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以鋅空氣電池製作低成本高準確度的氧氣感測器

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有天看到日本的國立科學博物館舉辦一個活動,是手作氧氣感測器(手作り酸素センサ),點下連結一看,似乎是一種低成本就可以製作的氧氣感測器,這讓我好訝異。市售的氧氣感測器,價格都是數千甚至上萬,怎麼有可能可以用低成本就作出一個呢?

經過一番搜尋後,我也跟著做出來了,算一算成本真的很低,一個甚至不到100元!這是怎麼做到的?

以下是相關的連結,有興趣的可以先自己看看,發明者是東京工業高等専門学校的高橋三男老師。

這是他的專利文件 酸素センサ及び計測装置,這部影片說明了製作方法 https://www.youtube.com/watch?v=FDW8GDlpOo8書籍 「酸素が見える! 」楽しい理科授業
這個氧氣感測器的感測原理很簡單,就是測量鋅空氣電池的電壓而已,對!就這樣而已。 一般人對鋅空氣電池應該很陌生,我也是做了這個東西才知道有這種電池,這種電池的陽極使用了鋅合金。而陰極是空氣中的氧,最常使用的地方是用在助聽器內,所以你搜尋網路賣場找助聽器電池就可以找得到了,在線上購物網站買的話,一卡是6顆,售價大約是180元上下,所以單顆價格大約30元。
使用前的電池外有貼紙貼著,撕開貼紙後,氧氣進入電池,電池開始進行化學反應而放電。當電池周圍氧氣越少,產生的電壓就會越低。而其電壓和氧氣的濃度是呈現線性關係的(這在專利文件中可以看到有實驗的數據)
電池的電壓怎麼測?不是拿三用電表直接測量,那樣測量的電壓是開路電壓,你應該加上數個電阻並聯和串聯組成負載電阻來測量電阻兩端的電壓,這個負載電阻內還有一個是可變電阻,這樣你就可以調整負載電阻的電阻值,使電壓調整到 20.9 mV之間,這個數字恰好對應環境中的氧氣值。隨後進行實驗時就可以直接觀察三用電表上的電壓值來得知現在的氧氣濃度。





這張電路圖來自專利說明書,最左邊就是感測器的核心-一枚鋅空電池,規格是PR44,不過實際去醫材行買時,你要說規格是675才可以。
圖上電阻的規格如下 R1 4.7Ω 的電阻器 R2 和 R3都是 1Ω的電阻器 Rv是 10Ω 的可變電阻
由電阻的串並聯公式來計算,這三個電阻器產生的電阻值在0.45Ω~3.25Ω之間,適合使用般的1.4的鋅空電池。但有些鋅空電池的放電電流比較大,那麼在這樣的電路上會發生很難調整到20.9mV的情況,如此就需要調整電路圖把R3拿掉,這樣合成的電阻在 0Ω 到 3.2Ω。
每個電池…

生物的自體螢光

在利用科學Maker的螢光顯微鏡觀察植物組織的螢光後,來整理一下可以看看哪些物體的螢光。

Autofluorescence自體螢光,最顯著的例子就是葉綠色的紅色螢光,在維基的頁面上列出了當它受到465nm與665nm的激發光源照射後,可以產生673nm與 726nm的螢光。簡單的說就是你用藍光或紫光照射葉綠素,就能看到它發出紅色螢光。要操作的話,就用驗鈔燈照葉綠素的溶液就看得到了。

那麼還有什麼東西可以像葉綠素一樣也發螢光呢?原來非常多啊
NAD(P)H (max. 460 nm)
核黃素 flavins (max. 520 nm)
蝶呤 pterins (max. 450 nm)
甲殼素 chitin (max. 450–460 and 520 nm)
膠原蛋白和彈性蛋白 collagen and elastin (max. 400–430, 465, 495 and 520 nm)
纖維素 cellulose (max. 420–430 nm)

那麼這些利用自體螢光可以做哪些研究呢?我在這篇Review Article
Vital Autofluorescence: Application to the Study of Plant Living Cells 看到了許多應用。

花粉粒的識別:不同種類的花粉粒分泌物不同,成分不同,螢光也就不同。風媒傳粉的花粉粒(樺樹、松樹等)主要是藍色螢光,而昆蟲傳粉的花粉粒則屬於不同的種類——藍色、黃色、綠色或藍綠色。未成熟的花粉因為有葉綠素所以會呈現紅色螢光,而成熟的花粉粒螢光顏色會不同。損傷識別:受到臭氧傷害或真菌傷害的植物組織或花粉粒螢光也會改變,真菌產生的螢光和植物組織也不同。雌蕊的螢光會因為花粉的種類而不同,會改變螢光的波峰和強度。乾燥的分泌細胞和新鮮的分泌細胞產生的螢光不同。
其他部分,我看到王小發在科學堂社團中整理了更多文獻資料
https://www.facebook.com/groups/1960895877510713/permalink/2080906335509666/

使用科學Maker的落射螢光模組觀察保衛細胞的紅色螢光

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九月初看到科學Maker上,江老師釋放出一款限量模組,是給手機顯微鏡使用的【螢光模組/進階落射螢光模組】,內含

落射螢光的分光鏡cube 螢光模組A (紫光激發)

這個螢光模組真的很厲害,讓一般人也能使用到研究機構等級的螢光顯微鏡。江老師曾經在這篇貼文中,有提到兩款螢光模組的設計不同。電源方面,螢光A需要兩顆2032電池來供電,而螢光B只要一枚電池就可以。而濾片部分,螢光B需要多用一片濾片來濾出乾淨的螢光。




另外一個厲害的神器是【落射螢光的分光鏡cube】。組裝後是像下圖,將「分光鏡cube」裝在研究型手機顯微鏡的「通用物鏡模組」的載物板上,通用物鏡模組可以旋上任何標準的顯微鏡物鏡,模組上有小孔可以把分光鏡鎖上。




落射螢光的分光鏡運作原理是什麼呢?請Google一下螢光分光鏡(Fluorescence Beam Splitter)的圖片可以看到一些原理圖。在此模組中,其原理是將紫光平行射入分光鏡側邊的孔,分光鏡內的鍍膜玻璃把紫光反射經過物鏡到標本上,隨後標本產生的螢光通過物鏡向上通過分光鏡之後再進入觀測用目鏡。

來看看實際拍攝的結果,使用紫錦草來觀察。這是葉內維管束,旁邊還有一些葉肉組織。

我使用【十倍物鏡+通用模組+螢光落射模組+螢光A】在螢光顯微鏡拍攝下,可見葉綠素的紅色螢光和組織的綠色螢光
 使用同樣的設備找尋葉下表皮,看保衛細胞的螢光,在這倍率下,保衛細胞的螢光比起葉肉要遜色一些。

隨後我換成40倍物鏡來觀察,這是一般光源下的保衛細胞

而在此倍率下,微調入射的紫光就可以看見明顯的保衛細胞內的紅色螢光了。