固態離子選擇電極陣列於水耕作物之營養素組成分析

Abstract

"為了解決農業人口老齡化問題，智慧農業科技可將現有的生產經驗與知識保留並轉換為數位資訊，有利於建立專家系統以降低農業經營門檻與提高生產效率。本研究欲發展多離子感測試片進行高通量植物營養素組成分析之現場檢測平台，以找出較佳植物栽種條件及管控植物品質，故建立植物營養素檢測裝置。以植物工廠之水耕蔬菜作為感測樣本，自製固態離子選擇電極陣列試片 (solid-contact ion-selective electrode array chip, SCISE array chip) 作為感測器，搭配多通道電位感測模組，量測不同栽種條件下植物葉片汁液之離子濃度，並使用多變量統計分析離子組成找出植物之生理特性、健康狀態和品質等關聯。SCISE陣列試片可量測鉀、銨、鈣、鎂、氫、硝酸根、氯和鈉等八種離子濃度。為了檢測應用性，使用其量測未過濾植物汁液和養液 (濃度範圍：10-3~10-4M) ，並與離子分析儀 (IA-300) 過濾後的植物汁液和養液之結果比較，且該試片當天可重複使用至少30次。接著，以標準儀器量測之同光質不同養液栽種之植物葉片汁液之離子濃度，比較變異數分析 (ANOVA) 、多變量變異數分析 (MANOVA) 、主成分分析 (PCA) 和因素分析 (FA) 等統計分析之結果。我們發現FA可分群不同栽種條件之植物並找出栽種條件與生理特性之關係，透過盒鬚圖搭配AONVA鈉離子在統計存在顯著差異，因此為分群上的重要參數，有助於未來判斷不同栽種條件與品質管理。並以不同光質同養液栽種之植物驗證其結果，結果顯示不同光質比例應用於不同種類的蔬菜後可影響不同的生理特性，有助於預測光質對特定作物生理特性的影響並進而掌握品質。最後，使用逐步迴歸 (stepwise regression) 建立最適化模型和擬合公式，其結果有助於改良養液與光質配方，並可應用於發展專家系統。本研究發展植物營養素檢測裝置，可快速量測多種離子濃度並建立出代數值模型，未來可利用此技術判斷栽種條件之合宜性，並掌握植物生理特性和健康狀態，大到品質管理與產量提升。"