臺灣化學教育

創意化學實驗：
微型發音哨的開發與氣體偵測上的應用

王慶豪

臺北市立建國高級中學

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█ 前言

氣相層析中常用的氣體偵測器多達20～30種，其中常用到的如質譜儀（GC/MS）、火焰離子化偵測器（FID）、熱導偵測器（TCD）、電子捕捉偵測器（ECD）等，上述的偵測器大多為購買商用儀器時會與氣相層析儀搭配使用。雖然於實驗室中使用非常方便，但價格昂貴並非一般中等學校可以負擔。本文介紹於2010年由師大化學所林震煌教授實驗室所研製微型發音哨氣體偵測器。微型發音哨氣體偵測器的結構非常簡單—如同一般的哨子，唯一的差別只是體積縮小了約10倍左右。而微型發音哨的製作方式相當簡單，且製作的材料方便取得，，甚至利用3D列印的技術亦可製作出實用的發音哨。

微型發音哨偵測器具有簡易、安全、小型化、廉價及耐用性佳等特性，且因其使用之原理為閉管空氣柱發音之物理現象—藉由聲音的頻率變化推算出進樣氣體之分子量或體積，故於使用時可省去傳統儀器分析方法時需先使用標準品進行校正曲線工作的特性。

利用微型發音哨與自主裝氣相層析儀的結合可大為減少傳統氣相層析儀體積龐大過於笨重的問題，若再搭配自動進樣系統的改良，即可進行長時間的氣體監控。目前已將氣相層析儀搭配微型發音哨的裝置應用於1. 儲氫材料釋氫溫度之研究。2. 人體呼吸商之檢測。3.種子萌芽呼吸作用中氧氣與二氧化碳濃度檢測。4. 釀酒過程中酒精濃度監測。

 

█ 微型化發音哨的簡介

一、原理：

1.          格雷姆擴散（逸散）定律：高中課程中曾討論擴散定律，微型發音哨即架構於擴散定律中，已知於擴散定律中得知氣體擴散（逸散）速率與氣體分子量的關係為，亦即氣體的分子量愈小，其擴散（逸散）速率愈快。

2.          閉管空氣柱發音頻率：氣體的流經發音哨的開口端時，會使管內空氣柱發生振動形成駐波發音，其發音頻率，其中ƒ為閉管空氣柱產生共振聲音的頻率，為共振腔的長度，為氣體運動的速率。

 

由以上兩個基本原理結合可知當不同分子量的氣體流進哨子口後，會使哨子的共振腔產生不同頻率的哨音—當分子量愈大的氣體通過時，哨子發出聲音的頻率愈低，反之亦然。此時，哨音可藉由麥克風接收並同步以LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程式進行快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)，獲得即時聲音頻率的變化，並可藉由聲音頻率變化量反推得知流經氣體的分子量或特定氣體的濃度，以達定量分析之目的。

 

二、微型發音哨的結構：

微型化發音哨的長度約5 mm～20mm之間，主要材料為外徑3 mm，內徑1 mm之鐵氟龍管，並以直徑為1 mm之銅柱作為微型發音哨閉口端之填充物與哨口結構之材料。

 

三、微型發音哨的製作方法：

1.          首先準備外徑3 mm、內徑1 mm，長度約為15 mm之鐵氟龍管。

2.          利用銼刀將直徑為1 mm之銅柱磨製成梯形結構，其中銅柱的最大厚度應介於0.85 mm～0.95 mm之間。

3.          將梯形銅柱由最厚端推入鐵氟龍管中，至深度約為5 mm止。

4.          鐵氟龍管的另一端取直徑為1 mm銅柱推入至深5 mm止。

5.          利用單刃刀於梯形銅柱最厚端的位置切出1.5 mm深之刀痕，隨後將刀面傾斜45°後，切出第二個刀痕，製造出一發音缺口。

6.          將哨子兩端露出之銅柱磨平後即完成微型發音哨之製作。

圖1: 微型發音哨的製作圖

 

█ 微型化發音哨的應用

一、呼吸商之測量

一般人於無意識的情況下吐氣時，吐出的氣體中約含78～79％氮氣，15～16％氧氣，3～5％二氧化碳與2％的其他氣體。利用氣相層析儀搭配微型發音哨做為偵測器量對志願實驗者於正常呼吸條件下呼出的氣體作分析測量，可發現正常呼吸下氧氣的含量約為15.10％，二氧化碳的含量約為3.83％，而當實驗者憋氣30秒後，氧氣含量降低至14.35％，而二氧化碳上升至5.54％。

圖2: 利用氣相層析儀搭配微型發音哨做為偵測器量測呼氣組成情況

 

二、釀酒過程中酒精濃度的監測

利用微型化發音哨做為偵測器，並搭配氣相層析系統及自動化進樣系統，可對酵母菌發酵過程中，產生酒精的濃度及酵母菌進行發酵時所產生二氧化碳含量的偵測。

水溶液中不同的酸鹼值會影響種子發芽的現象，且種子發芽時會因為呼吸作用之緣故消耗氧氣產生二氧化碳，故利用本實驗室所開發出來之儀器裝置對綠豆種子發芽過程中氧氣與二氧化碳的濃度作分析，以探討水溶液中的酸鹼值最種子發芽的影響。

圖4 不同小時後種籽呼吸氣體氧氣與二氧化碳偵測值

 

█ 結語與未來展望

微型發音哨是一種簡單、方便操作、容易製作且價格便宜的氣體偵測器。與其他氣體偵測器相比較，其原理較偏向中學生知識背景可以理解的範疇。微型發音哨可應用於偵測各種氣體，包括有機、無機、易燃氣體、毒性氣體或惰性氣體等。其量測方式僅需藉由一般麥克風與電腦音效卡記錄聲音後作頻率分析變化即可。相較於傳統氣體偵測器需藉由光、熱、火焰燃燒等化學變化來得到電子訊號，微型發音哨可說是非常平易近人的氣體偵測器。若搭配微小化的氣相層析儀，相信其必具有可以應用糖尿病及相關疾病呼氣檢測的潛力。

 

█ 參考資料

1.          賀怡珊（2014）：氣相層析儀結合微型發音哨對氣體分析的開發與研究。國立台灣師範大學化學所博士論文，未出版。

2.          葉冠甫（2015）：氣相層析/音哨檢氣法對發酵製程中產生氣體之及時偵測法的研究。國立台灣師範大學化學所碩士論文，未出版。

3.          吳明儒（2016）：使用氣相層析/哨音檢測技術對酵母菌固化微管陣列薄膜發酵過程中乙醇之即時監測。國立台灣師範大學化學所碩士論文，未出版。

4.          黃筱粧（2017）：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。國立台灣師範大學化學所碩士論文，未出版。