TWM479417U - 一種農藥殘留濃度檢測裝置 - Google Patents
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Description
本創作係關於一種針對水溶液中農藥殘留濃度之檢測裝置，主要透過電化學生物感測器方法進行對農藥殘留濃度之定量化檢測。
在農業耕作上為了增加農作物產量及保持農作物的外觀，農民通常施用大量的農藥，以避免作物遭受蟲害，其中有機磷農藥(organophosphorous compounds；OPCs)及氨基甲酸鹽農藥(Carbamate)由於具有低生物累積性及高生物可分解性的優點，目前已取代有機氯農藥成為最普遍使用的農藥種類。有機磷農藥及氨基甲酸鹽農藥雖具有上述優點，但在大量使用的情況下，可能導致在土壤、作物、表面水及工業廢水中殘留，對人體健康與自然環境造成相當大的威脅，尤其是上述兩類農藥皆為神經性毒物，一旦進入生物體內後，它會跟乙醯膽鹼酯酶(Actylcholine esterase；AChE)的活性位置形成不可逆的結合，進
而抑制該酵素活性，延緩生物體內乙醯膽鹼(Acetyl choline；ACh)的水解速率，干擾神經傳輸。根據農藥本身的毒性、劑量與接觸時間的差異，所導致的症狀包括：疲倦、噁心、想睡、視覺模糊，嚴重時甚至會死亡。因此，對於此類神經抑制性農藥，世界各國皆有詳加注意管制，特別是針對飲用水、食品及工業廢水中頒訂相當嚴格的管制標準。
以往習知的農藥殘留濃度分析方法，特別是針對蔬果等作物的農藥殘留濃度量測，例如分光光度法、核磁共振波譜法、薄層層析法、原子吸收光譜法、氣相層析法、液相層析法、螢光法等，其中以氣相層析法和液相層析法較為常用，因其具有良好的再現性、靈敏度、並能確定農藥種類與濃度之優點。但此一類分析方法均需要依循標準的檢測步驟，透過具備專業知識之實驗室人員進行樣品前處理與儀器操作分析，方能取得有效之檢測結果，無法快速便利的運用於大量之農產品農藥殘留量檢測。近年來已發展出利用生化反應及電化學技術來檢測酵素抑制劑類型之農藥的方法，例如Gordon等人之美國專利(US6,406,876)，其所揭示之固定化酵素技術不需要大量試液的配製。然而，固定化酵素之缺點在於製造程序複雜成本高，且電極保存條件相當嚴謹，故必需由專業人員來進行分析。林岳暉等人之台灣專利(M376764)及大陸專利(CN101082599)雖提出一固定酵素於分析裝置上之較簡便方法，以判別農藥殘留之濃度，但其設計方式也較為複雜，須分別將酵素與相關之化學反
應物質分別保存於電極及樣品容器內，個別進行兩階段之反應，其可能導致分析測試之誤差。另外，巫鴻章等人之台灣專利(I301541)也提出在電極上固定酵素，透過農藥對酵素之抑制程度加以判斷水體中之農藥濃度，但其酵素固定方式較為複雜，在大量製造上有其困難且對於農藥殘留濃度的定量方式亦僅以酵素抑制率表示，無法具體讓裝置使用者認知實際之農藥殘留量。
因此，有必要提出一簡單創新之分析裝置，以較簡易之設計方式減少量測農藥殘留濃度之誤差，並由使用者在不具備專業知識之基礎上，能快速簡便的量測農藥殘留濃度，且能立即對農藥殘留量有具體實際的了解與認知。
本創作利用有機磷農藥及氨基甲酸鹽農藥對乙醯膽鹼酯脢酵素之活性抑制特性，提供一種快速穩定之農藥殘留濃度檢測裝置，以量化水溶液中農藥殘留之濃度。
本創作係提供一農藥殘留濃度檢測裝置，包含一可拋棄式電極試紙，其具備一可被折斷分離之結構及分別固定於可折斷構造之絕緣基板兩端之第一區反應物(酵素層混合物)及第二區反應物(反應物層)，第一區反應物(酵素層混合物)直接覆蓋於一可折斷構造之絕緣基板上具備電極圖案之工作電極區，而第二區反應物(反應物層)則附蓋於可折斷構造之絕緣基板上不具備電極圖案之一端；另有一定量混合容器，可預先把含有農藥之待
測水體樣品先進行定量前處理及混合反物層，利於後續之檢測分析；以及一電流信號分析裝置，與可拋棄式電極試紙相連接；當進行農藥殘留濃度檢測時，將可拋棄式電極試紙折斷並把固定第二區反應物(反應物層)之絕緣基板部分放入一定量混合容器中，在定量體積之待測水體樣品中進行搖晃混合，待第二區反應物(反應物層)完全溶解後，將待測水體樣品導入已被分離折斷且連接於電流信號分析裝置之可拋棄式電極試紙一端上，當水體樣品通過微流道區與酵素層混合物反應並透過電流信號分析裝置產生一反應電流信號，即可量測並換算待測水體樣品中的農藥當量濃度。
本創作在另一方面提供針對本創作之農藥殘留檢測裝置所包含之電流信號分析裝置，該裝置進行之農藥當量濃度的分析偵測作法與呈現方式，包含：(a)以具備不同濃度已知農藥種類之待測水體為標準品，透過可拋棄式電極試紙量測，取得拋棄式電極試紙所產生反應電流信號之強度量測；(b)提出並定義一農藥殘留濃度與應答電流信號強度分析結果之標準檢量線關係；(c)以未知種類農藥之未知濃度待測水體樣品，透過上述對可拋棄式電極試紙之操作，加以分析反應電流信號之強度；(d)將上述(c)所獲得之電流信號強度值，透過(b)所提出之標準檢量線關係，可換算成相對於(a)所使用作為農藥標準品之當量參考濃度。以上的計算表示方法乃針對特定農藥對乙醯膽鹼酯脢酵素之抑制作用，轉化成電流信號之關係，進一步推算出以任一種會抑制
乙醯膽鹼酯脢酵素之農藥，在本創作之農藥殘留檢測裝置所測得以電流信號強度換算獲得之特定農藥殘留當量濃度。
本創作係乃利用農藥可抑制酵素活性之作法，透過提供一定量之酵素層混合物與一定量反應物層物質在水溶液中進行催化反應，並將反應物層物質轉化，然酵素混合物之催化能力會被農藥所抑制，進而降低反應物層被轉化之程度，故透過反應物層物質轉化量的變化，即可推算出水中農藥的含量。而本創作檢測反應物層物質轉化量變化之程度，可藉由酵素層混合物中之特定選擇性化學物質，如膽鹼氧化脢(ChOx)，對反應層物質轉化產物之第二反應生成物，如雙氧水(H2O2)，藉由其參與電化學反應所獲得之電流信號強度，加以計算推導出變化量並進一步演算得知水中農藥的濃度。
本創作所提出針對酵素層混合物的應用，主要將兩種進行串聯式反應之酵素搭配方式，由以往習知的的兩階段兩反應區方式改為單階段同反應區方式。所進行的乃是一串並聯式之連續反應，亦即在同一反應區同一時間下，乙醯膽鹼(ACh)與農藥分別競爭乙醯膽鹼酯脢(AChE)，形成一個二階段的消長趨勢，有別於以往習知的乙醯膽鹼酯脢(AChE)的兩階段活性抑制-催化反應或單階段活性抑制-電子媒介反應，本創作採取之單階段循序反應能更有效針對超低農藥殘留濃度加以偵測，提升農藥檢測之靈敏度與偵測極限。
除此之外，本創作亦同時包含，在每次預進行待測水體樣品檢
測時，所有包含酵素及其他於檢測時必須之反應物質皆已事先固定並保存於可拋棄式電極試紙上，以避免進行農藥殘留濃度檢測時之藥劑配置或前處理。本創作之農藥殘留濃度檢測裝置也可作為快速篩檢農作物是否有農藥超量存在之參考。
10
‧‧‧絕緣基板
11
‧‧‧參考電極
12
‧‧‧工作電極
13
‧‧‧輔助電極
14
‧‧‧工作電極反應區
15
‧‧‧第一區反應物
16
‧‧‧第二區反應物
17
‧‧‧微流道區
18
‧‧‧局部開孔之上蓋層
19
‧‧‧工作電極反應區之排氣孔
20
‧‧‧高低斷折裁切線
21
‧‧‧絕緣層
22
‧‧‧定量混合容器
23
‧‧‧混合乙醯膽鹼酯之含農藥待測水體
24
‧‧‧可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分
25
‧‧‧可拋棄式電極試紙包含第一反應區之部分
26
‧‧‧待測水體樣品
27
‧‧‧電流信號分析裝置
第一圖為本創作之可拋棄式電極試紙之一具體實施樣式
第二圖為本創作之可拋棄式電極試紙之結構剖面圖樣式
第三圖為本創作之農藥殘留濃度檢測裝置操作流程
第四圖為本創作之農藥殘留濃度對檢測電流強度之檢量線關係圖
有關本創作之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
本創作係提供一農藥殘留濃度檢測裝置，包含一設有高低斷折裁切線20且具備可被折斷分離結構之可拋棄式電極試紙，其包括可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分24和一可拋棄式電極試紙包含第一反應區之部分25；另有一定量混合容器22，可預先把含有農藥之待測水體樣品23先進行定量前處理及混合反物層，便於後續檢測分析；以及一電流信號分析裝置27，其與可拋棄式電極試紙包含第一反應區之部分25相連接，如第3圖所
示。利用以檢測分析待測水體樣品26中所含之農藥含量並換算成一量化當量濃度，其中，被檢測的農藥種類主要包含會抑制神經傳導物質催化酵素(即乙醯膽鹼脂脢酵素(AChE)或丁醯膽鹼脂脢酵素(BChE))活性之有機磷農藥、氨基甲酸鹽農藥與類尼古丁類農藥等。
根據以下具體之實施案例，進行本創作對農藥殘留檢測之化學成分與反應原理解說，本實施案例應為本創作之內容解釋說明，而非限制本創作所涵蓋之範圍。
本創作所包含有之化學成分主要為固定於可拋棄式電極試紙上之各項主要成分，如第1圖所示：
第一區反應物15：包含用於催化乙醯膽鹼酯(Acetylcholine，簡稱之Ach)水解反應之乙醯膽鹼脂脢(Actylcholinesterase，簡稱之AChE)以及用於氧化膽鹼(Choline)的膽鹼氧化脢(Choline Oxdiase，簡稱之ChOx)等兩種酵素物質之混合物成分。
第二區反應物16：包含為可進行水解反應之乙醯膽鹼酯(Ach)成分。
本創作相關之化學反應如下：
由上述反應式之進行可得知，在第二區反應物16之一定量乙醯膽鹼(ACh)在水中溶解後，將水溶液取出並投入第一區反應物15
之區域內，可藉由乙醯膽鹼酯脢(AChE)的催化而把乙醯膽鹼酯(ACh)水解成膽鹼(Choline)以及乙酸(Acetate)，而水解生成之膽鹼(Choline)又可立即在水中藉由存在於第一反應區15內之膽鹼氧化脢(ChOx)的催化，進一步氧化分解成甜菜鹼(Betaine)以及雙氧水(H2O2)；而累積在第一反應區15中一定數量的雙氧水(H2O2)生成物，在施加一特定電壓於第一反應區15之電極時，會產生一電流信號並將雙氧水(H2O2)轉換成水(H2O)。而後根據量測反應所產生的電流量即可得到一相對應於膽鹼(Choline)生成速率之標準值
根據上述反應式之發生順序及各項生成物之產生原理，若針對一含有抑制乙醯膽鹼脂脢(AChE)之農藥成分的待測水體樣品26進行農藥殘留濃度檢測時，在固定的乙醯膽鹼酯(Ach)濃度下，由於部分乙醯膽鹼脂脢(AChE)已被農藥抑制其活性，導致膽鹼(Choline)的生成速率下降，且低於前述之標準值，故可藉由比對膽鹼(Choline)的生成速率變化，亦即最終電化學反應之電流量的變化，則可推導出在待測水體樣品26中的農藥殘留濃度。而本創作中僅有乙醯膽鹼酯脢(AChE)的活性會被農藥所抑制，但膽鹼氧化脢(ChOx)則不受影響。
根據上述之反應原理，以下將說明本創作之裝置與實施方式。其中，第1圖為本創作之可拋棄式電極試紙之一具體實施樣式，而第2圖為本創作之可拋棄式電極試紙之結構剖面圖樣式。該可拋棄式電極試紙以一具備設有高低斷折裁切線20之可被折斷分
離結構所組成，包含由一非導電絕緣基板10所構成，並以導電材料以印刷或沉積方式，形成參考電極11、工作電極12與輔助電極13之線路圖案；而其上以一絕緣層21材料進行局部覆蓋並定義出在具備可被折斷分離結構之可拋棄式電極試紙，其所組成之非導電絕緣基板10一側的工作電極反應區14，以供作為第一區反應物15酵素混合物反應及電化學反應發生之用，而且也同時定義出一微流道區17之側壁面，作為導入待測水體樣品26進入工作電極反應區14之用。在絕緣層21上方以具備局部開孔之上蓋層18加以貼合密著，而該局部開孔之上蓋層18也同時定義出在具備可被折斷分離之結構，其所組成之非導電絕緣基板10上另一側之一空白區域可供第二區反應物16固定附著，及作為工作電極反應區14正上方之排氣孔19，並當作覆蓋微流道區17之上蓋。而在固定第一區反應物15及第二區反應物16之可拋棄式電極試紙之間，預先以破壞性之刀具或雷射切割，形成一高低斷折裁切線20，將結合局部開孔之上蓋層18的可拋棄式電極試紙基板10進行局部之斷裂裁切，以利將可拋棄式電極試紙藉由人工折斷成兩部分，其中一部分是具備第一區反應物15與電極線路，而另一部分則僅具備第二區反應物16。
而本創作之裝置操作及實施方式如第3圖所示，即以一定量混合容器22置入一定體積之含農藥成分待測水體樣品26，並將一可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分24投入定量混合容器22中，透過機械力方式使第二區反應物16完全溶解在定量混合容
器22中，使其成為一混合乙醯膽鹼酯之含農藥待測水體23。另將可拋棄式電極試紙包含第一反應區之部分25，透過微流道區17的作用，導入從混合乙醯膽鹼酯之含農藥待測水體23所取出之一定量待測水體樣品26，經過3至10分鐘的反應時間，再藉由把可拋棄式電極試紙包含第一反應區之部分25之電極連接器端由插入電流信號分析裝置27之連接器部位且施加一固定電壓，並測得一特定反應時間下之應答電流信號。
本創作之農藥殘留濃度檢測裝置，其定量檢測之計算與呈現方式包含：根據以上對本創作之裝置的實施方法，分別配置含有特定種類農藥，以加保扶(carbofuran
)為例，以不同已知農藥濃度之待測水體樣品26，並分別放置10毫升待測水體樣品於定量混合容器22內。
取出可拋棄式電極試紙，並將其由高低斷折裁切線20處折斷再把可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分24投入上述定量混合容器22中，再加以震盪混合，使至覆蓋於可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分24之第二區反應物16完全溶解於待測水體樣品26中。
分別針對不同已知農藥殘留濃度之待測水體樣品26，以電流信號分析裝置27進行檢測分析，獲得對應之反應電流信號強度，並以電流值對農藥殘留濃度作圖，即可得到如第4圖之殘留加保扶(carbofuran
)農藥濃度對電流信號強度的檢量線關係圖，由其結果發現，待測水體樣品26之加保扶(carbofuran
)殘留農藥濃度
與反應電流信號強度呈一線性關係，亦即：y=ax+b，其中，y為電流強度，x為待測水體樣品中加保扶(carbofuran
)農藥殘留濃度，a為斜率，b為截距。
另提供未知種類且農藥殘留濃度不明之待測水體樣品26作為測試標的，將其置入定量混合容器22內，再投入具備定量第二區反應物之可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分24，並加以充分震盪混合。由其中取出一定量混合乙醯膽鹼酯(ACh)之含農藥待測水體23，並導入可拋棄式電極試紙包含第一反應區之部分25之微流道區17，使其進入工作電極反應區14並接觸第一區反應物15而使得同時進行乙醯膽鹼酯脢(AChE)之活性抑制反應與膽鹼氧化脢(ChOx)之催化反應。
透過可拋棄式電極試紙上的電極將電流信號分析裝置27所施加提供的特定電壓施加於工作電極反應區14，使得因膽鹼氧化脢(ChOx)氧化反應所產生的雙氧水(H2O2)加以分解並生成一特定強度之電流信號。
利用上述加保扶(carbofuran
)農藥殘留濃度對電流信號分析裝置27所偵測之電流信號的關係方程式，y=ax+b，將未知種類及濃度之農藥殘留待測水體樣品26所量測之電流信號數值代入關係方程式中，以下列方程式換算：
即可得到一對應之加保扶(carbofuran
)農藥當量濃度，其中，x為計算出之當量濃度。而此處所計算出之當量濃度並非屬實際
之農藥濃度，而是相對應於同一劑量乙醯膽鹼酯脢活性受到等量加保扶(carbofuran
)農藥所抑制之程度，故無論待測水體樣品中26中含有多少種可抑制乙醯膽鹼酯脢(AChE)之活性的農藥成分，皆可透過本創作之農藥殘留檢測裝置，結合上述關係方程式直接換算得知特定一種農藥之當量濃度，且可有效作為待測水體樣品26之農藥殘留濃度參考依據。
藉由上述實施案例之說明，期能詳細解說本創作之裝置設計與技術特點的精神，而上述所揭露之較佳實施例並非用以限制本創作之含蓋範圍，若有其他變更或均等性之安排，皆屬本創作所欲受保護之範圍。故本創作所申請之專利範圍應根據上述說明作最寬廣之解釋，並含蓋所有可能之變更與均等性之安排
10‧‧‧基板
11‧‧‧參考電極
12‧‧‧工作電極
13‧‧‧輔助電極
14‧‧‧工作電極反應區
15‧‧‧第一區反應物
16‧‧‧第二區反應物
17‧‧‧微流道區
18‧‧‧局部開孔之上蓋層
19‧‧‧工作電極反應區之排氣孔
20‧‧‧高低斷折裁切線
Claims (10)
- 一種農藥殘留檢測裝置，包含一設有高低斷折裁切線之 可拋棄式電極試紙，其具備一可被折斷分離結構及分別固定於可被折斷分離結構之兩端，包括固定一定量第一區反應物的可拋棄式電極試紙包含第一反應區之部分，以及固定一定量第二區反應物的可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分；第一區反應物直接固定於一可被折斷結構之絕緣基板上具備電極圖案之一端的工作電極區，而第二區反應物則固定於可被折斷結構之絕緣基板上不具備電極圖案之一端；及一定量混合容器，可倒入固定體積之待測水體樣品，並將該已折斷分離的可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分投入使其混合且令第二區反應物完全溶解；又一電流信號分析裝置，與該已被折斷分離的可拋棄式電極試紙之具備電極圖案之一端能相連接；若將一含有農藥成分之待測水體樣品經由微流道區導入工作電極區與第一區反應物接觸一段時間，再施加電壓後將產生一電流信號，該電流信號分析裝置可處理該電流信號，並分析偵測出待測水體樣品中農藥相對於某種特定農藥之當量濃度。
- 如請求項1所述之農藥殘留檢測裝置，其中該第一區反應物為乙醯膽鹼酯脢(AChE)與膽鹼氧化脢(ChOx)之酵素混合物，或是丁醯膽鹼酯脢(BChE)與膽鹼氧化脢(ChOx)之酵素混合物，該第二區反應物為乙醯膽鹼(ACh)。
- 如請求項1所述之農藥殘留檢測裝置，其中該可拋棄式電極試紙，在可被折斷分離的可拋棄式電極試紙包含第二反應區之部分，其中第二區反應物更可包含一顏色指示劑、氧化劑及金屬鹽混合物。
- 如請求項1所述之農藥殘留檢測裝置，其中該第一區反應物及第二區反應物係皆固定於該可拋棄式電極試紙，當欲進行農藥殘留檢測分析時才將該可拋棄式電極試紙折斷分離。
- 如請求項1所述之農藥殘留檢測裝置，其中該定量混合容器主要用以裝載含有農藥成分之待測水體樣品以及第二區反應物所形成的混合水溶液。
- 如請求項5所述之農藥殘留檢測裝置，其中該定量混合容器更可包含具備一紫外光源，可進行對待測水體樣品的照射，且該定量混合容器可清洗後重複使用。
- 如請求項1所述之農藥殘留檢測裝置，其中該可拋棄式電極試紙所具備的局部開孔之上蓋，其工作電極區之排氣孔乃設置於工作電極上方，而排氣孔之數量可為一個以上至十個且進行排列。
- 如請求項1所述之農藥殘留檢測裝置，其中該裝置所包含之電流信號分析裝置，其進行之農藥當量濃度的分析偵測，乃根據一特定種類農藥的不同濃度對該電流信號分析裝置產生電流信號強度之檢量線關係結果，比對某一含有未知農藥數量種類及濃度之待測水體樣品經由該電流信號分析裝置所偵測分析的電流信號強度，換算出相當於特定種類農藥之對應當量濃度，而待測水體樣品中所含之農藥種類沒有限制。
- 如請求項8所述之農藥殘留檢測裝置，其中該當量濃度之顯示方式可以ppm,ppb,ppt,mg/L,mmol,mg/dL等單位個別呈現，並可相互切換，且也可更換為不同農藥種類之檢量線關係式，以達到換算成不同種類農藥之當量濃度。
- 如請求項9所述之農藥殘留檢測裝置，其中使用作為設定檢量線關係之農藥種類更可包括有機磷類農藥、氨基甲酸鹽類農藥以及類尼古丁類農藥之各類劑型。
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