為了改善以純粹二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為輔助MALDI分析之基材
的偵測極限，本論文也進一步探討在改變二氧化鈦薄膜表面性質後，是
否可對在MALDI分析有所助益及改善。
(1) 二氧化鈦溶膠凝膠材料混摻PEG的特性
1998年，日本京都大學的K. Kajihara 等人發表了一系列以二氧化鈦 溶膠凝膠材料混摻PEG的研究，91-95其結果指出利用PEG並結合高溫處 理可以得到具有孔洞性質的二氧化鈦薄膜，而孔洞的形成性質與溶劑的 種類、空氣的溼度、水與前驅物的比例、PEG的分子量及浸鍍 (Dip
coating) 的條件有十分密切的關係。二氧化鈦薄膜的表面型態主要是由三
個互相競爭的現象所決定：溶劑揮發所造成的流動性變差，薄膜吸收空 氣中的水氣所造成的聚合加速以及相分離，當相分離及溶劑揮發的速度 皆小於聚合的速度時，只能得到平滑而無明顯孔洞的薄膜。
(2) 二氧化鈦溶膠凝膠材料混摻PEG後的薄膜表面型態
溶膠凝膠材料是一種具有多孔性的無機材料，由於由前面的結果顯
示已經可以成功地利用二氧化鈦溶膠凝膠材料做為MALDI的基質，而薄 膜表面的性質如孔洞及粗糙度在吸收雷射能量及分析物脫附游離的過程 中可能扮演十分重要的角色。77, 96因此本實驗嘗試在二氧化鈦溶膠凝膠 材料的製程中混摻PEG，探討薄膜的表面性質對質譜分析訊號的影響。
實驗中我們首先嘗試利用分子量約為2000的PEG來做為形成孔洞
的模板分子 (Template)，在與二氧化鈦溶液均勻混合後以高溫煅燒法去除
PEG而形成具有孔洞性質的二氧化鈦薄膜，其表面的型態經由掃描式電 子顯微鏡 (Scanning electron microscope, SEM) 可以觀察到在薄膜上有 明顯的孔洞分佈，其大小約為200~300 nm，如圖 16所示。但是由於此 二氧化鈦薄膜呈現嚴重龜裂 (Crack) 且不連續的型態，如圖17所示，因 此當我們嘗試將分析物點樣在薄膜上時，樣品溶液會迅速擴散並且滲入 薄膜中，會導致分析物在薄膜表面的濃度降低，而難以進行MALDI分析。
因此，合成能夠承載樣品並且具有不同表面性質的二氧化鈦薄膜為
本實驗所需要克服的關鍵技術。我們嘗試選用分子量較小的PEG，其分 子量約為400，因為其與二氧化鈦溶液的相容性十分良好，會抑制相分離 的發生，因此當我們使用旋轉塗佈法將混合溶液塗佈在蓋玻片上並進行 高溫處理後，可以觀察到薄膜表面除了有明顯的裂縫外，皆為均勻且連 續的型態，並且似乎有孔洞的產生，如圖18、19所示。而經由原子力顯 微鏡 (Atomic force microscope, AFM) 的偵測，我們可以看出有PEG混 摻的二氧化鈦薄膜其表面的平均粗糙度會增加，如圖20、21所示。
(3) 二氧化鈦溶膠凝膠薄膜經過高溫處理後的UV吸收
二氧化鈦薄膜經過高溫處理後的UV吸收光譜圖如圖 22所示，我們
可以觀察到在經過高溫處理後二氧化鈦薄膜的UV吸收會增加且會有紅 位移的現象，這與文獻中的描述相符合，97其原因推測為薄膜中的二氧化 鈦晶粒成長所造成的。而將二氧化鈦溶膠凝膠粉末經過高溫處理後的晶 型由x光繞射儀的偵測 (Scan rate=0.50/min) 與文獻中的圖譜比對證實為 銳鈦礦 (Anatase)，105如圖 23所示。
(4) 二氧化鈦溶膠凝膠混摻PEG之薄膜經過高溫處理後的UV吸收
圖24為二氧化鈦溶膠凝膠混摻PEG之薄膜經過高溫處理後的UV吸 收圖，我們可以觀察到隨著混摻的PEG含量增加，薄膜的UV吸收會有 藍位移的現象。許多文獻指出，98, 99奈米級二氧化鈦的物理及光化學性 質與二氧化鈦塊材 (Bulk) 有明顯的不同，而通常以藍位移的能階呈現，
100例如 Anatase晶型的二氧化鈦塊材的 UV吸收起始於387 nm，而 3.8 nm的二氧化鈦奈米顆粒其UV吸收起始於 375.1 nm。99, 101而本實驗所 合成之二氧化鈦薄膜的UV吸收大約起始於 365 nm，且隨著 PEG的含量 愈高，其藍位移的現象愈明顯，顯示此二氧化鈦薄膜為奈米結構，而 PEG的含量扮演著十分重要的角色。文獻指出二氧化鈦的晶核與 PEG的 長鏈之間會有氫鍵的作用力，而添加PEG會使得二氧化鈦溶液的黏度增 加，基於這兩個因素，會使得二氧化鈦的晶核不易聚集，而造成了藍位 移的現象102。
圖16、組成為TiO2:PEG2000=100:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的SEM 圖
圖17、組成為TiO2:PEG2000=100:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的SEM 圖
圖18、組成為TiO2:PEG400=1:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的SEM 圖
圖19、組成為TiO2:PEG400=1:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的SEM 圖
8 16 nm
圖20、二氧化鈦薄膜之AFM 圖
8 16 nm
(Roughness Raw Mean=3.253 nm) (Roughness Raw Mean=0.670 nm)
圖21、以TiO2:PEG400=1:2為溶膠凝膠組成之薄膜表面AFM 圖
200 300 400 500 600 -1
0 1 2
3 TiO2 thin film heated at 5000C
TiO2 thin film
A=0.69 A=0.11
Absorbance (AU)
Wavelength (nm) 337
圖22、二氧化鈦溶膠凝膠薄膜經過高溫處理後的UV 吸收圖
T i O 2
T h l o c k e d - S t a r t : 1 0 . 0 0 0 ?- E n d : 6 0 . 0 0 0 ?- S t e p : 0 . 5 0 0 ?- S t e p t i me : 6 0 . s - T e mp . : 2 5 蚓 ( R o o m) - T i me S t a r t e d : 1 1 s - 2 - Th e t a : 1 0 . 0 0 0 ?- T h e t a : 5 . 0 0 0 ?- C h i: 0 . 0 0 ?- P 2 - T h e t a - S c a l e
2 0 3 0 4 0 5 0 6
T i O 2
T h l o c k e d - S t a r t : 1 0 . 0 0 0 ?- E n d : 6 0 . 0 0 0 ?- S t e p : 0 . 5 0 0 ?- S t e p t i me : 6 0 . s - T e mp . : 2 5 蚓 ( R o o m) - T i me S t a r t e d : 1 1 s - 2 - Th e t a : 1 0 . 0 0 0 ?- T h e t a : 5 . 0 0 0 ?- C h i: 0 . 0 0 ?- P 2 - T h e t a - S c a l e
2 0 3 0 4 0 5 0 6
圖23、二氧化鈦溶膠凝膠粉末經過高溫處理後的x光繞射圖
200 300 400 500 600 -1
0 1 2 3
4 TiO2:PEG400=1:0.5
TiO2:PEG400=1:1 TiO2:PEG400=1:1.5 TiO2:PEG400=1:2
Absorbance (AU)
Wavelength (nm) 365
圖24、二氧化鈦溶膠凝膠混摻PEG之薄膜經過高溫處理後的UV 吸收圖
(5) 薄膜的性質對分析物訊號強度的影響
以具有不同性質的二氧化鈦薄膜為基質，我們嘗試在相同的操作條 件下（打擊頻率、次數及雷射能量）觀察分析物的訊號強度是否有所變
化。由圖25~27 的比較圖中可以觀察到在相同條件下，不同的分析物如
Prometryn, Bradykinin, Melittin的訊號皆會隨著 PEG 含量的增加而增 強。為了進一步了解薄膜性質對分析物訊號的影響，我們以掃描式電子
加上高溫處理的過程薄膜孔洞中殘存的質子化來源如酸等均被移除，因 而降低了分析物被質子化 (Protonation) 率，使得以高溫處理後的二氧化 鈦薄膜為基質其質量偵測上限大約為3 kDa，較未經過高溫處理的二氧 化鈦薄膜低。為了進一步驗證質子化來源對以高溫處理後的二氧化鈦薄 膜為基質進行MALDI分析有十分重要的影響性，我們以組成為TiO2:
PEG400=1:2（莫耳比）並經過高溫處理後的二氧化鈦薄膜為基質，在薄
膜上先加上一層甘油/甲醇 (15 %, 0.2 μl) 的溶液做為質子化的來源，再 加入分析物 (0.2 μl)，並在乾燥後進行 MALDI分析。圖30及31 分別為 以Bradykinin及Melittin為分析物所得到的MALDI質譜圖，可以觀察到 分析物假分子離子訊號 (MH+) 的解析度有明顯的改善，而鈉、鉀離子的 加成物訊號也可以被觀察到，可能是甘油與甲醇的混合溶液中含有的 鈉、鉀離子所致。利用此方法進行MALDI分析，我們可以觀察到 Insulin、Ubiquitin、Cytochrome c的分析物訊號，其質量偵測上限有大幅 度的提升，如圖32~34，顯示二氧化鈦薄膜在經過高溫處理後具有相當的 吸收率，如果能提供良好的質子化來源，能夠有效地改善其輔助分析物 脫附游離的效率，而有利於進行分析。
(3) 添加PEG後得到的二氧化鈦薄膜在經過高溫處理後其吸收率較 未添加PEG的二氧化鈦薄膜來得高，所以我們可以觀察到分析物的訊號 會有增強的趨勢。至於為何分析物的訊號強度似乎有隨著PEG的含量增 加而增強的趨勢，其作用機制尚未十分清楚，但是根據文獻中的研究指
出，在DIOS及SALDI的脫附游離機制中，矽基材或石墨的表面孔洞性
質及粗糙度扮演十分重要的角色。96多孔性的矽基材能夠捕捉住分析物及
溶劑，利用其具有吸收UV雷射能量的特性，將能量傳遞給分析物，並
TiO2:PEG400=1:0.5
(heated) 0.7044 298 5.44 0.10
TiO2:PEG400=1:1
(heated) 0.6874 276 5.74 0.08
TiO2:PEG400=1:1.5
(heated) 0.5781 251 5.31 0.16
TiO2:PEG400=1:2
(heated) 0.5011 201 5.75 0.07
Abundance
TiO2:PEG400=1:0.5 (b)
TiO2:PEG400=1:1 (c)
薄膜組成
TiO2:PEG400=1:1.5 (d)
TiO2:PEG400=1:2 (e)
圖25、以Prometryn (1000 ppm, 0.2 μl) 為分析樣品，二氧化鈦混摻不同 莫耳比例的PEG之薄膜 (a) TiO2 (b) TiO2:PEG400=1:0.5 (c) TiO2:PEG400
=1:1 (d) TiO2:PEG400=1:1.5 (e) TiO2:PEG400=1:2經過高溫處理後為
MALDI MALDI
薄膜組成
TiO2:PEG400=1:1.5 (d)
Abundance
薄膜組成
TiO2:PEG400=1:2 (e)
TiO2:PEG400=1:0.5 (b)
薄膜組成
TiO2:PEG400=1:1 (c)
m / z
TiO2:PEG400=1:0.5 (b)
薄膜組成
TiO2:PEG400=1:1 (c)
薄膜組成
TiO2:PEG400=1:1.5 (d)
薄膜組成
TiO2:PEG400=1:2 (e)
(a) TiO2 (b) TiO2 heated at 500℃
(c) TiO2:PEG400=1:0.5 (d) TiO2:PEG400=1:1
(e) TiO2:PEG400=1:1.5 (f) TiO2:PEG400=1:2
圖28、二氧化鈦薄膜的厚度之SEM 圖
0 100 200 300
Laser atten.=51
圖29、經過高溫處理後的TiO2薄膜的 MALDI背景質譜圖
600 800 1000 1200 1400
0
2000 2500 3000
4000 5000 6000 7000
0
7000 8000 9000 10000
10000 11000 12000 13000 14000 15000
0