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
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(2) 中文摘要 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.
(3) 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。. 關鍵字:微型發音哨、氣相層析儀、LabVIEW、呼吸作用、種子萌發. II.
(4) Abstract In this study, the dynamic response of seed germination and respiration of Mung bean to simulated acid rain stress were investigated. The sterilized seeds were dipped in simulated acid rain solution with pH 7, 6, 5 ,4 ,3 for 12 hours and temperature effect was also considered. To evaluate the respiration rate during the seed germination, a gas chromatography/milli-whistle device was used to on-line monitor the production of oxygen and carbon dioxide. The milli-whistle was connected to the outlet of a GC capillary, and when the analyte gases and the GC carrier gas pass through it, a sound with a fundamental frequency is produced. The online data obtained for frequency vs. retention time can be recorded after a fast Fourier transform. With the decrement of pH of acid rain solution, the respiration rate of Mung bean was decreased, The effect of simulated acid rain on the germinated energy in pH value 3 to 7 the activated energy was 17.5834kJ mol-1, 17.0047kJ mol-1, 16.2955kJ mol-1, 11.5170kJ mol-1 and 11.2704kJ mol-1 respectively. Simulation of acid rain could restrain the germination of seed in some degree and the restraining effect strengthened with the rise of acid rain degree.. Keywords: milli-whistle, gas chromatography, seed respiration, LabVIEW. III.
(5) 目錄. 中文摘要..............................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................................ III 目錄 ................................................................................................................................... IV 圖目錄 ............................................................................................................................... VI 表目錄 ............................................................................................................................... IX 第一章 緒論 ...................................................................................................................... 1 1-1 研究目的 ............................................................................................................ 1 1-2 酸性環境的植物萌發 ....................................................................................... 2 第二章 研究方法及原理 ................................................................................................. 3 2-1 微哨聲波感測器 ............................................................................................... 3 2-1-1 微哨感測器的偵測原理 ...................................................................... 4 2-1-2 微哨感測器的開發設計 ...................................................................... 8 2-1-3 偵測極限與儀器改良......................................................................... 10 2-2 種子的萌發 ...................................................................................................... 16 2-2-1 呼吸作用 ............................................................................................. 16 2-2-2 呼吸作用指標 ...................................................................................... 19 2-2-3 影響呼吸作用的因素.......................................................................... 22 2-3 生物活化能的理論計算 ................................................................................. 23 第三章 儀器、藥品與實驗方法 ................................................................................... 25 3-1 實驗儀器........................................................................................................... 25 3-1-1 微哨感測器 ............................................................................................ 27 3-1-2 氣相層析儀 ............................................................................................ 28 3-1-3 自組裝恆溫槽........................................................................................ 29 3-1-4 自組裝自動進樣裝置 ........................................................................... 30 3-2 裝置控制、資料處理與 LabVIEW 編程 .................................................... 32 3-3 儀器設備與藥品列表 ...................................................................................... 36 第四章 研究過程與結果討論 ....................................................................................... 39 4-1 酸性溶液配置.................................................................................................. 39 4-2 種子處理 ........................................................................................................... 39 4-3 種子萌發初期的反應條件與操作 ................................................................ 39 4-4 氧氣、二氧化碳檢量線 .................................................................................. 39 4-5 與市售氣體感測器之比較 ............................................................................. 42 4-6 呼吸作用反應過程 ......................................................................................... 45 IV.
(6) 4-7 種子在不同酸性條件下的生理表現 ............................................................ 47 4-7-1 呼吸速率的測定 .................................................................................. 47 4-7-2 種子萌發率 ......................................................................................... 49 4-7-3 呼吸商隨時間變化 ............................................................................. 50 4-8 呼吸作用的活化能計算 ................................................................................. 53 第五章 結論 .................................................................................................................... 57 第六章 附錄 .................................................................................................................... 58 6-1 其他氣體之偵測應用 ...................................................................................... 58 6-1-1 GC/微哨感測器應用於即時偵測金屬錯合物氧氣催化反應 ................ 58 6-1-2 測定人體呼氣中氧氣/二氧化碳比與血糖的關係 .................................. 60 參考資料........................................................................................................................... 63 學會發表........................................................................................................................... 66. V.
(7) 圖目錄 圖 2-2 邊稜音結構 .................................. 4 圖 2-3 空氣柱示意圖 ............................... 5 圖 2-4 哨子結構示意 ............................... 9 圖 2-5 H2 10μL的層析圖 ............................ 11 圖 2-6 CO2 10μL的層析圖 ........................... 12 圖 2-7 O2 10μL的層析圖 ............................ 12 圖 2-8 GC/微哨偵測器搭配鎖相放大儀器架構圖........ 13 圖 2-9 訊號接收與轉換輸出程式 .................... 13 圖 2-10 哨子結構示意 ............................. 14 圖 2-11 截波器所使用的 3D 列印馬達輔助旋轉閥 ....... 14 圖 2-12 利用截波裝置將聲波轉換成脈衝電壓訊號 ...... 15 圖 2-13 醣類的呼吸作用 ........................... 18 圖 3-1 實驗裝置與條件示意圖 ...................... 25 圖 3-2 實驗裝置實際照片 .......................... 26 圖 3-3 哨子感測器 ................................ 27 圖 3-4 HP 5890 Series II 氣相層析儀 ............... 28 圖 3-5 自組裝恆溫槽 .............................. 29 圖 3-6 自動進樣裝置架構圖 ........................ 30 VI.
(8) 圖 3-7 自動進樣裝置實際照片 ...................... 31 圖 3-8 電磁閥驅動電路 ............................ 31 圖 3-9 哨音處理、溫度記錄與自動進樣程序人機操作介面 .............................................. 34 圖 3-10 資料處理程序人機操作介面 ................. 35 圖 4-1 二氧化碳檢量線 ............................ 40 41 圖 4-2 氧氣檢量線 ................................ 41 圖 4-3 市售二氧化碳感測器 ........................ 43 圖 4-4 市售二氧化碳感測器之濃度計算 .............. 43 圖 4-5 微哨偵測器與市售偵測器之種子呼吸作用下不同 pH 環境下的二氧化碳產量結果 ...................... 44 圖 4-6 反應一小時後的種子呼吸作用層析圖譜 ......... 45 圖 4-7 十小時後的種子呼吸作用層析圖譜 ............ 46 圖 4-8 不同酸度下得到的二氧化碳產量 .............. 48 圖 4-9 不同酸性溶液下的萌發率 .................... 49 圖 4-10 30℃下種子呼吸商隨時間的變化 ............. 51 圖 4-11 30℃下綠豆種子在各 pH 值下的發芽情形 ...... 52 圖 4-12 pH 7 條件下之阿瑞尼斯作圖 ................. 54 VII.
(9) 圖 4-13 pH 6 條件下之阿瑞尼斯作圖 ................. 55 圖 4-14 pH 5 條件下之阿瑞尼斯作圖 ................. 55 圖 4-15 pH 4 條件下之阿瑞尼斯作圖 ................. 56 圖 4-16 pH 3 條件下之阿瑞尼斯作圖 ................. 56 圖 4-17 cat-1[Mn(bdtbpza)2(H2O)2(EtOH)] ............ 58 圖 4-18 反應物之體積比與之 O2 變化量關係 ........... 59 圖 4-19 人體呼氣層析圖 ........................... 61 圖 4-20 人體呼氣層析圖 ............................ 61 圖 4-21 受試者 A 連續九小時監測 .................... 62 圖 4-22 受試者 A 連續九小時監測 ................... 62. VIII.
(10) 表目錄 表 2-1 各種營養基質來源的呼吸商數值 ............... 20 表 3-2 藥品列表 .................................. 36 表 3-3 儀器設備與周邊 ............................ 37 表 4-1 各 pH 及溫度條件下得到的反應速率常數 ........ 53. IX.
(11) 第一章 緒論 1-1 研究目的 酸雨對生態系統比較脆弱的地區影響較大，農業發展也會受到衝 擊。當空氣汙染日益惡化時，若是農業大縣緊鄰工業區，工業排放、 空氣汙染等多項因素，空氣中的污染物質融入雨水形成酸雨，便很有 可能使得農作物在酸雨的影響下不利於生長，最後造成產量減少。 另一方面，種子和苗木生產為高經濟農業生產栽培的基本要素， 種子苗的生產要考慮種子、介質、環境及栽培管理等因素。種子具有 重量 輕、體積小、單價高、運送保存方便的特點，針對有些優良且 特殊的高價種子，其單價甚至比黃金貴。近年來先進國家，積極在了 解培育種子栽種方面的高度專業知識與精密科技的農業生產事業 [1-6]。因此本研究希望能開發一套容易應用針對不同種子的萌發期 的生理反應，進行一連串的生物指標分析，探討在各種條件下種子的 萌發反應變化。. 1.
(12) 1-2 酸性環境的植物萌發 呼吸作用在作物的生長發育、物質吸收、運输方面有著十分重要 的作用，因此許多栽培研究是為了直接或間接確保作物呼吸作用的正 常進行[7-18]。尤其對於稻米種子浸种催芽為熱門的研究課題 [19-28]。 酸雨是全球關注的三大環境問題之一。對於雨水较多的地區或時 節，除了水份多寡會影響種子發育，雨水的酸度也會對種子萌發產生 影響。然而有些種子卻需要靠酸來打破休眠期。由於種子種皮緻密堅 硬不容易吸水也限制了呼吸作用所需的氧氣，而阻礙生長[29,30]。 例如天竺葵。借助用酸液處理，可促使種皮軟化而吸收水分以及讓氣 體順利進出。當種子內含化學抑制物質便會引起長久的休眠，必須要 當化學物質消失則種子才會發芽[31-38]。例如有些熱帶單子葉植物 如椰子類， 種子需貯藏數年才會發芽。. 2.
(13) 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。. 3.
(14) 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. 4.
(15) 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. 5.
(16) 在本研究中，所使用的哨子屬於閉管式的邊稜音的發音構造。 邊稜音頻率的相關公式如下[45] F=A. V. (公式 2-1). L. F:邊稜音音頻 A:渦流流速與吹入氣體流速的比例常數 V:吹入氣體流速 L:狹縫寬度. 當氣體流經邊稜結構時，部分渦流在閉管哨體內來回振動形成駐 波(standing wave)而發出聲響。閉管空氣柱頻率的相關公式如下: f= f:閉管空氣柱頻率. v. (公式 2-2). λ. 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: λ. L = n( ). (公式 2-3). 4. L:閉管空氣柱長度. n:頻率倍數. λ:駐波波長. 由聲波速度與空氣柱振動介質的關係式： v=√ v:聲波速度. γ:絕熱係數. γRT M. R:理想氣體常數. T:絕對溫度 M:氣體分子量. 6. (公式 2-4).
(17) 將聲速公式代入基頻公式可得到: v. v. λ. 4L. f＝ =. =. √. γRT M. 4L. (公式 2-5). 由上式即可推算出特定長度的閉管式哨子基頻。 從公式中可確知在固定長度及內徑哨子的條件下，並以固定流速流 經哨子，通過的氣體分子量愈低，產生的聲波頻率愈高，反之 較高分子量之氣體則會產生較低的音頻。透過實驗結果可獲得以下關 係式: M′ = M1 + n (M2 − M1 ) M’:待測物與流經的載流氣體之平衡質量 M2:待測氣體分子量. (公式 2-6). M1:載流氣體分子量. n:載流氣體與待測氣體的莫耳分率. 將此實驗結果代回(公式 2-5)，可修正得到以下公式: γRT. Ƒ" =. √M +n (M −M ) 1 2 1 4L. (公式 2-7). Ƒ":哨子發音頻率. 當總氣體流量為已知，待測氣體分子量亦為已知，即可算出待測 氣體與載流氣體之莫耳分率，進一步藉由最後公式以波峰頻率以及其 他參數推得待測氣體之分子量。. 7.
(18) 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。. 8.
(19) 圖 2-4 哨子結構示意. 9.
(20) 2-1-3 偵測極限與儀器改良 本實驗室目前共設有三組 GC/微哨聲波為哨感測裝置，而 在本實驗中所使用的裝置目前的氣體感測能力可藉由分離管柱 的選擇應用不同氣體之分析。在偵測極限方面，下圖 2-5 為 H2、 CO2、O2 三種氣體的 10μL的層析圖。聲波感測器曾經應用於能 源材料的儲氫能力、酒精發酵、人體呼氣等氣體感測之測定。 由於微哨偵測器體積小、不需提供額外電力，且原理簡單，操 作容易，目前本實驗室已開發出可攜式 GC/微哨偵測裝置。因 此期望可將微哨偵測器應用至非侵入式的生醫檢測領域。然而 對於有機氣體的分析而言，當分析氣體的含量太低，容易受到 雜訊的干擾而影響其感度。 為了增加儀器的應用性。在國立台灣大學化學系笠井俊夫 教授的協助指導下，藉由鎖相放大技術來提升訊號感度。圖 2- 8 為設計裝置架構圖。GC/微哨偵測器搭配鎖相放大部件之實際裝 置如圖 2-10 所示。應用 3D 列印技術進行部件開發出專為微哨 偵測器搭配之哨音截波器(圖 2- 11 ) ，並以編寫的 LabVIEW 程 式(圖 2-9 )控制脈波頻率並在程式端進行頻率與電壓轉換將訊 號輸出至 RS830 鎖相放大器。其工作原理主要是透過輔助氣體 之脈衝輸入來產生脈衝哨音波。由脈衝波之頻率作為參考訊號， 10.
(21) 對分析訊號進行相位的選擇來達到降低背景雜訊之效果。圖 2-12 為經由截波器將聲波轉為脈衝電壓之訊號。理論上將此訊 號輸出給鎖相放大器並藉由相位與參數調整，最後可由放大器 端的輸出獲得氣體通過微哨感測器時的即時訊號值，雖然成功 透過脈波產生器將聲波轉為脈衝電壓，但是由於透過擠壓軟管 來切斷載流氣體會影響到氣流之穩定性，因此最後阻礙相位選 擇與參數設定上的進行。目前本實驗室後續將以改良磁力閥取 代脈衝產生部件來繼續努力提升訊號感度。. 8370. 頻率差. H2 10 µL 8368. ∆f = 3.44 8366. baseline ∆f = 0.07. 8364 0. 0.2. 0.4. 0.6 0.8 時間(分). 圖 2-5 H2 10μL的層析圖. 11. 1. 1.2. 1.4.
(22) 8348. 頻率差. ∆f = −0.9 CO2 10 µL. 8346. baseline ∆f = 0.07. 8344 0. 0.5. 1 時間(分). 1.5. 2. 圖 2-6 CO2 10μL的層析圖. 8344. 頻率差. 8342. O2 10 µl. 8340. ∆f = −0.68 baseline ∆f = 0.07. 8338 0. 0.5. 1 時間(分). 圖 2-7 O2 10μL的層析圖. 12. 1.5. 2.
(23) 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. 13.
(24) 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. 14.
(25) 圖 2-12 利用截波裝置將聲波轉換成脈衝電壓訊號. 15.
(26) 2-2 種子的萌發 在萌發初期，一般經歷吸水、內部成分的水解與呼吸作用、胚 根突破種皮等過程。種子內儲藏的蛋白質、澱粉等營養成分可以經吸 脹作用吸水進行水解反應。種子吸水後內部的酵素酶會逐漸形成並且 活化將澱粉或蔗糖水解為葡萄糖等單糖；脂質經水解和代謝後轉換成 可利用的單糖；蛋白質則分解為氨基酸組合成為新的蛋白質。此時在 物質轉化的過程中，呼吸會逐漸增強，胚芽細胞迅速增生，體積不斷 增大，最後胚根突破種皮而出。當長成一定長度的胚根、胚芽時，即 完成發芽的階段[46,47]。 種子萌發除水分外還必須要有適當的氧氣和溫度條件。萌發過 程中旺盛的呼吸作用必須要有充足的氧氣進行氧化反應。而溫度對呼 吸作用的速率和酶的催化都有影響。不同種子萌發的最高、最適和、 最低溫度也不同。而種子在萌發階段一般並不需要照光協助反應 [48-51]。. 2-2-1 呼吸作用 種子細胞在氧氣參與下藉由呼吸作用產生能量以利生理活動的 進行。而醣類參與的有氧呼吸的簡化反應式如下[52-53]： C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + ATP. 16. (公式 2-8).
(27) 而實際細胞利用呼吸作用所產生能量的生理機制相當複雜，在氧氣供 應充足下，葡萄糖可以完全氧化，產生二氧化碳、水及能量。有氧呼 吸包括四個步驟：糖解作用、乙醯輔酶 A 的形成、克氏循環、電子傳 遞鏈[54]。 糖解作用（glycolysis） 在細胞進行有氧呼吸或無氧呼吸的過程中，葡萄糖在細胞質中被分解 成丙酮酸，並產生少量的 ATP 及 NADH，糖解作用的過程中不需氧 氣的參與。 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。 17.
(28) 圖 2-13 醣類的呼吸作用 18.
(29) 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 𝐞𝐥𝐢𝐦𝐢𝐧𝐚𝐭𝐞𝐝 𝐎𝟐 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]。. 19.
(30) 表 2-1 各種營養基質來源的呼吸商數值. 20.
(31) 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。. 21.
(32) 2-2-3 影響呼吸作用的因素 呼吸作用的強弱和特性可以間接反應出植物的生理活動、周遭環 境的改變。以下為可能影響呼吸作用的因素:. 2-2-3-1 植物種類 生長快的植物呼吸速率高於生長慢的植物。內部的營養物質組成 會影響呼吸底物的供應情形。以及種子外層表皮是否堅硬也會影響對 於水分的吸取量的表現。[60-62]. 2-2-3-2 溫度 溫度過高或過低都會影響酵素酶的活性，進而影響到呼吸速率。 呼吸速率在一定溫度範圍内隨溫度的升高而呼吸增高，到達最大值後， 繼續升高時呼吸速率則下降。當呼吸保持穩定的最高呼吸強度時的溫 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]。 22.
(33) 2-2-3-4 水分 植物組織的含水量與呼吸作用有密切的關係。呼吸速率會隨组織 含水量的增加而升高。乾燥種子的呼吸作用很微弱。當種子吸水後， 呼吸速率迅速增加。對於萌發期較長的種子來說，细胞含水量就成為 呼吸作用強弱的重要因素[66]。 影響呼吸作用的外界因素除了植物種類、溫度、氧氣、水分之外， 呼吸底物的含量、機械性損傷、一些礦物元素（如磷、鐵、銅等）對 呼吸也有影響[67-68]。. 2-3 生物活化能的理論計算 為了進一步確認種子在萌發階段因為不同的外在條件而造成的 生理影響，從呼吸作用產生的二氧化碳及消耗的氧氣可藉由阿瑞尼士 方程式(Arrhenius equation)的作圖計算出反應的活化能。阿瑞尼斯 方程式(公式 2-12)為化學反應速率常數與溫度之間的關係式，適用 於基元反應和非基元反應，以及某些非均相反應[69]。. ln(k) = ln(𝐴) −. 𝐸𝑎 1 𝑅 𝑇. k:反應速率常數 A:阿瑞尼斯常數，單位與 k 相同 𝐸𝑎 :反應活化能，單位為焦（J）或千焦（kJ） R:理想氣體常數 T:絕對溫度（K）. 23. (公式 2-12).
(34) 本研究藉由即時測定氧氣的消耗及二氧化碳的生成，當進樣量為 已知，即可從微哨偵測器分析到的氣體組成推算出定壓系統下樣品瓶 中的氧氣與二氧化碳分壓比。則反應速率的積分式[70-72]可表達如 (公式 2-13)及(公式 2-14): PO2 = PO02 e−kt. (公式 2-13). ∞ 0 PCO2 = PCO (1 − e−kt ) + PCO 2 2. 𝑃𝑂02 : 氧氣初始分壓. (公式 2-14). 𝑃𝑂02 :當氧氣消耗完畢時的最終二氧化碳分壓. 由上述公式可得到以下關係式: PO2 PO2 +PCO2. = P∞. P0O2 e−kt. (公式 2-15). −kt ) + P0 CO2 (1−e CO2. 將(公式)進行簡化並取對數可得到(公式 2-16): ln (. PO2 PO2 +PCO2. ) = (P 0. O2. P0O2. + P0CO2. ) − kt. (公式 2-16). 因此以時間對公式作圖即可由斜率得到反應速率常數 k。從阿瑞尼士 方程式的關係中可透過絕對溫度的倒數對反應速率常數取自然對數 的方程式係數推算出活化能。. 24.
(35) 第三章 儀器、藥品與實驗方法 3-1 實驗儀器 本研究的實驗裝置示意圖與實際設置，如圖所示。. 圖 3-1 實驗裝置與條件示意圖. 25.
(36) 圖 3-2 實驗裝置實際照片. 26.
(37) 3-1-1 微哨感測器 本實驗使用的微哨感測器主要針對氣體樣品進行分析，如圖 3-3 所示。微哨偵測器之外徑為 3 mm、內徑為 1 mm、共振腔長度為 9 mm、 整體長度為 18 mm、適用氮氣流量範圍 40 至 60 mL/min、發音頻率 為 7800 至 8700 Hz。. 圖 3-3 哨子感測器. 微哨感測器在通入氣體時，依通過氣體的平均分子量不同而得到 不同的聲波頻率。由公式可知，若通過微哨的分析氣體平均分子量較 大時，會產生較低的音頻，反之，若通過微哨的分析氣體平均分子量 較小時，會產生較高的音頻。為了避免外界的雜音干擾到哨音訊號， 微哨感測器被置於氣密式的隔音管中。微哨感測器可搭配市售麥克風 作為偵測器。在本實驗中使用的是 NI 儀器的整合式電子壓電 (IEPE) 麥克風。. 27.
(38) 3-1-2 氣相層析儀 在本研究中為使用 HP 5890 Series II 氣相層析儀，如圖 3-4 所示。 分析管柱為 HP-PLOT Q，長 30 m、內徑 0.45 mm、膜厚 2.55 μm。 當樣品被注入氣相層析儀中，先在進樣器中被汽化，接著被載流 氣體攜帶至分離管柱進行分離。依照氣體樣品各組成與分析管柱本身 的特性，各組成氣體會在不同的滯留時間被析出通過微哨偵測器。 氣相層析儀由進樣器與分離系統兩個部分組成。可調控進樣器的 溫度、分離管柱的烘箱溫度、管柱柱頭壓、進樣器分流/不分流。適 當參數的調控，可得到最佳的分析條件。. 圖 3-4 HP 5890 Series II 氣相層析儀. 28.
(39) 3-1-3 自組裝恆溫槽 本研究中利用到的銅管恆溫槽可容納 5mL 體積的樣品瓶。並以 市售的溫控裝置將銅管加熱，以 K-type 之熱電偶作為溫度感測進行 溫度條件的控制。樣品槽溫度可穩定維持在±0.5℃。自組裝恆溫槽如 下圖所示。. 圖 3-5 自組裝恆溫槽. 29.
(40) 3-1-4 自組裝自動進樣裝置 為了探知種子在萌發階段的呼吸作用進行即時監測。自組裝的自 動進樣器被使用於本研究中。其架構圖與實際裝置，如圖 3-6、3-7 所示。當磁力閥開啟時，當樣品槽的背壓大於進樣端的壓力差，氣體 樣品便可從樣品槽通入置氣相層析儀中。 磁力閥的運作利用 LabVIEW 程序進行編程控制，以類比/數位卡 PCI-6221 提供 5 VDC 經 ULN2003AG 晶片轉換成 24 VDC，啟動磁力 閥。電磁閥電路圖如圖 3-8 所示。. 圖 3-6 自動進樣裝置架構圖. 30.
(41) 圖 3-7 自動進樣裝置實際照片. 圖 3-8 電磁閥驅動電路. 31.
(42) 3-2 裝置控制、資料處理與 LabVIEW 編程 以 LabVIEW 進行程式編寫來控制自動進樣系統、進行訊號處 理與紀錄。LabVIEW 於 1986 年在蘋果電腦上率先引入虛擬儀表 (Virtual instrumentation) 概念。在圖形化程式語言(graphical language, G-language) 環境下，使用者可直接藉由人機介面(front panel) 直接控制自組裝儀器。 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。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。 在本研究中使用了兩套 LabVIEW 程式，進行實驗的控制並完成哨音 的分析工作。 (一) 哨音紀錄處理與自動進樣 LabVIEW 程式 程式的人機介面，如圖 3-9 所示。程式的編程包含麥克風訊號的 擷取與處理、自動進樣與存檔系統三個部分組成。 NI 儀器的電子壓電式指向性 (IEPE)麥克風可收取 100 kHz 範圍 內之頻率，以 PCI-4461 擷取音訊，透過哨音的正弦波頻率經由快速 傅立葉轉換後，表示成方便讀取的訊號「聲波頻率」。取振幅最高的. 32.
(43) 頻率每秒紀錄 5 個訊號點，並與該時間點進行紀錄，即可得到頻率時間的即時層析圖。 在進樣與存檔系統的部分，在每次資料紀錄開始時，藉由 PCI-6221 輸出 5 DCV 的電壓，經 ULN2003AG 晶片轉成 24 DCV 的 電壓，驅動磁力閥之開關。磁力閥開啟的時間可在程式中對電壓的輸 出率進行編程。在程式中，可設定層析圖譜紀錄時間長度，在時間結 束時，每一張層析圖將以 txt 檔自動進行命名存檔，接著自動進行下 一次進樣的動作與紀錄工作。. 33.
(44) 圖 3-9 哨音處理、溫度記錄與自動進樣程序人機操作介面. 34.
(45) (二) 資料處理 LabVIEW 程序 程式實際的人機介面，如圖 3-10 所示。此程序主要針對長時間 的監測實驗進行多張層析圖檔進行選取載入、數據整合處理與匯出。 此程序的運作流程為多個 txt 檔案依次讀入後，可在程式中設定 滯留時間的時間範圍，進行讀取此時間點頻率與基線頻率的差值，重 新紀錄、匯出頻率差的數據資訊。. 圖 3-10 資料處理程序人機操作介面. 35.
(46) 3-3 儀器設備與藥品列表 表 3-1 藥品列表 藥品. 來源. 硝酸. 物理性質. 強酸，為無色液體，與水混 ACRÔ S 溶，有強氧化性和腐蝕性。. Nitric acid. 高腐蝕性的強礦物酸，一般 硫酸. 為透明至微黃色，在任何濃 SIMGA 度下都能與水混溶並且放. Sulfuric acid. 熱。 其水溶液顯弱鹼性，普通情 碳酸鈉 島久. 況下為白色粉末，為強電解. Sodium carbonate 質。. 精選綠豆. 日正食品. 一年生草本，綠豆屬於喜熱，. Mung bean. (產地: 澳洲). 短日照作物。. 36. 結構式.
(47) 表 3-2 儀器設備與周邊 名稱. 氣相層析儀. 型號. 示意圖或規格. GC 5890 Hewlett-Packard. 氣相層析 毛細管柱. 製造廠商. HP-PLOT Q. Agilent Technologies. Angilent Technologies. I.D. 0.45 mm. Length 30 m. Film 2.55 μm. 氮氣. -. 豐明氣體. 純度 99.99%. 二氧化碳. -. 豐明氣體. 純度 99.99%. GC 注射針. # 5182-3499. Hamilton. 10 μL、25 μL、 50 μL、100 μL. 213164. CRS. H30920. Hamilton. I.D. 0.018 inch, PTFE. 5183-4761. Angilent Technologies. 11 mm. VX2110. SMC. For air 0~15 MPa. 套圈 (ferrule). I.D. 0.4 mm 85%/15% Vespel/Graphite. 注射口墊片 (septum) 電磁閥. Input: 115 VAC, 0.35 A 變壓器. S-15-24. Mean Well. Output：+24 V, 0.7 A Output: +24 V, 0.7 A. LabVIEW. NI 介面卡. National. 2010 版本. Instruments. HA7033878. National Instruments. PCI-6221 PCI-4461. 37.
(48) 電腦. 自組. 智慧型半微量 天平. pH meter. Sartorius. F-52. 自組. Cubis MSA125P-100-DA. Horiba InstrumenT. 38. Windows XP.
(49) 第四章 研究過程與結果討論 4-1 酸性溶液配置 硫酸與硝酸以 4.7:1.0 的體積比配置出 pH 1 的酸性溶液。再分別以 DI 水稀釋為 pH 3、pH 4、 pH 5、 pH 6、 pH 7 (參考組) 等濃度的 酸性溶液[73][74]。. 4-2 種子處理 挑選均勻飽滿的綠豆種子進行水洗除去雜質並乾燥。取 15 顆種子均 勻排列在樣品瓶中。以浸種方式取 3mL 酸性溶液加入樣品瓶中。. 4-3 種子萌發初期的反應條件與操作 將種子浸種在酸性溶液( pH 3、pH4、 pH 5、 pH 6 )下於暗處下 進行 24 小時監測，並以 pH 7 條件下作為對照組。將樣品瓶置於恆溫 槽並抽去瓶中殘留氣體後，通入 0.4 kg/cm2 的固定量氧氣。同時每個 酸度都進行五種溫度( 20、23、25、28、30℃ )的條件進行反應。. 4-4 氧氣、二氧化碳檢量線 呼吸作用反應中包含氧氣的消耗及二氧化碳的產生。透過即時監 測，將反應槽的上層氣體注入氣相層析儀/微哨偵測器裝置中。注入 的氣體包含氮氣、微量水氣、二氧化碳、氧氣。由於實驗中使用的載 流氣體、輔助氣體皆為氮氣，因此不會觀察氮氣濃度的變化。將二氧 化碳注入氣體體積與頻率變化可以得到二氧化碳的檢量線。二氧化碳 39.
(50) 的檢量線是利用氣密針進行進樣，為避免拆裝自組裝自動進樣裝置造 成系統上的誤差，二氧化碳的檢量線只在實驗進行前製作一次，如圖 所示。氧氣的檢量線也以同樣的方式進行得到。. 圖 4-1 二氧化碳檢量線. 40.
(51) 圖 4-2 氧氣檢量線. 41.
(52) 4-5 與市售氣體感測器之比較 在研究期間，本實驗同時協助日本大阪住吉高中之國際研討會成 果報告。當中所使用市售二氧化碳感測(圖 4-3)器同時進行相同條件 在不同酸性環境下的種子呼吸作用的二氧化碳測定實驗。市售二氧化 碳感測器搭載 USB 輸出介面可直接連接筆電並以搭配的軟體進行氣 體濃度測定。圖 4-4 為內建軟體的二氧化碳濃度輸出圖，其濃度單位 為 ppm。經過單位轉換並與微哨偵測器的結果比較如下圖 4-5 所示。 結果表明，微哨偵測器所測到的氣體濃度會高於市售偵測器所測到的 數值，然而對於不同酸性條件下的種子呼吸效率兩者偵測器都具有相 同趨勢。市售的二氧化碳感測器雖然可輕易連接於個人電腦，然而需 約 10 分鐘的反應時間才能讀取到正確的數值。GC/微哨偵測器則可 藉由手動進樣或自動進樣在 3 分之內完成一張層析圖譜。若以市售二 氧化碳偵測器作為參考值，則 GC/微哨偵測器與市售偵測器的平均誤 差最大不超過 3.5%。 顯示 GC/微哨偵測器之分析效能能夠作為可信 之參考。. 42.
(53) 圖 4-3 市售二氧化碳感測器. 圖 4-4 市售二氧化碳感測器之濃度計算. 43.
(54) 圖 4-5 微哨偵測器與市售偵測器之種子呼吸作用下不同 pH 環境下的 二氧化碳產量結果. 44.
(55) 4-6 呼吸作用反應過程 在反應初期，種子逐漸吸飽水進行水解但此階段時還不需要氧氣 參與反應，因此在實驗開始最初一小時過去後，從呼吸作用的層析圖 可以看到此時只監測到氧氣的存在。然而隨著時間過去，呼吸作用逐 漸旺盛，十小時後的層析圖可以看到明顯的二氧化碳波峰。理論上呼 吸作用過程中也會有為量的水氣產生，但由於產量極低，因此並未在 圖譜中出現。. 圖 4-6 反應一小時後的種子呼吸作用層析圖譜. 45.
(56) CO2. 圖 4-7 十小時後的種子呼吸作用層析圖譜. 46.
(57) 4-7 種子在不同酸性條件下的生理表現 4-7-1 呼吸速率的測定 本實驗的種子呼吸作用約在 15 小時後將系統內的氧氣消耗完畢。 在本實驗中反應最後測得的二樣化碳產量根據理想氣體方程式 從下列公式計算得到:. 理想氣體常數 R= 0.08206. 樣品瓶體積 V= 0.005 L. 反應絕對溫度 T=303.15K. 將反應過程測得的二樣化碳分壓代入上述公式中即可得到每顆種子 的二氧化碳重量。 圖 4-7 為不同酸度下得到的平均每顆綠豆之呼吸作用二氧化碳 產量。首先可以發現隨著 pH 值越低，會削減綠豆的呼吸速率。而綠 豆在較高的兩個溫度下明顯有較高的二氧化碳產量；在較低的三個溫 度下二氧化碳產量都不超過 0.05 mg/顆，顯示綠豆在低於 28 度的溫 度條件下對於酸性溶液的影響較為劇烈，而較高溫度的條件可以提高 綠豆對對酸性溶液的耐受度。. 47.
(58) 0.3. 二氧化碳產量(mg). 0.25 0.2. 20 23. 0.15. 25 28. 0.1. 30. 0.05 0 3. 4. 5. 6. pH. 圖 4-8 不同酸度下得到的二氧化碳產量. 48. 7.
(59) 4-7-2 種子萌發率 種子的萌發率可以探知樣品對控制條件的整體影響程度。圖 4-8 為綠豆在不同酸性溶液下計算出的萌發率。發芽的判斷依據為芽根是 否冒出。由實驗結果發現，當反應溫度大於 28 度時，萌發率在 pH 值低於 4 之後所有溫度條件的萌發率都有明顯下降的趨勢。但是 28 度以上的溫度條件還是可以維持在 80%以上的萌發率；當 pH 值為 3 時萌發率和對照組(pH 7)相比明顯下降許多。. 100. 發芽率(%). 80. 20 23. 60. 25 28. 40. 30. 20 0 3. 4. 5. 6. pH. 圖 4-9 不同酸性溶液下的萌發率. 49. 7.
(60) 4-7-3 呼吸商隨時間變化 為了進一步了解酸性溶液對種子在萌發階段時所產生的生理變 化，透過呼吸商的計算可以了解生長反應下的營養基質利用。選擇在 30 度的良好溫度條件下進行呼吸商隨時間的變化作圖。如圖 4-9 所 示。 從結果首先可以發現，在所有酸度條件下，萌發反應初期呼吸商 接近 1，表示主要以碳水化合物作為營養基質來源，後期則是開始利 用其他營養基質維持生理活動，此時呼吸商落在 0.2~0.4 之間。從 對照組(pH 7)的實驗中發現在反應初期之前五個小時主要為進行碳 水化合物的消耗隨後進入非碳水化合物的利用期。然而可以發現當 pH 值逐漸下降時，縮短了碳水化合物的利用時間，顯示綠豆在酸性 條件下，利用碳水化合物產生能量的生理行為會受到阻礙，進而影響 種子的萌發。而反應約 9 小時後接平均落在 0.2~0.4 之間，顯示酸 性溶液可能對於其他基質的營養利用營響不大。對應實際種子在各 pH 值下的發芽情形也發現，正常 pH 值下得種子吸水飽滿且芽根生 長較長；越酸的環境下，種子呈現萎縮、芽根短小。如圖 4-10 所示。. 50.
(61) 圖 4-10 30℃下種子呼吸商隨時間的變化. 51.
(62) 圖 4-11 30℃下綠豆種子在各 pH 值下的發芽情形. 52.
(63) 4-8 呼吸作用的活化能計算 從以上指標可以知道，溫度是影響呼吸作用反應非常重要的因素， 對於種子在酸性環境下也會有不同的影響。表 4-1 為透過公式在各 pH 及溫度條件下得到的反應速率常數(h-1)。. pH 溫度 7. 6. 5. 4. 3. 20. 0.0347. 0.0334. 0.0327. 0.0315. 0.0296. 23. 0.0359. 0.0348. 0.0332. 0.0329. 0.0315. 25. 0.0379. 0.0481. 0.0478. 0.0359. 0.0358. 28. 0.0533. 0.0524. 0.051. 0.0501. 0.0497. 30. 0.0565. 0.0531. 0.0501. 0.0389. 0.0363. 表 4-1 各 pH 及溫度條件下得到的反應速率常數. 53.
(64) 。如圖 4-11 及 4-15 ln(k) = ln(𝐴) −. 𝐸𝑎 1. (公式 4-1). 𝑅 𝑇. 在酸性環境下的 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。而當 pH = 3 時，活化能為 17.5834 kJ mol-1，明顯大於其他 pH 值之下的 活化能，清楚說明了在較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。當 pH 值小於 4 時酸性環境便會對種子萌發造成嚴重 影響。. pH 7 -1.2. y = -2.1148x + 5.7197. log k (days-1). -1.25 -1.3. -1.35 -1.4. -1.45. Ea=11.2704kJ mol. -1.5 -1.55. 3.25. 3.3. -1. 3.35 1/T(Kelvin-1), x103. 3.4. 圖 4-12 pH 7 條件下之阿瑞尼斯作圖. 54. 3.45.
(65) pH 6 -1.2. y = -2.0452x + 5.4944. log k (days-1). -1.25 -1.3 -1.35 -1.4. Ea=11.5170kJ mol. -1.45. -1. -1.5 3.28. 3.3. 3.32. 3.34. 3.36. 1/T(Kelvin-1),. 3.38. 3.4. 3.42. x103. 圖 4-13 pH 6 條件下之阿瑞尼斯作圖. pH 5 y = -1.9599x + 5.1946. -1.25. log k (days-1). -1.3 -1.35 -1.4. Ea=11.2704kJ mol. -1.45. -1. -1.5 -1.55 3.25. 3.3. 3.35 1/T(Kelvin-1), x103. 3.4. 圖 4-14 pH 5 條件下之阿瑞尼斯作圖. 55. 3.45.
(66) pH 4 -1.25. log k (days-1). -1.3. y = -1.3491x + 3.0945. -1.35 -1.4 -1.45. Ea=16.2955kJ mol. -1.5. -1. -1.55 3.28. 3.3. 3.32. 3.34. 3.36. 3.38. 3.4. 3.42. 1/T(Kelvin-1), x103. 圖 4-15 pH 4 條件下之阿瑞尼斯作圖. pH 3 -1.25. log k (days-1). -1.3. y = -1.3916x + 3.2211. -1.35 -1.4 -1.45. Ea=17.0047kJ mol. -1.5. -1. -1.55 3.28. 3.3. 3.32. 3.34. 3.36. 1/T(Kelvin-1),. 3.38. 3.4. x103. 圖 4-16 pH 3 條件下之阿瑞尼斯作圖. 56. 3.42.
(67) 第五章 結論 本實驗室所開發的氣相層析/微哨聲波感測系統，可應用於多種 氣體的分析工作。而本研究主要進行分析綠豆種子在酸性環境下的發 芽活動。藉由呼吸作用的指標如呼吸速率、萌發率、呼吸商等進行探 討。可從中得知當 pH 小於 4 時，綠豆種子的萌發會受到嚴重影響。 然而可以藉由提高溫度改善酸性環境對種子萌發的抑制。在中性的環 境下(pH, 7.0)，種子的萌發前 的 5 個小時內，呼吸商的數值接近 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 呼吸商逐漸降至 0.7 以下。這表示養份的利用將逐漸轉成為營養基 底來源。種子在酸性溶液中，會因為初期的碳水化合物利用期容易受 到抑制進而影響了萌發的生理行為。透過升高溫度，碳水化合物被抑 制吸收的情況可以得到改善。最後依照 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。結果表明酸性的情況下需要較大活化能才能維持 種子萌發的生理機能。在未來希望可利用本實驗裝置即時分析種子發 芽時所需要的最佳 pH 環境及最佳溫度或者探知呼吸最緩慢的條件， 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。 57.
(68) 第六章 附錄 6-1 其他氣體之偵測應用 6-1-1 GC/微哨感測器應用於即時偵測金屬錯合物氧氣催化 反應 GC/微哨感測器還可應用於化學反應之動力學測定。圖 4-16 為曾經協助其他實驗室測定化學反應速率所研究的一 種新合成之以錳為中心的金屬配位化合物。將其化合物與雙 氧水反應可的到氧氣產物。圖 4-17 為初步測試兩種反應物不 同體積比的氧氣產率隨時間變化。利用 GC/微哨感測器可以 協助確定雙氧水在哪個濃度下與固定量的化合物反應可以 有最大氧氣產率。. 圖 4-17 cat-1[Mn(bdtbpza)2(H2O)2(EtOH)]. 58.
(69) 60. cat-1/H2O2 體積比 1 : 500 50. ০ (2) cat-1/H2O2. Volume(µl). 40. 1 : 100. 30 20. cat-1/H2O2 體積比 1 : 100. 10 0 0. 200. 400. ০ (2) cat-1/H2O2 600. 800. 1 : 100. 1000. time. 圖 4-18 反應物之體積比與之 O2 變化量關係. 59. 1200.
(70) 6-1-2 測定人體呼氣中氧氣/二氧化碳比與血糖的關係 血糖測試目前依然主流測定方法為侵入式的採血檢測。因此本實 驗欲借助 GC/微哨感測器探來討呼氣中氧氣/二氧化碳比值與血糖是 否具依存性。 圖 4-18 為本實驗裝置示意圖。透過人體呼氣之採集，主要以閉 氣後並扣除呼氣管殘留氣體之氣體已採樣袋收集。並且與市售血糖值 測定值相比較。實驗方式為前晚禁食八小時隔日早上進行第一次血糖 值測定，之後每隔一小時進行血糖測定。除了中午攝取正餐之外其餘 時間均無進食。圖 4-19 為人體呼氣層析圖。呼氣的分析結果可在三 分鐘之內完成。由圖 4-20 與圖 4-21 為同一受試者在不同天之 9 小時 之監測結果。數據顯示氧氣/二氧化碳比值與血糖值似乎具有相關性， 然而由於只有一位受試者樣本，因此需要更多固體樣本進行確認。本 實驗目前依然在持續推進當中。可望未來能夠作為另一種替代性的非 侵入式即時血糖偵測方法。. 60.
(71) 圖 4-19 實驗裝置示意圖. 圖 4-20 人體呼氣層析圖. 61.
(72) 圖 4-21 受試者 A 連續九小時監測. 圖 4-22 受試者 A 連續九小時監測. 62.
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(76) 學會發表 (1)參與會議:第一屆美國化學會台灣分會研究生研討會 時間:中華民國 105 年 5 月 29 日 主辦單位 : 美國化學會台灣分會 承辦單位 : 國立臺灣師範大學化學系、國立臺灣大學化學系 題目: Development and Application of a Milli-Whistle for Use in Fermentation Process Based on Gas Chromatography Detection. (2)參與會議:第二十三屆分析技術研討會 時間:中華民國 106 年 5 月 27 日 主辦單位 : 科技部自然司化學研究推動中心分析化學組 承辦單位 : 國立中山大學化學系 題目: The use of a gas chromatography/Milli-whistle technique for the on-line monitoring simulated acid solution effect on Mung bean germination and respiration. 66.
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