INTRODUCTION

1.系統架設

系統最終希望能以無線方式架設在可調控溫度的實驗箱中,故我選用Arduino微電腦單晶片去做程式的上傳與運行。Arduino微電腦單晶片的優點在於可同時讀取數個類比的輸入值,可讓系統在運行中可檢測多組實驗體並允許對照組的存在;此外,它的程式碼不僅為open source,晶片內建程式架構為可自行調控週期長短的無止盡迴圈,非常適合不斷改變環境變因的實驗體。並且,只要在不斷電的情形下,Arduino微電腦單晶片會持續運行最後一次上傳的程式,固可搭配無線傳輸,在可決定溫度的實驗箱中架設系統進行實驗,再由另一個已上傳接收用程式的微電腦單晶片取得實驗值,此外,我也在類比輸入端多架設一組氧密度檢測器,使得環境氧密度可經由測得電壓值的運算同時測得。實際系統架設如Fig.1。

2.程式設計

程式設計依檢測的目的分為兩種:檢測光密度與檢測成長曲線。

檢測光密度模式的實驗週期較短,約每五秒就會測得一組伏特值,其原因在於之後會在對已養殖一段時間的菌種溶液進行序列稀釋,再由取樣出的不同濃度樣本以及稀釋過後的不同濃度溶液,得到每階段濃度溶液的伏特值與光密度,找出在此系統的測量下,光密度與伏特值的關係圖。此模式並不會驅動風扇與磁石,取而代之的是稀釋過程之後的手動搖晃混和溶液與稀釋液,故需要短週期的檢測以確定充分混合的溶液有其穩定的伏特值。

檢測成長曲線模式的檢測週期可以由更改程式來決定,可以是10秒、1分鐘、1小時乃至於一天,可以取得長期的伏特值變化,再經由檢測光密度的曲線與關係,即可整理出此菌種成長過程中,其光密度與時間的關係圖。此模式搭配無線資料傳輸給另一個微電腦單晶片,可讓系統長時間架設在特定溫度的環境中,進而讓系統利於檢測對溫度有特殊需求的菌種。例如,大腸桿菌需在人體溫度37度下繁殖。

3.實驗結果

經過重複取樣與稀釋後,將取樣樣本送入GEN5用以檢測光密度,並比對所測得伏特值做成關係圖。由實驗結果得知,伏特值與光密度成線性關係,固往後在記錄此菌種的成長過程伏特值時,可藉由線性公式將其轉換成光密度的近似值,見Fig.2。

確定系統的無線資訊傳輸正常運作後,將配置好的大腸桿菌溶液與系統一同放入37度C的實驗箱中,每20分鐘測量一次伏特值,連續檢測24小時。再經由線性公式轉換成光密度後,繪製成時間圖表,可合理推測大腸桿菌在適當環境下,以自然指數曲線成長至環境負荷量後,呈現動態平衡的生長狀態,見Fig.3與Fig.4。

在配合氧氣感測器的情況下,分別檢測正常大氣含氧密度20% ,以及厭氧密度 6% 的大腸桿菌生長情況。由結果得知,在厭氧的環境下,大腸桿菌會較晚時間點才進入生長期,最終達到動態平衡的測得菌量,也降低到正常值的約75%,見Fig.5。


Fig. 1


Fig. 2


Fig. 3


Fig. 4


Fig. 5

心得感想

本研究利用光學元件偵測細菌生長狀況,並結合溫度控制、氧密度環境設定及Arduino微控制器。系統主要的架構思維參考於文獻資料,並嘗試以不同的元件進行組合。Arduino板能依據不同需求透過程式編譯達成執行序列,包含測量電壓值及控制訊號的功能,利用Arduino板上現有的I/O腳位進行讀值,可免去其他電壓量測的儀器。此外,利用風扇及磁鐵取代磁石攪拌器,大量減少儀器設備的空間,也成功降低成本。全部自動化的控制系統大量減少人力消耗,且避免人為操作過程中的缺失。

  未來研究可以使用不同波長的發光二極體,將該系統改做為感光微生物反應器,對感光的藍綠藻的演化相關實驗,並與不同氧密度造成光合作用效率不同的變因進行交叉比對。由於本系統是經由Arduino板控制,可以輕易地配合其他的測量模組,如配合氣體檢測器進行簡單的厭氧實驗。這樣的細菌培養裝置能提供一些小型簡單的微生物培養實驗應用,希望能對微生物培養及抗藥性演化方面的研究及實驗室後續研究能有所幫助。