臺灣博碩士論文加值系統

環境的污染檢測方法已經發展很久，但是多年來在空氣檢測技術的開發上一直未有重大的突破;主要受限於偵測極限與偵測時效等諸多因素。
就以目前廣為各國採用的氣相層析儀(GC)和嗅袋法來說，GC器材昂貴且笨重，對樣品純度的要求高，分析時間又長等缺點一直無法有效突破。而嗅袋法常因個體的差異和主觀判斷而備受爭議。本研究使用的壓電晶體生物感測器(piezoelectric quartz crystal biosensor)配合手提式電腦體積只佔一個手提箱大小，偵測的極限可以達到10-6~10-9g，樣品的純度要求較GC低，只需單人操作，偵測時不需使用有機溶劑免去二次污染的疑慮，偵測時間只要5~60分鐘，偵測能力遠優於前面兩者。
研究中將對化學辨識材料探針和仿生物辨識材料探針的偵測特性作比較，並探討其作用機制。為了統一探針的品質將找出較適披覆量(coating amount)和樣品量(sample amount)，以及熱處理溫度(heat treating)對探針製備的影響，組成一套探針的標準製備程序(standard manufacturing process)。進而組成模組探針(module chip)以製作特徵圖譜(characteristic profile)並利用反應動力學模式計算出斜率搭配兩者來判讀樣品。實驗依據不同的對象組成不同的模組進行偵測，探討偵測時目標成分和干擾成分分子如環境影響因素濕度對分析的結果的影響進行討論其交互作用(interaction)與產生的偵測訊號間的關連性。並將偵測氣體之訊號值製成特徵圖譜進行辨識，又對不同濃度氣體進行偵測以觀察濃度對圖譜的影響。實驗也將目標氣體兩兩不同比例混合再輔以聚類分析(Hierarchical cluster analysis, HCA)和主成份分析(Principal component analysis, PCA)依照探針模組描述的氣體訊號特性進行分類和分區建立模組的氣味辨識圖(Odorant recognizing map)。最後綜合之前的偵測經驗探討辨識材料與氣味分子之間的吸附特性一窺無法以肉眼觀察的表層吸附狀態，以幫助我們對辨識反應產生機制的瞭解。

Although the detection method of enviromental pollutants has been developed for a long time. There is no great break through till now, because of the restriction of detecting limit and time reguired. Although the GC and the odour panel methods have been adopted by many government regulations, the GC method has major draw back of cost and time reguired; on the other hand, odour panel method is always debated by individual hobbies and subjective experiences. This research utilized QCM, which has detecting limit down to 10-6~10-9 g; and thus, the QCM method needs lower sample concentration than GC. The running time for QCM assay only ranges from 5 to 60 minutes, Therefore, the detecting performance is better than both the GC and odour panel method in their study.
In order to optimize the probe''s preparation and unify the probe quality, It was found that moderate coating amount, sample amount, and heat pretreatment conditions have crucial effect on standard process for probe preparation. In this study the unknown samples was recognized by the combined chip module and the characterized reaction dynamic model.
In a series of experiments, based on the different analytic samples and components containing, the relationship between the analytic samples and interference was successfully accounted by response signals. Some in depth discussion on the effect of enviromental humidity to the judgement of analytical results was also derived. This study provides the possible way in recognizing odours by transforming the probe''s response signals to characteristic rada-profiles. This study also detected the samples with different concentrations of the same gas compute and observed the tendency of characteristic rada-profiles changed with different concentrations.
In order to understand the resolution power of the modular chip performance, another experiments were run in mixing one kind of gas with another gas species in different combination by using hierarchical cluster analysis (HCA) and principal component analysis (PCA). An odorant recognizing map was successfully built in this study. Finally, this study suggests some further study could focus on the understanding the gases adsorption mechanism since it would be helpful for odour recognition.

目錄
謝誌
中文摘要…………………………………………………………………i
英文摘要……………………………………………………………….. ii
目錄……………………………………………………………………..iii
圖目錄………………………………………………………………….. iv
表目錄…………………………………………………………………...vi
第一章 緒論
1.1研究緣起……………………………………………………………1
1.2研究目的…………………………………………………….…..….2
第二章 研究背景
2-1嗅覺作用機制………………………………………………………3
2-2生物感測器……………………………………………………… 13
2-2.1感測器的歷史……………………………………………...15
2-2.2感測器的種類……………………………………..……… 16
2-2.3壓電晶體感測器的特性及應用…………………………...21
2-2.3.1壓電現象
2-2.3.2壓電晶體特性及其應用
2-2.3.3壓電晶體感測器的線路
2-2.3.4振盪頻率的量測
2-2.3.5壓電晶體感測條件
2-3臭異味分子介紹…………………………………………………..34
第三章 實驗設備與方法
3-1實驗設備…………………………………………………………..37
3-1.1偵測電極
3-1.2感測模組
3-1.3偵測系統
3-1.4 Smell軟體
3-2實驗方法…………………………………………………………. 48
3-2.1探針之製備………………………………………….….… 48
3-2.2模組組成………………………………………………..… 50
3-2.2.1探針篩選
3-2.2.2模組組成
3-2.2.3模組測試
3-2.3氣體測試……………………………………………..…… 51
3-2.4探針保存……………………………………………..…… 51
3-2.5單層膜自我排列法……………………………………….. 52
3-3數據處理………………………………………………………..…53
3-3.1批覆量
3-3.2頻率衰減
3-3.3靈敏度
3-3.4選擇性
3-3.5特徵圖譜
3-3.6聚類分析
3-3.7主成份分析
第四章 結果與討論……………………………………………………57
4-1探針基本性質……………………………………………….…… 57
4-1.1披覆量與頻率回應關係……………………………..…… 57
4-1.2氣體樣品量與頻率回應關係……………………..……… 63
4-1.3濕度與與頻率回應關係…………………………...………69
4-1.4探針的穩定性…………………………………………….. 71
4-1.5探針處理條件與頻率回應關係…………………..……… 75
4-2辨識材料模組對氣味分子的吸附性質…………………….…… 78
4-2.1模組的組成……………………………………………..… 78
4-2.2模組對單一氣體的吸附性質………………………..…… 80
4-2.3模組對氣體濃度變化的吸附性質…………………..…… 85
4-2.4模組對混合氣體及混合濃度變化的吸附性質……...……91
4-2.5模組探針的吸附動力學模式…………………………… 100
第五章 結論……………………………………………………….… 108
第六章 參考文獻……………………………………………….…… 109
圖目錄
圖 2-1.1 嗅覺的位置-契合"(site-fitting)假說 3
圖 2-1.2 脊椎動物嗅覺上皮組織之細胞組成 4
圖 2-1.3 嗅覺反應機制模型 5
圖 2-1.4 嗅覺的反應機制 6
圖 2-1.5 嗅覺接受蛋白
(Olfactory receptor protein,ORP) 6
圖 2-1.6 嗅覺神經的訊號產生方式。
A.產生器電位B.脈衝電位 7
圖 2-1.7 脊椎動物的嗅覺細胞 8
圖 2-1.8 脊椎動物嗅覺迴路的共通路徑 9
圖 2-1.9 脊椎動物的嗅覺回路與嗅球構造 10
圖 2-1.10 到細胞外單元表示方式量測蠑螈的接受細胞與
僧帽狀細胞對氣味的反應 12
圖 2-1.11 由味道開始激發到僧帽狀細胞輸出之間的資訊
流程模式 12
圖 2-2.1 感測器的基本元件 13
圖 2-2.2 各類型感測器的偵測靈敏度範圍 19
圖 2-3.1 外加電場與石英振盪 24
圖 2-3.2 石英晶體之單晶結構 25
圖 2-3.3 石英晶體之各種切割方向及角度 26
圖 2-3.4 典型的石英晶片探針。
(a)電極的固定 (b)AT-cut振盪模式 26
圖 2-3.5 頻率溫度效應 27
圖 2-3.6 石英晶體振盪電路 28
圖 2-3.7 振盪線路示意方塊圖 29
圖 2-3.8 頻率取樣法 30
圖 2-3.9 類比/數位轉換之示意圖 31
圖 3-1.1 石英晶片的照片與尺寸規格 37
圖 3-1.2 探針模組 38
圖 3-1.3 電子鼻裝置線路示意圖 39
圖 3-1.4 實驗儀器裝置圖(電子鼻) 40
圖 3-1.5 Smell軟體的主畫面 41
圖 3-1.6 實驗基本資料設定 42
圖 3-1.7 頻率座標範圍設定 43
圖 3-1.8 頻率穩定測試 44
圖 3-1.9 頻率穩定測試(已穩定) 45
圖 3-1.10 頻率差值計算 46
圖 3-1.11 反應斜率計算 47
圖 3-2.1 單層膜自我排列法
(Self-assembled monolayer ,SAM) 52
圖 3-3.1 特徵圖譜的繪製流程 54
圖 3-3.2 聚類分析 55
圖 3-3.3 主成分分析 56
圖 4-1.1 不同Coating量的B12探針對
Acetic acid的頻率變化量 61
圖 4-1.2 不同Coating量的B12探針對
Acetic acid的靈敏度 62
圖 4-1.3 辨識材料被覆量與表層排列狀態 63
圖 4-1.4 B12探針對不同Sample量的吸附頻率 67
圖 4-1.5a 樣品量與B12探針靈敏度關係 68
圖 4-1.5b 樣品量與B12探針靈敏度關係 69
圖 4-1.6 濕度校正曲線 71
圖 4-1.7 探針偵測頻率隨時間的變化 73
圖 4-1.8 探針靈敏度隨時間的變化 74
圖 4-1.9 探針披覆薄膜隨時間的穩定性 75
圖 4-1.10 經熱處理過後的B12探針之靈敏度比較之平均值 78
圖 4-2.1 模組對十五種氣體偵測的靈敏度 81
圖 4-2.2 模組對目標氣體的特徵圖譜
?醋酸B酸?氯苯G甲胺 82
圖 4-2.3 酸類之特徵圖譜 83
圖 4-2.4 氯苯類之特徵圖譜 84
圖 4-2.5 胺類之特徵圖譜 85
圖 4-2.6 醋酸以水稀釋濃度後的特徵圖譜變化 87
圖 4-2.7 丁酸以水稀釋濃度後的特徵圖譜變化 88
圖 4-2.8 氯苯以苯稀釋濃度後的特徵圖譜變化 89
圖 4-2.9a G202探針對丁酸濃度之檢量線 90
圖 4-2.9b B15C5探針對氯苯濃度之檢量線 91
圖 4-2.10a醋酸和丁酸混合濃度變化圖譜趨勢 94
圖 4-2.10b丁酸和氯苯混合濃度變化圖譜趨勢 95
圖 4-2.11 十五種氣體和不同濃度目標氣體以及
混合氣體的聚類分析圖表 96
圖 4-2.12 混合氣體（醋酸與丁酸和丁酸與氯苯）
的聚類分析圖表 97
圖 4-2.13 十五種氣體和不同濃度目標氣體以及
混合氣體的主成份分析圖表 98
圖 4-2.14 混合氣體（醋酸與丁酸和丁酸與氯苯）
的主成份分析圖表 99
圖 4-2.15 物理吸附的五種等溫線模式 101
圖 4-2.16 G201對醋酸、丁酸和氯苯的吸附性質 102
圖 4-2.17 G202對醋酸、丁酸和氯苯的吸附性質 103
圖 4-2.18 A008對醋酸、丁酸和氯苯的吸附性質 104
圖 4-2.19 L116對醋酸、丁酸和氯苯的吸附性質 105
圖 4-2.20 B15C5對醋酸、丁酸和氯苯的吸附性質 106
圖 4-2.21 PBMA對醋酸、丁酸和氯苯的吸附性質 107
表目錄
表 2-2.1 感測器種類 17
表 2-2.2 生物感測器之換能器比較 19
表 2-3.1 標準惡臭氣體之基本性質 36
表 4-1.1 B12辨識材料之序列 58
表 4-1.2 不同披覆量對醋酸之偵測頻率與靈敏度 59
表 4-1.3 不同的樣品注射量的之偵測頻率變化 64
表 4-1.4 不同的樣品注射量的之靈敏度變化 65
表 4-1.5 配置標準濕度空氣的鹽類 70
表 4-1.6 探針披覆量隨時間的變化 74
表 4-1.7 熱處理探針靈敏度回應數據平均值 77
表 4-2.1 探針模組組成之辨識材料代號與名稱 80

第六章 參考文獻
1. Abduaini, A., Kera, S., Aoki, M., Okudaira, K. K., and Harada, Y. (1998) Characterization of self-assembled monolayer of thiophenol on gold by penning ionization electron spectroscopy, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 88-91:849-854.
2. Abe, H., Yoshimura, T., Kanaya, S., Takahashi, Y., Miyashita, Y., and Sasaki, S. I. (1987) Automated odor-sensing system based on plural semiconductor gas sensors with computerized pattern recognition techniques. Anal, Chim. Acta., 194:1-9.
3. Abe, H., Kanaya, S., Takahashi, Y., and Sasaki, S. I. (1988) Extended studies of the automated odor-sensing system based on plural semiconductor gas sensors with computerized pattern recognition techniques, Anal. Chim. Acta., 215:155-168.
4. Amoore, J. E. (1963) Stereochemical theory of olfaction, Nature, 198:271-272.
5. Bodian, D. (1967) Neurons, circuits, and neuroglia. In the Neuroscience: A study program(Quarton, G. C., Melnechuk, T. and Schmitt, F. O. ets.), New York:Rockefeller, pp.6-24.
6. Colin, C. (1989) Surface acoustic wave devices and their signal processing applications, academic press, Inc, pp.9-29.
7. Corrado, D. N. (1998) Characterization and design of porphyrins-based broad selectivity chemical sensors for electronic nose applications, Sensor and Actuators B, 52: 162-168.
8. Davis, J. T. (1965) A theory of the quality of odours. J. Theor. Biol., 8:1-7.
9. Deakin, M. R. and Buttry D. A. (1989) Electrochemical applications of the quartz crystal microbalance, Anal. Chem., 61:1147A-1154A.
10. Eklov, T., Martensson, P., and Lundstrom, I. (1997) Enhanced selectivity of MOSFET gas sensors by systematical analysis of transient parameters, Anal. Chim. Acta., 353:291-300.
11. Gao, Z., Gao, D., Lei, Z. G., Lin, H. G., and Yu, R. Q. (1997) Determination of carboxylic acid vapour by a thickness-sheer-mode acoustic wave sensor coated with crown ethers, Talanta, 44: 1413-1421.
12. Getchell, T. V. and Shepherd G. M. (1978) Responses of olfactory receptor cells to step pulses of odour at different concentrations in the salamander, J. physiol. London, 282:521-540.
13. Gopel, W. (1998) Chemical imaging: I. Concepts and visions for electronic and bioelectronic noses, Sensor and Actuators B, 52:125-142.
14. Gopel, W., and Weimar, U. (1998) Chemical imaging: II. Trends in practical multiparameter sensor systems, Sensor and Actuators B, 52:143-161.
15. Heinz, B. (1997) Sense of smell: Signal recognition and transduction in olfactory receptor neurons, Chapter 22, CRC Press, INC., pp521-592.
16. Llobet, E., Brezmes, J., Vilanova, X., Sueiras, J. E., and Correig, X. (1997) Qualitative and quantitative analysis of volatile organic compounds using transient and steady-state responses of a thick-film tin oxide gas sensor array, Sensors and Actuators B, 41:13-21.
17. Li, W., Su, X., Guo, H., Wei, W., and Yao, S. (1999) Preparation and application of a trimethoprim ion-selective piezoelectric sensor, Analyst, 124:91-95.
18. Julian, W. G., (1994), Microsensors Principles and Applications, John Wiley & Sons, INC, 224-246.
19. Lung, J. H. T., Guilbault, G. G. (1990), Analytical Applications of Piezoelectric Crystal Biosensors, Chapter 6, p107-138.
20. Lancet, D. (1986) Vertebrate olfactory reception, Annu. Rev. Neurosci., 9:329-355.
21. Kasai, N., Sugimoto, I., Nakamura, M., and Katoh, T. (1999) Odorant detection capability of QCR sensors coated with plasma deposited organic films, Biosensors & Bioelectrics, 14:533-539.
22. Nagle, H. T., Ricardo, G. O., and Susan, S. S. (1998) The how and why of electronic noses, IEEE Spectrum, September, pp22-38.
23. Ohgi, T., Sheng, H. Y., and Nejoh, H. (1998) Au particle deposition onto self-assembled monolayers of thiol and dithiol molecules, Applied Surface Science, 130-132:919-924.
24. Schild, D. (1988) Principles of ordor coding and a neural network for odor discrimination, Biophys. J., 54:1001-1011.
25. Sugimoto, I., Nakamura, M., and Kuwano H. (1996) Chemical-sensing structure, direction, and quantification of plasma-organic films with a-amino acids, Sensors and Actuators B, 35-36: 342-347.
26. Ulmer, H., Mitrovics, J., Noetzel, G., Weimar, U., and Gopel, W. (1997) Odours and flavours identified with hybrid modular sensor systems, Sensors and Actuators B, 43:24-33.
27. Umemura, K., Nishida, N., Hara, M., Sasabe, H., and Knoll, W. (1997) Morphology and stability of chemically modified electrode surfaces without -SH and -SS- structures studied by scanning tunneling microscopy, Journal of Electroanalytical Chemistry, 438:207-211.
28. Wessa, T., Barie, N., Rapp, M., and Ache, H.J. (1998), Polyimide,a new shielding layer for sensor applications, Sensor and Actuators B, 53:63-68.
29. Warwick, R. and Williams, P. L. (1973) Gray''s Anatomy, Philadepherd, G. M. (Eds.), Oxford University Press, New York, p.240-241.
30. Xu, J. J., Fang, H. Q., and Chen, H. Y. (1997) The electrochemical characteristics of an inorganic monolayer film modified gold electrode and its molecular recognition of alkali metal cation, Journal of Electroanalytical Chemistry, 426:139-143.
31. Zhou, X.C., Ng, S.C., Chan, H.S.O., and Li, S.F.Y. (1997) Detection of organic amines in liquid with chemically coated quartz crystal microbalance devices, Sensor and Actuators B, 42:137-144.
32. Zhou, X.C., Zhong, L., Li, S.F.Y., Ng, S.C., and Chan H.S.O. (1997) Organic vapour sensors based on quartz crystal microbalance coated with self-assembled monolayers, Sensors and Actuators B, 42:59-65.
33. Zvi, L., Nathali, K., Gad, F., Doron, K., and Jeremy G. (1997) The Polymer-Coated SAW Sensor as a Gravimetric Sensor, Anal. Chem., 69:2848-2854.
34. 王進琦 (1993)，壓電晶體生物感測器應用於腐敗發酵揮發性氣體偵測之研究，博士論文，國立台灣大學農業化學研究所。
35. 田蔚城 (1997)，生物技術的發展與應用，九州圖書文物有限公司，pp.303-320。
36. 吳太光 (1997)，生物感測器，生物技術發展與應用，第25章，pp.461-480。
37. 吳宗正 (1990)，壓電晶體生物感測器之研究與其應用，博士論文，國立台灣大學農業化學研究所。
38. 吳宗正 (1990)，畜產廢棄物臭味偵測與管制，中華生質能源學會會誌，Vol 9，No。 3-4，pp.114-124。
39. 吳宗正 (1993)，嗅覺感測器的開發與未來展望，生物技術醫藥產業透析，第二卷，第一期，pp.8-26。
40. 吳宗正 (1995)，生物感測器，生物技術發展與應用，第18章，pp.247-261。
41. 吳宗正 (1999)，嗅覺生物晶片，科學月刊，第三十卷，第九期，pp.744-750。
42. 邱創興 (1995)，壓電晶體嗅覺生物感測器應用於食品香味之測定，碩士論文，私立大葉工學院食品工程研究所。
43. 林于生 (2000)，應用於腎臟病變呼氣檢測模組晶片之研究，碩士論文，國立東華大學生物技術研究所。
44. 林瑤勤 (1998)，應用電子感測技術於臭味物質之研究，碩士論文，國立台灣大學環境工程研究所。
45. 林基興、張維懋、許志英、劉文佐、袁俊傑、楊裕雄、李玲慧、蔡世峰、吳宗正 (1999)，生物晶片專輯，科學月刊，第三十三卷，第九期，pp.715-750。
46. 施正雄 (2000)，壓電晶體化學感測器開發與應用，科儀新知，第二十一卷，第四期，pp.60-72。
47. 陳治誠 (1996)，生化感測器技術，化工技術，第四卷，第七期，pp.179-188。
48. 彭成鑑 (1995)，壓電材料，儀器新知，第十六卷，第六期，pp.18-29。
49. 董瑞安、雷文剛、蔡曉忠 (1997)，生物感測器在環境監測上的應用，儀器新知，第十九卷，第二期，pp.137-142。
50. 游若琳 (1999)，碳六十/聚合物石英壓電晶體偵測器之研製與應用，碩士論文，國立台灣師範大學化學研究所。
51. 羅淵仁 (1999)，氣味生物感測器分子辨識材料之研究，碩士論文，國立東華大學生物技術研究所。