分子量：58.08 沸點：56 ℃. Acetone 丙酮. Acros 密度：0.791 g/mL (25 ℃) 蒸氣壓：184 mmHg (20 ℃). 51.
(64) 第四章 研究過程和結果討論. 第四章 研究過程和結果討論 4-1 阿達瑪進樣系統 傳統 GC 實驗通常是單次進樣，由於手動進樣無法達到快速且多 次進樣的情況，故本實驗最大的不同是利用阿達瑪序列控制其開關以 達到多重進樣的目的，可提高其 S/N 值，改善儀器本身在物理上的 偵測極限，並提高靈敏度。. 4-1-1 阿達瑪進樣器 阿達瑪進樣器是以電腦輸出阿達瑪序列訊號控制開關的自動進 樣裝置。進樣器構造如圖 4-1，主體由黃銅構成，在鐵製撞針前頭有 一軟墊，並與下面的黃銅主體相密合 ，在進樣針頭上套有 GC 注射 口墊片 (septum) 切割成的軟墊，此軟墊會與上面的黃銅主體相密合， 而進樣針頭可替換成各種內徑的毛細管。 在電磁閥未通電時，鐵製撞針會受到彈簧的力量向下擠壓，使撞 針前端的軟墊會與黃銅相接並堵住出口；當電磁閥通電時，鐵製撞針 會受到電磁線圈的吸引，克服彈簧的彈力向上移動，當進樣器內部氣 52.
(65) 第四章 研究過程和結果討論. 壓高於氣相層析儀內部氣壓時即可達到進樣的目的。 電磁閥由電腦輸出控制訊號，輸出的訊號會由 NI 介面卡傳送至 驅動器，此驅動器是由 IC 2003 製作而成的趨動裝置，圖 4-2 為電磁 閥控制示意圖及驅動器內部線路圖。. (A). 24 V 電磁閥. 黃銅銅體. 彈簧 (B). 鐵製撞針 黃銅銅體 止洩墊片. 進樣針頭. 圖 4-1 (A) 阿達瑪進樣器構造圖 (B) 阿達瑪進樣器組裝後外. 53.
(66) 第四章 研究過程和結果討論. electromagnetic valve. (A) DC power. control driver. NI-6221 card. computer. (B). 圖 4-2 (A) 電磁閥控制裝置圖 (B) 驅動器內部線路圖. 54.
(67) 第四章 研究過程和結果討論. 4-1-2 丙酮標準品配製 利用微量吸量管吸取 5 mL 丙酮置於 20 mL 樣品瓶中，瓶口以 Parafilm 封緊，放置五分鐘，待瓶內充滿丙酮的飽和蒸汽壓即可用進 樣。. 4-1-3 丙酮標準品進樣 實驗裝置如圖 4-3 及圖 4-4，裝置主體為不鏽鋼材質，腔體 (chamber) 一端連接進樣器，另一端由不鏽鋼閥控制氮氣加壓。首先， 以氣密針抽取適量丙酮溶劑注入腔體中，等待二十分鐘，確保溶劑完 全氣化。待氣體標準品充滿裝置管內後關閉相通的閥，並打開加壓端 的閥以氮氣加壓至 3.0 kg/cm2，最後以電磁閥控制進樣。. 55.
(68) 第四章 研究過程和結果討論. 圖 4-3 標準樣品進樣裝置. 圖 4-4 chamber 裝置. 56.
(69) 第四章 研究過程和結果討論. 4-1-4 真實樣品採樣 (一) 正常志願者 (非糖尿病患) 呼出氣體採樣 本實驗正常志願者呼出的氣體，由實驗室成員所提供，把氣體吹 入市售的氣球裡，實際測量 8 位，合計 30 顆氣球，如此完成採樣。. (二) 糖尿病患呼出氣體採樣 糖尿病患呼出的氣體，由台北醫學大學提供，實際測量 4 位糖尿 患 (含 type I 及 type II 糖尿病患) 的呼出氣體，合計 30 袋的氣體， 如此完成採樣。. 4-1-5 呼出氣體樣品進樣 進樣裝置如圖 4-3，裝置主體以 Tee 型轉接頭連結，一端連接 幫浦抽氣，一端連接進樣器，另一端為由不鏽鋼閥控制氮氣加壓。首 先以幫浦將裝置內管線的空氣抽走，抽氣十五分鐘，待裝置內呈負壓 狀態時，將所有的閥關閉只開啟與採樣袋相通的閥，此時採樣袋內的 標準氣體會受裝置內負壓的影響而被吸進裝置內，待氣體標準品充滿 裝置管內後關閉相通的閥，並打開加壓端的閥以氮氣加壓至 3.0 kg/cm2，最後以電磁閥控制進樣。. 57.
(70) 第四章 研究過程和結果討論. 4-1-6 系統清潔方法 為避免每次實驗不受前次實驗的干擾，裝置內的清潔就顯得相當 地重要。由於系統管路為金屬材質，且以不鏽鋼居多，清潔步驟參考 環檢署公告偵測方法 [73] 中的不鏽鋼採樣筒清潔部分加以調整。 將 chamber 放入烘箱，烘箱溫度開 100 ℃放置烘一個晚上，隔 天以進樣器注入 GC/MS 檢測，若仍有殘留物則繼續重複清潔步驟。. 58.
(71) 第四章 研究過程和結果討論. 4-2 數據紀錄之時間校正 做阿達瑪轉換時，程式會擷取第 n 到 (2n-1) 個單位訊號 (bin) 進行運算。進樣時間與質譜儀單位時間紀錄點數的乘積為單位訊號的 總數據點數，若進樣時間 2 秒，質譜儀每秒紀錄 10 點，則每個單 位訊號會有 20 個數據點，轉換程式會自動將數據點數平均求得單位 訊號，再進行後續處理。 實驗在 SIM 模式下進行，除了可輸入要掃描的質荷比外，Dwell time (特定質荷比掃描時間，單位為 msec) 參數也能調整，且 Dwell time 的設定會影響單位時間記錄的點數。在針對單一質荷比進行掃 描時，Dwell time 設定為 80，此時電腦顯示每秒紀錄 10 個點 (10 cycles/sec)，但由實驗所得數據加以計算，發現質譜儀每秒只記錄 9.968095429 個點，並非恰好紀錄每秒 10 個點。這樣微小的誤差在 實驗時間拉長後便會放大，為了減少數據處理上的誤差，對轉換程式 進行修改，使每個單位訊號有整數個點以方便程式運算。其程式如圖 4-5。. 59.
(72) 第四章 研究過程和結果討論. 4. 判斷理論點數是否小於實際點數. 5. 進行刪點或補點. 2. 質譜儀每秒理論點數 1. 實驗數據. 3. 實驗每秒平均點數. 圖 4-5 校正數據程式圖. 表 4-1 數據校正後的每秒平均點數. Dwell time. 理論平均點數. 實際平均點數. 修正後平均點數. (msec). (dots/s). (dots/s). (dots/s). 80. 10. 9.96923. 10.0005. 8. 8.02863. 8.00028. 10. 10.02. 9.99982. 45, 45 or 25, 25, 25 33, 32. 60.
(73) 第四章 研究過程和結果討論. 4-3 阿達瑪進樣條件最佳化 實驗結果可得知，進樣器的進樣針頭可替換成各種內徑的毛細管， 且使用不同長度或不同內徑大小的毛細管會對進樣量造成影響。實驗 結果後，為使得進樣器能達到更快速進樣且偵測靈敏度更高的情況下， 實驗中選用內徑 75 μm 且長度 10 cm 的毛細管。. 4-3-1 阿達瑪進樣轉換結果與理論值比較 在進樣最佳條件下以阿達瑪 255 次序列進樣丙酮蒸氣樣品所得 之原始數據，使用 LabView 程式進行阿達瑪轉換時會先將單位訊號 中所有的數據點加以平均，得到單位訊號值如圖 4-6(A)，圖 4-6 (B) 則是阿達瑪進樣結果與阿達瑪序列的比較，由比較圖可發現進樣結果 的波形與阿達瑪序列吻合。 進一步將轉換後的數據與單點進樣作比較可發現 S/N 比增加了 6.4 倍，與阿達瑪 255 次序列的 S/N 比提升理論值 8.02 倍相當地 接近。 61.
(74) 第四章 研究過程和結果討論. 實驗除了使用阿達瑪 255 次序列進樣外，本研究也嘗試利用更 高次的阿達瑪 511 及 2047 次序列進樣，其不同序列進樣的轉換結 果如圖 4-7，並將不同轉換結果之 S/N 比提升倍率歸納於表 4-2 中， 從表中可發現，不論是阿達瑪 255、511 或 2047 次序列進樣，其 S/N 比的提升倍率皆與理論值相當接近。. 圖 4-6 (A) 數據點平均後得到的單位訊號 (B) 阿達瑪序列進樣結果與阿達瑪序列比較. 62.
(75) 第四章 研究過程和結果討論. 圖 4-7 一次進樣與不同次數阿達瑪轉換比較. 63.
(76) 第四章 研究過程和結果討論. 表 4-2 轉換後 S/N 比增加倍率與理論值比較. 4-3-2 進樣器穩定度與阿達瑪轉換再現性 阿達瑪轉換過程會擷取一段實驗數據進行運算，所以需要穩定的 進樣系統才能得到準確的實驗結果。從連續進樣的情況下，發現訊號 高度具有一致性，因此可認為此進樣器在進行阿達瑪序列進樣時，每 次都能夠穩定的進樣。. 64.
(77) 第四章 研究過程和結果討論. 4-4 分析物特定離子質荷比分析 本實驗是以呼出氣體作為分析物，並對氣態樣品進行阿達瑪進樣 且轉換分析，研究中使用的分析樣品是丙酮。為減少干擾並降低偵測 極限，採用 SIM 的模式進行實驗，所以要先了解分析樣品受電子撞 擊後所產生的特徵斷片。在分析樣品前，會先以 GC 注射針注入空 氣，確定注射針內是否有殘留相同片段的未知物，或管柱本身流失的 片段，之後再抽取分析物氣體注入，得到的質譜如圖 4-8，質譜圖中 可以看到 molecular ion peak m/z = 58 及 base peak m/z = 43 的訊號， m/z = 43 的訊號是因為失去一個甲基，往後實驗便以各分析物的主要 離子質荷比進行掃描。. Abundance. 43 58. m/z. 圖 4-8 丙酮質譜圖. 65.
(78) 第四章 研究過程和結果討論. 4-5 真實樣品上的應用 4-5-1 阿達瑪轉換對非糖尿病患呼出氣體研究 使用的氣體樣品是非糖尿病患呼出的氣體。非糖尿病患呼出氣體 單次進樣的結果如圖 4-9。以阿達瑪 255 次進樣，其轉換結果如圖 4-10。在單次進樣的部分，連續進樣三次，箭頭地方理當出現丙酮訊 號，但三次都沒出現，呼氣中丙酮訊號幾乎看不到。經過阿達瑪序列 255 進樣得到的原始數據如圖 4-10 (B)中 Raw data ，從轉換結果可 看到丙酮訊號的 S/N 比變為 7.9 ，轉換效率相當的好。. 66.
(79) 第四章 研究過程和結果討論. 圖 4-9 非糖病患吐氣單點進樣（連續進樣三次）. Retention Retentiontime time(sec) (sec) 圖 4-10 非糖病患吐氣阿達瑪轉換. 67.
(80) 第四章 研究過程和結果討論. HT-GC/MS 條件： 進樣量: 20 msec 背壓: 3 atm Inlet : 180 ℃ Detector : 260 ℃ Flow : 0.75 mL/min Split flow : 30 mL/min GC-MS Mode : 42,58 m/z Oven temperature : 45 ℃. 4-5-2 固相微萃取對非糖尿病患呼出氣體研究 首先將正常人呼出的氣體吹入市售的氣球內，將固相萃取裝置之 不鏽鋼針管插入氣球中，伸出塗覆纖維吸附 1 分鐘後，縮回纖維， 取出固相微萃取裝置，即完成吸附，將已吸附分析物之萃取纖維直接 置於氣相層析儀之注射口進行熱脫附，脫附時間為 1 分鐘，分析物 自塗覆纖維上脫附至氣相層析儀進行分離與偵測。 非糖尿病患呼出氣體在單點進樣的部分，丙酮的訊號幾乎看不見， 其 S/N 比約為 1，在理論上並不認為是訊號，在經過固相微萃取後 發現在丙酮滯留位置上出現一支明顯的訊號如圖 4-11 (B)，此時 S/N 提升了數倍。 68.
(81) 第四章 研究過程和結果討論. 圖 4-11 非糖尿病患呼出氣體的固相微萃取與單次進樣結果比較. GC-MS 條件： Inlet : 250 ℃ Detector : 260 ℃ Flow : 0.75 mL/min Split flow : 30 mL/min GC-MS Mode : 43,58 m/z Oven temperature : 45 ℃. 69.
(82) 第四章 研究過程和結果討論. 4-5-3 非糖尿病患呼出的丙酮含量 實驗測量八位非糖尿病患者的呼出氣體，八位皆來自於本實驗室 成員，實驗結果發現丙酮的含量平均值為 0.1 ~ 1 ppmv，與文獻值所 說正常人呼出的丙酮濃度低於 0.76 ppmv 相當符合，其中有一位志 願者的實驗數值偏高，高於 1 ppmv 如圖 4-12，有待追蹤，已經建 議去做進一步檢查。. 圖 4-12 正常人的呼氣丙酮值. 70.
(83) 第四章 研究過程和結果討論. 4-5-4 糖尿病患呼出的丙酮含量 實驗測量 2013 年到北醫就診四位糖尿病患的呼氣丙酮值，實驗 結果發現丙酮的濃度都在 1 ppmv 以上，與文獻值所說糖尿病患呼出 的丙酮濃度高於 1.71 ppmv 相當符合，如圖 4-13，所以我們可以依 據 1 ppmv 做為一個標準，如果非糖尿病呼出氣體丙酮濃度高於 1 ppmv，就會建議去做追蹤，進一步檢查。. 圖 4-13 2013 年到北醫就診四位糖尿病患的呼氣丙酮值. 71.
(84) 第四章 研究過程和結果討論. 4-5-5 糖尿病患的血糖值 北醫就診四位糖尿病患的飯前血糖值都非常高如圖 4-14，飯前血 糖理想值 (80-120 mg/dl)表 4-3，其中一位糖尿病患飯前血糖在控制 之下，其他都高出於理想值許多，個人的血糖控制，能減少嚴重併發 症及副作用。. 圖 4-14 2013 年到北醫就診四位糖尿病患的血糖值. 72.
(85) 第四章 研究過程和結果討論. 表 4-3 糖尿病人血糖控制指標 (*不同檢驗方式數值會有不同). 生化指數 無糖尿病者 飯前血糖 (mg/dl) <110. 理想值 80-120. 建議掛診檢查 <80, >140. 睡前血糖 (mg/dl) 糖化血紅素 (%)*. 100-140 <7. <100, >160 >8. <120 <6. 4-5-6 糖尿病患的糖化血色素 所謂「糖化血色素」(HbA1c)是指人體血液中的紅血球含有血色 素，當血液中的葡萄糖進入紅血球，和血紅素結合後，就形成糖化血 色素。「糖化血色素」除了當作糖尿病的血糖追蹤指標以外，也是新 的診斷工具，一般人糖化血色素的正常值約為 4 - 6 ％，糖尿病人宜 控制在 7 ％ 以下，但研究發現，國內只有 3 成糖尿病患，血糖控制 可達到糖化血色素小於 7 的標準如表 4-4。平均血糖值與糖化血色素 的對照如表 4-5。. 73.
(86) 第四章 研究過程和結果討論. 表 4-4 糖尿病人呼氣中丙酮、血糖值、糖化血色素與酮酸之比較. 糖尿病患. 尿液. 血液. (%). 酮酸. 酮酸. 230. 10.7. 1+. negative. 2.4. 76. 9.7. negative negative. 2.9. 240. 9.7. negative negative. 9.4. 226. negative negative. 3.3. 180. negative negative. 呼氣中丙酮. 血糖值. 糖化血色素. (ppmv). (mg/dl). 2.2. TYPE 1 王X梅 (飯前) TYPE 2 劉X綾 (飯前) 劉X芝 (飯前) 汪X勵 (飯前) 汪X勵 (飯後). 74.
(87) 第四章 研究過程和結果討論. 表 4-5 平均血糖值與糖化血色素的對照表. 糖化血色素. 平均血糖值. 6. 126 mg/dl. 7. 154 mg/dl. 8. 183 mg/dl. 9. 212 mg/dl. 10. 240 mg/dl. 11. 269 mg/dl. 12. 298 mg/dl. 75.
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