修飾電極之交流阻抗分析

在本實驗中，我們也利用電化學交流阻抗分析法(Electrochemical impedance spectroscopy，簡稱 EIS)探討蛋白質吸附於類核黃素修飾電 極時所引起的電極阻抗變化。進行實驗時，我們利用 1 mM Fe(CN)6

3-/4-做為分子探針，以觀察類核黃素修飾電極表面的電子傳遞速率變化，

根據文獻報導⁽²²⁾，在做 EIS 時，分子探針的濃度與測量時間皆會影響 實驗結果，我們也針對這些誤差因素加以測試，如附錄圖 6-1 與 6-2，

發現在 1 mM 的 Fe(CN)63-/4-下進行實驗 100 分鐘內，所產生的自然誤 差並不會對實驗造成明顯的影響。根據 Fe(CN)63-/4-的循環伏安圖譜 (圖 3-8)，Fe(CN)63-/4-的形式電位為 0.175 V vs. SCE，因此我們進行 EIS 時將電壓固定於 0.175 V vs. SCE，再施加一振幅為±10 mV、頻率為 10 kHz~0.1 Hz 的交流擾動，以分析電極的電子傳遞與物質輸送速 率。實驗結果如圖 3-9 所示。我們發現：在 EIS 圖譜的高頻區出現一 半圓，其半徑會隨著 TB 的修飾與蛋白質添加而變大，暗示 Fe(CN)6

3-/4-在電極表面的電子轉移阻抗(RCT)會隨電極表面修飾物而越加困難。

0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -100

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

C u r r e n t (  A )

E (V) vs. SCE

圖 3-8 1 mM Fe(CN)63-/4-的循環伏安圖譜。

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

0 300 600 900 1200 1500 1800

0

200 400 600 800

0

mg/mL）、(B) Ferritin（5 mg/mL）與(C) Salmon testes DNA（10 mg/mL）

時所得的 EIS 圖譜，其中逐量添加體積為 40 L，實點為模擬前，實

對於上述變化，我們先以圖 1-2 所示的 Randles 等效電路進行模 擬，發現利用簡易等效電路模擬所得數據與實驗值存在明顯誤差，顯 見 ITO|TB 修飾電極的微觀結構並不單純。假設電極表面的 TB 修飾 層是以多層吸附附著於 ITO 上，我們改圖 3-10 所示的多層串聯等效 電路進行模擬，代表性結果如圖 3-11 所示。我們發現隨 RC 電路的串 聯數增加，所得數據的吻合度也隨之提高。當串聯數達三層(n=2)時，

模擬數據幾乎與實驗值完全一致。有鑒於此，我們於是利用三層等效 電路模擬，並將所得各元件數值列於表 3-1 中，誤差則列於表 3-2 中。

我們發現逐量添加蛋白質時，溶液電阻（Rs）僅顯現些微變化，暗示 蛋白質不導電，不會引起溶液導電度變化。根據電極的電雙層電容

（Cdl），我們也發現蛋白質吸附不致阻礙離子進出 TB 膜。又根據物 質輸阻抗(Zw)，Fe(CN)63-與 Fe(CN)64-的物質輸送速率也沒有受到蛋白 質影響，而最主要影響則在 Fe(CN)63-/4-的電荷傳遞組抗（RCT）。進一 步比較各種蛋白質所對 RCT所造成的影響，我們發現以 GOx 影響最 大（圖 3-12），與本實驗室同學以漫射式螢光光譜法所得結論極為吻 合。

圖 3-10 串聯層模擬電路示意圖

0 500 1000 1500 2000 2500

0

表 3-1 以三層串聯電路進行電腦模擬所得各元件數值，其中

ITO|TC|GOx、ITO|TC|FT 與 ITO|TC|ST 為 ITO|TC 電極上蛋白質吸附 達到飽和時的代表數值。

-100 0 100 200 300 400 500 600 0

200 400 600 800

1000 Selmon Teste

Ferritin

Glucose Oxidase

R CT (  )

添加體積 (  L)

圖 3-12 蛋白質對 ITO|TB 偶氮環原修飾電極的 RCT影響之比較圖，其 中(○) Salmon Testes；(△)Ferritin；(□) Glucose Oxidase。偵測電位：

0.175 V vs. SCE。頻率範圍：10k ~0.1 Hz。

我們同樣以相同手法對氧化聚合修飾電極做阻抗分析，實驗結果 如圖 3-13 與圖 3-14 所示，所得模擬元件分析數值結果如表 3-3，模 擬誤差如表 3-4，我們發現元件數值變化情形與偶氮還原法修飾電極 即為相似。

我們也嘗試著利用 GOx 對三種不同類核黃素修飾電極進行分析 比較，發現 GO 在 TC 電極表面的吸附效果最好，如附錄圖 6-3。惟 因 TC 修飾電極再現性不佳，所以本論文討論主要以 TB 修飾電極為 主。

200 400 600 800 1000

200 400 600 800 1000

-50

200 400 600 800 1000

0 mg/mL）、(B) Ferritin（5 mg/mL）與(C) Salmon testes DNA（10 mg/mL）

時所得的 EIS 圖譜，其中逐量添加體積為 40 L，實點為模擬前，實

表 3-3 以三層串聯電路進行電腦模擬所得各元件數值，其中

ITO|TC|GOx、ITO|TC|FT 與 ITO|TC|ST 為 ITO|TC 電極上蛋白質吸附 達到飽和時的代表數值。

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 40

60 80 100 120 140 160 180

R CT (  )

添加體積 (  L)

Salmon testes Ferritin GOx

圖 3-14 蛋白質對 ITO|TB 氧化聚合修飾電極的 RCT影響之比較圖，其 中(○) Salmon Testes；(△)Ferritin；(□) Glucose Oxidase。偵測電位：

0.175 V vs. SCE。頻率範圍：10k ~0.1 Hz。