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生物感測器與在農業上之應用

 

一、感測器

二、生物感測器

三、生物感測器之應用

四、生物感測器在農業上之應用

        生物感測器在感測器的發展史中,亦如近數十年來產業之發展歷程。產業自電機、機械、化工產業逐漸朝向電子業,感測器之發展即朝向結合電子電路之智慧型感測。在產業朝向生物技術時,感測器的發展即傾向生物感測器。目前生物感測器之發展以醫學為主,原因在於市場大,購買意願高。

感測器

        感測器共有四個組件:1.感測元件,2.訊號處理,3.訊號加工,4.訊號表現。由於電子工業的進步,後三項之感測組件其設計、製造己十分成熟,也朝向標準化與國際化。例如輸出之訊號在電壓自0~5V,0~3.5V等範圍加一標準化為0~2V。在電流方面逐步統一為0~20mA以取代原4-20mA。

        感測器之重要性由工業自動控制中,無感測即無控制,即無法管理,之口號可知。依感測元件之材料組成,可分為機械感測(應變、應力等),環境感測(溫度、相對濕度、日照量等),品質感測(糖度、硬度、堅實度、空洞程度等),與化學感測(pH、EC、DO、BOD等)。感測元件又可以其感測原理可分為物理感測元件、化學感測元件與生物感測元件。以電容式相對濕度計為例,即是利用空氣中相對濕度對感測元件之電容量影響,加以換算表現。pH計是利用待測溶液酸鹼量對感測元件電位之變化加以量測。

生物感測器

        生物感測器其定義有兩項:以生物感測元件,或感測對象為生物性之活動。

(一)、生物感測元件:

       物理量測元件係以金屬元件為主。化學感測元件以電位化學量為主,化學元件如電解液、參考電極。而生物感測元件即以生物材料為感測元件,利用生物元件與待測對象(例如血糖濃度)引起之物理或化學反應,再由物理與化學之反應量對於原來物理元件或化學元件產生之訊號再加以呈現。以目前己使用的生物感測器為例:

        尿素感測器:利用尿素與生物感測元件之酵素產生氨液,再由傳統氨液計量出增加之氨量轉換成尿素量測值表現。

        生物反應槽內微生物細胞濃度感測器:採用特殊之單糖原料為生物感測元件。微生物細胞與單糖之反應引起溫度增加,結合性能準確的溫度計。由溫度之增加量換算為細胞濃度加以表現。

(二)、感測生物性活動

        針對生物本身之活動現象,利用各種感測器加以瞭解其生理活動的量化數值。生物可小自細胞內之病毒,大至植物、動物之生命現象。所用的感測器可使用上述之生物感測元件或是傳統之環境感測或化學感測等元件。

        以病毒檢測為例,傳統方式在抗體、抗原結合後使用ELISA感測技術。耗時長久、準確性差。因此有利用抗體與抗原的結合現象進行氧化還原之電化反應,或是以磁場放大方式探測抗原是否存在,此即是結合感測器與病毒偵測合而為一之感測技術。

        再以生物反應器為例,生物反應器內微生物密度與培養基內養份變化為生產過程中最需要瞭解之參數。目前的量測作業係以抽樣方式自反應器內部取出樣本,以實驗室設備加以量測。對於此兩參數之直接量測,在生物感測方面有以反應器上部空間氧氣、二氧化碳等濃度變化以間接計算生物細胞密度與培養基養份之消耗。另一種方式係以電阻之變化以量測細胞濃度之變化。

        由上述的討論可知,生物感測器有其特性,重點不離開生物。無論是以生物物質做為感測元件或是量測生命現象,一定要與生物有關。以水果品質中香味而言,以酵素為元件感測香味,此即是生物感測器。以近紅外線或音波等光電技術探測甜度,此為傳統品質感測器而不是生物感測器。

生物反應器之應用

目前在研究階段或是己商品化的生物反應器主要可分成三大類:

(一)、環境監測,(二)、生物反應過程之監控,(三)、醫學監控

(一)、環境監測方面

        主要用以環境保護,因此針對空氣中有毒物質或水中之污染物。針對水資源量測的對象有BOD、重金屬、殺草劑、殺蟲劑、石碳酸、硝酸鹽、亞硝酸鹽、硫離子等。空氣品質之監測有二氧化碳、亞硫酸、NH3等。未來發展朝向微生物之監測。

(二)、生物反應過程之監控

        在生物反應器之生產流程中,需要監測酒精、脂肪酸、氨、細胞濃度、二氧化碳、乙烯、葡萄糖、果糖等成份,而且必需採用線上即時量測加以控制反應器各調節器之作業。在進行生物反應器之自動化作業時,可利用之生物感測器監控系統必需即早建立。

(三)、醫學監測

        此是生物感測器主要發展對象,也因此產業的高度需求,醫學監測為主的感測器成為生物感測器之發展主流。

生物感測器在農業上之應用

       廣義的農業包括農、漁、牧等產業。而在狹義的傳統農業中,對象為糧食作物、園藝作物與藥用作物等。目前生物感測器在此傳統農業上其應用機會仍以環境監測與生物反應過程之監控為主,因此可研究開發之項目列舉如下:

(一)、農產品之衛生(清潔性)偵測

        以生物感測器,迅速且準確偵測出蔬菜、水果等農產品之殘毒(殺菌劑、殺蟲劑與其他農藥等化學品)

(二)、土壤與水資源污染偵測

(三)、植物病毒與微生物偵測

        以生物感測器取代傳統ELISA技術,縮短檢查時間,提高準確性。微生物之檢測包括真菌、細菌等,這種檢測作用除了應用於植物生長之健康狀況偵察,對於組培苗生產特別重要。

(四)、植物生物反應器之監控

        目前植物生產之反應器主要用以生產種苗(分生組織或體胚)或是用以生產二次代謝物(例如靈芝液)。為了發展量產過程之自動化作業,必需儘速開發生物感測器。針對生物反應器之各項物理、化學環境與生物本身生長狀況加以即時線上偵察。