以二茂铁修饰碳糊电极应用於电流式葡萄糖生医感测器之

1、以二茂鐵修飾碳糊電極應用於電流式葡萄糖生醫感測器之研究汪乙生、胡真熏、林浩南台科技大學化學工程與材料工程系摘要葡萄糖和氧氣藉由葡萄糖氧化酵素的催化，可產生葡萄糖酸和過氧化氫，由於二茂鐵具有導電性及催化性，故可藉以提升過氧化氫之應答電流。因此本研究以二茂鐵 (ferrocene) 修飾之碳糊電極為工作電極，在磷酸鹽緩衝溶液中偵測過氧化氫之應答電流，藉以推算過氧化氫之濃度。在25 ，-0.2 V 之操作電位，0.05 M 磷酸鹽緩衝溶液，以二茂鐵修飾碳糊電極 (二茂鐵:碳粉 = 3:7 ) 可得過氧化氫之偵測極限為0.01 mM H2O2，線性範圍為0.010.5 mM H2O2 A/cm2mM

2、H2O2。結果顯示經二茂鐵修飾之碳糊電極應答電流有明顯提升。得以上結果進一步將葡萄糖氧化酵素塗佈於電極表面，再以 Nafion 加以固定來測試本電極感測葡萄糖之性能。關鍵字 : 二茂鐵、碳糊電極、電流式生醫感測器、過氧化氫、葡萄糖1、前言近年來，國內糖尿病患者激增一直高居國人前十大死因且罹病的年齡層逐漸下降，所以血糖監測器為一重要之研究主題。葡萄糖和氧氣，藉由葡萄糖氧化酵素的催化，可產生葡萄糖酸和過氧化氫，利用電子傳媒，在還原電位下將過氧化氫還原，產生電流訊號，即可得知過氧化氫之濃度，進而推算葡萄糖之濃度。本研究以二茂鐵 (ferrocene) 為電子傳媒來修飾碳糊做為工作電極，運用上述原理固

3、定葡萄糖氧化酵素後在磷酸鹽緩衝溶液中偵測葡萄糖溶液之應答電流，完成葡萄糖感測器之研究。二茂鐵 (ferrocene)，(C5H5)2Fe，是一種金屬有機化合物，由兩個環戊二烯 (cyclopentadiene) 利用環上軌域和亞鐵離子之d軌域配位，形成一個像三明治的結構具多電子轉移，有高度熱穩定性，本研究即運用其特性來修飾碳糊電極以期增加碳糊電極之催化效能。1975年Miller 和Murray在電極表面以特殊材料改質形成修飾電極 (modified eletrode)，此電極可藉由外加電位提供適當電能，促使電活性物質在電極表面上進行氧化還原反應產生電流訊號並加以偵測，電極修飾法有很多種，有包

4、埋法 (entrapment)、電聚合法 (electropolymerization)、物理吸附法 (physical adsorption)、架橋法(cross-linking)、摻合法 (blending) 等，本研究是以摻合法為研究主題，摻合法是直接將辨識元件與電極材料混合，常用的材料有碳糊 (carbon paste)、碳油墨 (carbon ink)、石墨環氧樹脂 (graphite epoxy)等，此法具有製備容易、訊號的反應時間短、電極再生方便、可同時固定電子傳媒於電極材料中和容易控制修飾電極之材料含量等優點，且有助於本電極材料運用在平版式印刷電極上，以利大量生產。 電化學法的

5、優點是不需昂貴的儀器設備，擁有快速的訊號反應，單純的操作流程，與傳統層析和光學法相比較，電化學法較為迅速便利，此類感測器之訊號經由紀錄器之輸出數值可對分析物作精確的定量，因此具有較高的靈敏度和選擇性，因此常被運用於臨床檢驗上。2、 實驗方法 儀器使用電化學分析儀 (BAS 100W)，以循環伏安法 Cyclic Voltametry ( CV ) 和Time Base ( TB 模式 ) 來測定電極活性; pH meter (Metrohm 731 型) 量測各溶液之酸鹼值。循環恆溫槽 (Wisdom BC-2DT 10L) 使恆溫水在反應槽夾層循環控溫;超音波震盪器(DELTA D200);

6、烘箱(DENG YNG);電磁攪拌器(Fargo);自製 Ag / AgCl 為參考電極以下實驗數據均相對於此參考電極;圈繞白金絲作輔助電極;單芯銅電線塗佈修飾碳糊為工作電極，以上述電極成三電極電化學系統。 藥品Ferrocene (C5H5)2Fe (MERCK)，Hydrogen Peroxide : H2O2 ，35 (MERCK)，Glucose Oxidase : GOD (EC .4 from Aspragillus miger Type X unit )(Sigma)，Graphite Carbon Powder : 碳粉 (關東化學藥品)，Ink : 印刷油墨 (景鴻塗料有限公

7、司)，Sodium Hydroxide : NaOH (片山試藥)，Hydrochloric Acid : HCl(aq) (片山試藥)，Cyclohexanone : C6H10O (日本小島化學)，Nafion (Fluka)，Potassium Dihydrogenphosphate : KH2PO4 (林純藥工業株式會社)， Potassium Chloride : KCl (關東化學藥品)，以上藥品均為分析級。 實驗步驟(1) 電極製作方式4取內徑 mm 長度 7 cm 之單芯銅電線截去兩端 5 mm 長之 PVC 絕緣層(兩端裸露部份之表面積 cm2)，再將電線裸露部份以洗劑與超純

8、水沖洗數次，並以超音波震盪去除電極表面雜質，最後置於 40 烘箱中乾燥備用。將二茂鐵與碳粉以適當比例 (重量比) 均勻混合，比例分別為0:10、1:9、2:8、3:7，再與油墨以1:1摻合均勻( 以環己酮調勻)，將上述摻合完成之碳糊均勻塗佈於電線裸露部份表面之一端，經乾燥後即為本研究之工作碳糊電極。(2) 電極對過氧化氫的偵測首先以循環伏安法來測試電極，我們可得到氧化還原之 CV 圖，用以判斷最佳的偵測電位並藉不同電位的反覆掃描活化電極，在從氧化還原峰附近選定最佳的操作電位，用最佳操作電位以 Time Base (TB模式) 對不同摻混比例的碳糊電極作偵測，在pH ， 5 mL 之 M 磷酸鹽

9、緩衝溶液(PBS)， 500 rpm下加入10 L，50 mM 過氧化氫，判斷哪一個摻混比例有較佳之電流應答，最後以最佳摻混比例運用TB模式來測試感測器之偵測極限、線性範圍以及其靈敏度。(3) 葡萄糖工作電極的製作以步驟(1)之最佳條件(二茂鐵與碳粉比例 3:7)來製作電極，電極表面的碳糊乾燥之後，將配製完成的葡萄糖氧化酵素溶液 2L (以 3 mg 葡萄糖氧化酵素溶於 500 L 磷酸鹽緩衝溶液中)均勻塗佈於乾燥的電極表面上，待葡萄糖氧化酵素溶液乾燥後再將 1% Nafion 酒精溶液 5L 均勻塗佈於含有葡萄糖氧化酵素的電極表面，乾燥之後即為葡萄糖感測電極，以上皆在室溫下進行。(4) 電極

10、對葡萄糖的偵測採用最佳操作電位以TB模式對步驟(3)之葡萄糖碳糊電極進行偵測，在 pH ， 5 mL 之 M PBS中加入 20 L 100 mM 葡萄糖溶液觀察紀錄電極之電流應答與偵測極限、線性範圍以及其靈敏度。3、 結果與討論 偵測電位之探討以循環伏安法對二茂鐵與碳粉掺混比例 3:7 之碳糊電極進行掃描 ( 見圖一 )，5 mL 含 M 氯化鉀之 M PBS，掃描電位範圍為 -0.8+0.8 V vs Ag / AgCl，掃描速率為 50 mV/s，由圖發現還原峰大約在 -0.4 V 左右，而半波電位 (最佳還原電位) 約在 -0.2 V處，且為了減小溶液中氧氣的干擾和避免身體體液中干擾物

11、 (抗壞血酸、尿酸等) 的影響，所以選擇 -0.2 V還原電位來進行操作。圖一中 (A) 為修飾過的電極 (B) 為未修飾的碳糊電極之循環伏安圖，比較後可知二茂鐵具有提升催化電流及降低還原電位由 -0.5 V降為 -0.3 V 之功效。 二茂鐵與碳粉掺混比例之探討以操作電位 -0.2 V，pH ，5 mL 之 M 除過氧的PBS來偵測二茂鐵的碳糊電極其與碳粉不同掺混比例，比例分別為0:10、1:9、2:8、3:7 (見圖二)，每次注入10 L 之 50 mM過氧化氫，發現掺混比例為 3:7 的碳糊電極的應答電流較佳，因此往後皆以此比例製作工作電極。3.3 過氧化氫偵測極限、線性範圍與靈敏度之測

12、定和探討以掺混比例最佳的碳糊電極，操作電位 -0.2 V，5 mL 之 M 除過氧的PBS，分別注入1、2、4、10 L 之 50 mM過氧化氫 (見圖三)，得到偵測極限為 mM H2O2。以上述條件，每次注入 10 L 之 50 mM過氧化氫 (見圖四)，得到線性範圍為 0.010.5 mM H2O2，R2 A/cm2mM H2O2。3.4 葡萄糖感測電極之應答電流、偵測極限、線性範圍與靈敏度的討論操作電位 -0.2 V，5 mL M PBS，以掺混比例最佳的葡萄糖電極，每次注入 20 L 之 100 mM 葡萄糖溶液得到電極之應答電流(見圖五)，在上述條件下，分別注入3、6、12、20 L

13、 之100 mM 葡萄糖溶液得偵測極限為 mM (見圖六)，每次注入 20 L 之 100 mM 葡萄糖溶液得線性範圍為 0.062 mM，R2 ，靈敏度為 83.1 A/cm2mM 。4、結論我們在碳糊電極的製作中加入二茂鐵修飾後，電流應答明顯增加，二茂鐵與碳粉摻混比例於 3:7 時有較佳之電流應答，偵測極限為 mM H2O2，線性範圍為 0.010.5 mM H2O2 ，R2 A/cm2mM H2O2，葡萄糖感測器之偵測極限為 mM，線性範圍為 0.062.0 mM，R2 值為0.992，靈敏度為 83.1 A/cm2mM，未來將嘗試生理物質干擾之測試及平板式網版印刷電極之製作。5、參考文

14、獻1. L. C. Clark , Jr., and C. Lyons, Ann. N. Y. Acad. Sci., Vol. 102, pp.29-45 (1962).2.楊穎枚、李錦厚、林浩、張良謙，中國化學會高雄分會九十二 年度年會特刊， (2003)。3. J. Wang , X. Zhang, and M. Prakash, Anal. Chim. Acta, Vol.395, pp.11 16 (1999).4.彭振育、張良謙、林浩、李錦厚， 中國材料科學學會2003年年會暨國科會研究成果發表會(2003)。6、 圖表(A)(B)VS Ag / AgCl圖一 於 5 mL 含 0

15、.1 M KCl 之 0.05 M PBS 中 , pH 7.4 , (A)經二茂鐵修飾之碳糊電極(B) 未經修飾之碳糊電極的 CV 圖 , 掃描電位範圍為+0.8 V,掃描速率為 50 mV/s VS Ag / AgClDCBA圖二 以操作電位 -0.2 V , 於5 mL , pH 之 0.05 M PBS 中 , 二茂鐵與碳粉不同掺混比例的碳糊電極，分別為 (A) 3:7 (B) 2:8 (C) 1:9 (D) 0:10 (未修飾之碳糊電極) , 每次注入 10 L , 50mM H2O2 ,攪拌速率500 rpm下所得之TB圖VS Ag / AgCl10L4L2L1L10L圖三 以二茂

16、鐵與碳粉掺混比例3:7的碳糊電極，操作電位 -0.2 V , 於 5 mL , pH 之 0.05 M PBS中 , 分別注入1、2、4、10 L , 50 mM H2O2 ,攪拌速率500 rpm下所得之 TB 圖VS Ag / AgCl圖四 操作電位 -0.2 V , 於5 mL , 之 0.05 M PBS中 , 以二茂鐵與碳粉掺混比例3:7的碳糊電極，每次注入10 L 之50 mM H2O2 攪拌速率500 rpm下所得之 TB 圖VS Ag / AgCl圖五 操作電位 -0.2 V , 於5 mL , 之 0.05 M PBS中 , 以葡萄糖電極每次注入 20 L 之 100 mM 葡