第 010 期 2022/06/30發佈
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具有物聯網整合之可攜式多光源水產病原菌檢測裝置
 王郁峻
行政院農業委員會水產試驗所
前言

     養殖過程中,水中病原菌濃度過高時,可能導致疫情爆發。傳統微生物方法,採集檢體後,需經分離、純化、培養等繁複步驟,不僅曠日費時,而且往往發生養殖生物大量死亡後才檢測出水中病原菌濃度過高導致疾病發生。近幾年來,因為生物技術的進展,開發出免疫螢光、核酸雜交及聚合酶鏈鎖反應 (polymerase chain reaction, PCR) 技術等較為快速的檢測方法。目前水產病原菌的檢測大多採用塗抹法、血清檢驗或是微量生化反應 (Adams et al., 1995; Morris et al., 1997),其缺點在於人工操作易因實驗中些許不明顯的差異導致誤判;而PCR或是核酸檢測的缺點則包括送件過程的時間耗費、儀器檢測成本高且須在實驗室進行檢測等。
     根據聯合國糧食及農業組織 (FAO) 2020世界漁業和水產養殖狀況 (SOFIA) 報告,預估到2030年,魚類總產量將增加至2.04億噸,較2018年增長15%。惟近十餘年來,捕撈漁業的產量已呈現停滯甚或下降趨勢,因此在漁產品的供應方面,水產養殖的重要性將與日俱增。為進一步提升水產養殖的質與量,導入智慧化養殖技術勢在必行。俗諺道「養魚先養水」,代表水產養殖首重水質管理。養殖生物棲息水域的化學、物理和生物因子為水質管理的首要目標。為增殖水產生物,達到養殖獲利的目標,必須維持適合養殖生物成長之環境條件,為了符合這項基本要求,水質監控便是首要,水中物理與化學因子可透過感測器或是化學反應達到監測目的,但水中生物因子如何快速且準確的檢測迄今仍是科學家努力的目標。
檢測原理與檢測方法

     根據比爾-朗博定律 (Beer-Lambert law),當光穿透樣品溶液時,光的吸收度與吸收係數、光徑長、濃度等均呈正比。此原理主要涉及的電磁波譜範圍是可見光、近紫外線與近紅外線,利用特定波長的單色光分別透過標準溶液與待測溶液,比較其吸光度差異,即可轉換為濃度。本技術依據比爾定律原理,將裝有待測物的離心管放入LED與感光元件之間,依據感光元件接受到的數值,經由Arduino單晶片微控制器計算結果,回算出病原菌濃度。
圖1. 數位DM置入樣品。
     檢測所使用本所開發之檢測試劑,以海洋弧菌為例檢測之目標體積只需要40 µl,而檢測過程中,會先將流體與360 µl的MV-buffer混和均勻,並等待5分鐘,再取出40 µl配上125 µl的MV-kit即可,混和液體會起變色反應,由透明色轉為紫色並以肉眼觀察, 24小時內變色代表濃度 > 4.2 ×106 CFU/ml,24到30小時為4.2 × 106-1.1 × 105 CFU/ml,大於30小時的則代表 < 1.1 × 105 CFU/ml。當水中病原菌濃度大於105 CFU/ml,表示水中病原菌濃度達危險等級,須立即處理,避免爆發疫情。
圖2. 數位DM檢測中。
     本系統架構分成檢測區以及LCD顯示器,檢測區內有3組檢測槽,用來檢測待測物,目前可針對海洋弧菌、乳酸鏈球菌與艾德華氏菌進行檢測。檢測方法只需將本所開發之檢測試劑,將待測水體與檢測試劑於離心管充分混合後放入檢測晶片中即完成。系統啟動後LED光源會發出特定波長的藍光或綠光,照射至待測物,感光元件接收穿透的光後,Arduino內部程式即會判斷待測物濃度。檢測完成後會將濃度顯示在LCD顯示器上,並上傳雲端資料庫。

技術創新 - 省工、低成本、即時預警

     本技術為一快速、即時、且具物聯網功能之檢測系統,並證實具有即時檢測功能,且各檢測模組之穩定度極佳,在4~9小時內即可得知病原菌濃度,比一般傳統目視比色法需耗時30小時快速很多,且可精準定量。檢測結果除可直接顯示於系統之LCD上,並可透過物聯網功能將結果傳至遠端伺服器,養殖業者可利用手機得知最新檢測結果,並可提前20小時檢測出水中病原菌濃度已達爆發之臨界值,所爭取之黃金20小時之時間可使養殖業者提早預警因應,進行相關水質管理,例如大量換水等方式降低病原菌濃度,阻止疫病爆發,大幅降低養殖風險。

 
圖3. app首頁。
圖4. app檢測結果
智財權
國家申請:中華民國
專利號:TW M605662
專利期限:2020/12/21 - 2030/08/16
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