2. 1 實驗藥品
表 2-1 實驗藥品
實驗藥品名稱 廠牌/供應商 規格
碳膠 Acheson ELECTRODAG 423SS 碳紙 CeTech Thickness 0.18 mm 普魯士藍 (Fe4[Fe(CN)6]3) Sigma-Aldrich –
乙醇 (C2H5OH) HY Biocare Chem. HPLC grade 乙二醇 (CH3OHCH3OH) Sigma-Aldrich Purity ≥ 99.5 %
葡萄糖氧化酶 (GOx) Sigma
From Aspergillus niger, activity: 50 KU.
尿素氧化酶 (Uricase) Sigma
Candida species recombinant, Expressed in E. coli, activity:
4.7 units/mg solid 石蠟 First Chemical Works –
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戊二醛 (Glutaldehyde) Sigma-Aldrich Grade II, 25 % in H2O 明膠 (Gelatin) Sigma Type B, from bovine skin
醋酸纖維素 Sigma-Aldrich Average MW~ 30,000 尿酸 (Uric acid) Sigma Purity ≥ 99 %, crystalline 維生素 C (L-Ascorbic acid) Sigma-Aldrich –
氫氧化鉀 (KOH) – –
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2. 2 實驗儀器
表 2-2 實驗儀器
實驗儀器 廠牌 型號
噴墨設備 MicroFab Technologies Jetlab 4 電化學分析儀 Gamry Instruments Reference 3000
白金電極 Alfa Aesar Diameter 0.5 mm
銀/氯化銀參考電極 BASi MF-2052
掃描式電子顯微鏡 FEI COMPANY Nova NanoSEM 230 超音波震盪洗滌器 Delta New Instrument DC300H
離心機 HERMLE Labortechnik Z 206A
pH 測定計 Thermo Scientific ORION STAR A211 磁石加熱攪拌器 Dragon Lab MS–H–PRO
微量電子天平 Mettler–Toledo AL 204 可調式微量吸管
(100、1000 L) SOCOREX Acura® manual 825 可調式微量吸管
(10 L) Dragon Lab MicroPette Pipettor 針式過濾頭
(0.45 m) ADVANTEC Hydrophilic PTFE 感光乳膠 Matina Co., Ltd 乳劑 335
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透明膠片
UNIVERSAL MACHINE Co., Ltd
–
絹框 – 150 目
點膠機 EFD RERFORMUSTM III
網印機
HOUN JIEN INDUSTRIAL, Co., LTD.
RJ-55AC
均質機 Betatek Inc Sonics VC5020AT
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時，不會擴散出去。因此將上述普魯士藍乙醇溶液與乙二醇等體積 混合配置，體積百分比溶液 50%。
iv. 同樣為了均勻混合，使用超音波震盪一小時。
2. 3. 4 葡萄糖氧化酶墨水－噴墨製程(Inkjet Printing)用
i. 秤取 0.0554 g 葡萄糖氧化酶粉末，置入樣品瓶中。
ii. 加入 pH 值約 7.0 左右的磷酸緩衝水溶液 4 毫升。
iii. 震盪約 10 分鐘，粉末即可完全溶於水中。
2. 3. 5 石蠟墨水－浸製塗佈(Dip Coating)用
i. 取 20 mL 甲苯，至於樣品瓶中。
ii. 秤量 0.0203 g 石蠟(Paraffin wax)，加入甲苯中，石蠟重量百分比含 量 0.101 %(w/w)。
iii. 震盪 1 小時後，石蠟即完全溶解於甲苯中，石蠟墨水完成。
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2. 4 工作電極製作
2. 4. 1 碳膠層
此層為電極最基層，作為工作電極的導電層，使用網印技術，網刷碳膠電極，
網印的技術，分為兩部分：第一部分－網版製作、第二部分－網印碳膠電極。所 得的碳膠電極，稱為網刷碳膠電極，本文會以 SPCE(Screen-printed carbon paste electrode)為代號簡稱此修飾電極。
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61 上，使用的技術皆為直接噴塗(Direct writing)的噴墨製程，以下介紹三種製程實驗 步驟。文獻指出經加熱修飾後的普魯士藍薄膜會比較穩定[56]，因此以下列出的三 種製程，最後都會藉由加熱修飾(Sinter)，穩定普魯士藍層。
噴墨製程(Inkjet Printing)
簡略介紹如何使用噴墨製程來沈積普魯士藍層，噴墨操作機台的詳細介紹會 在章節 2. 4. 5 一併說明。
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噴墨製程(Inkjet Printing)
i. 使用墨水前，先將墨水震盪 10 分鐘，使其穩定懸浮。
ii. 在移動式載台上將電極固定，先利用噴墨機台內建功能與攝影機找出
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浸製塗佈(Dip Coating)
i. 利用實驗室自製浸製塗佈機(Dip coater)，將電極利用固定夾夾住。
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ii. 下方放置石蠟的甲苯溶液，塗佈機固定夾設定全速下降，直到電極感 測部分(即圓形部分)全部沒入；沒入後，立即全速上升，使電極完全離 開溶液。上升與下降的速率為 0.422 mm/s。
iii. 放在通風櫥(Hood)待甲苯溶液揮發，靜置五分鐘，電極製作完成。
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2. 4. 5 噴墨技術介紹
本實驗中所使用的印表機為工業用印表機(MicroFab Technologies Inc., Plano, TX)，其噴墨運作原理為壓電驅動墨水噴出，系統包括壓電式雙噴頭、電壓控制電 路－提供脈衝的設備、背壓(Back pressure)控制模組、線性移動載台(Moving stage)、
兩獨立 CCD 鏡頭－一個觀測噴出液滴穩定性與物理性質、另一個觀看欲塗佈的基
67 式控制與紀錄。噴塗圖樣可藉由本系統程式語言語法或是製作 bitmap 圖片檔(.bmp) 與簡易指令，即可透過該軟體控制平台移動速度與方向，進而畫出特定圖樣。
軟體操作
軟體的用途是整合噴墨系統各元件，使各元件能夠互相配合來達到墨滴穩定 及噴塗圖形完整性。因此在操作機台時，如何操作軟體內程式的各項指令，也屬
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於噴墨技術的重要部分。
主程式中有下列幾項主要標籤：Jet Setup、Motion、Calibrations、Print Patterns 和 Print，每個標籤有其主要用途，以下就使用到的標籤，逐一介紹。Jet Setup 標 籤中，主要是設定電壓波形，用以形成穩定的液滴，利用改變 Jet Setup 標籤下方 各波形參數：Rise Time、Dwell Time、Fall Time、Echo Time、Dwell Voltage 和 Echo Voltage 的數值，改變電壓波形(圖 2-1 紅色方框處)，並且調整合適的背壓，產生穩 定的液滴，這時依照實驗噴塗指令設定來反推噴墨頻率(Frequency)，藉此可以觀察 在噴塗過程中液滴狀態。接著利用 Drop Analysis(圖 2-1 藍色方框處)來獲得液體直 徑、液滴體積和飛行速度等資訊。
圖 2-1 利用軟體中 Jet Setup 頁面，觀察液滴形成並分析其液滴物理性質
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因本實驗的感測器製作方法是採用逐層沈積方法 (Layer-by-layer, LBL)，因此 要準確地將葡萄糖氧化酶準確沉積在普魯士藍碳膠電極上，並且繪製出特定圖樣，
就必須得知電極於移動平台上的座標，利用 Motion 的功能(圖 2-2)搭配觀測平台表 面的 CCD 鏡頭可取得電極座標位置，按下 Motion 標籤中的 Joystick ON 會跳出控 制視窗(圖 2-2 紅色方框處)，並利用此視窗來控制移動平台尋找碳電極，等到 CCD 鏡頭捕捉到的畫面位置確定，按下 Move to Crosshair 讓噴頭移動到 CCD 鏡頭的位 置(圖 2-2 藍色方框處)，並從視窗中間上方的數據中，可以讀取到坐標(圖 2-2 綠色 方框處)，將坐標紀錄下來，待稍後噴塗時輸入位置。
圖 2-2 利用軟體中 Motion 頁面，決定噴塗位置
在噴塗時，將畫面切換到 Print 標籤下(圖 2-3)，可以指定內建指令或是外部自 行撰寫指令來噴塗圖樣。使用內建指令，只需要挑選特定的指令，輸入點距、點 數等參數，即可開始噴塗。若使用外部撰寫指令，如同本實驗所使用之方法，則
70 整指令中噴塗點數，噴塗點數對應<points>的值，則噴塗出的直線為0.05 × 100 = 5 mm，修改對應<angle>的值則可旋轉該直線。
Circle
set fly on 3.0
beginpolycurve 1 0.05 0.0 0.05 1 0 0.0 0.0 360.0 0.0 2.5
endpolycurve
;beginpolycurve <type> <step> <angle> <margin> <option1> <option2>
;<x1> <y1> <phirange> <xc> <yc> <eccentricity> <majorangle> <pendown>
Shapes beyond line and rectangles set fly on 3.0 0
moveto 0 0 select 2
array 0.05 100 0 1 0 1
;array <step> <points> <linedistance> <lines> <angle> <function>
噴塗示意圖：
噴塗示意圖：
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以下為方形矩陣圖樣噴塗指令：
指 令內使用的單位為公釐
指令檔案中，點距與線距設為相同，可藉由更改指令中對應<step>與<linedistance>
的值，若欲調整 x 方向長度則調整指令中噴塗點數，噴塗點數對應<points>的值，
則噴塗出的 x 方向直線長度為0.05 × 20 = 1 mm；然而若欲調整 y 方向長度則調整
Shapes beyond line and rectangles set fly on 3.0 0
moveto 0 0 select 2
array 0.05 20 0.05 40 0 1
;array <step> <points> <linedistance> <lines> <angle> <function>
噴塗示意圖：
x y
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圖 2-3 利用軟體中 Print 頁面，設定噴塗圖樣
The code used here is for line printing.
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2. 5. 4 尿酸水溶液
i. 取 0.1712 克尿酸，置入 50 毫升容量瓶中，加去離子水至標線。
ii. 然而，因尿酸在 20 oC 微溶於水，溶解度約為 60 mg/L，因此本步驟 所配得的尿酸水溶液為飽和溶液，其濃度為 0.36 mM。
2. 5. 5 維生素 C 溶液
i. 取 0.1803 克維生素 C，置入 50 毫升容量瓶中，加去離子水至標線。
ii. 可得 20.5 mM 維生素 C 水溶液。
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2. 5. 6 電化學分析
三電極系統
本實驗中電化學分析皆使用三電極系統，工作電極(Working electrode)使用自 製工作電極，對電極(Counter electrode)使用白金(鉑、Pt)線，而參考電極(Reference electrode)使用 Ag/ AgCl (3 M NaCl)，電解液(Electrolyte)則是使用磷酸緩衝溶液來 固定操作環境之 pH 值。工作電極為了固定反應範圍，需使用絕緣膠帶將未修飾的 碳膠區域蓋住，避免其他副反應干擾訊號。
恆電位儀
由於本實驗使用的電化學儀器 Reference 3000 (Gamry instruments, US) 非常 靈敏，一旦有搬動或是溫度變化太大都會造成測量不準確，因此使用前須先使用 校正工具(Dummy cell)，搭配軟體內所附的校正軟體來校正儀器，校正完成之後務 必將地線確實接地。
在使用時，將顏色相近的接頭接在一起如圖 2-4，將藍綠色系的連接到三電極 系統中的工作電極，紅橘色系的接線連接到對電極，白色的接頭接到參考電極。
電化學分析進行的過程中，須確保參考電極底部和工作電極修飾表面須完全浸泡 於電解液中。
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圖 2-4 電化學儀器 Gamry 電線接線方法
循環伏安法
將磷酸緩衝溶液從冷藏庫中取出，靜置三十分鐘，待磷酸緩衝溶液升至室溫，
利用 0.45 微米針式過濾頭過濾磷酸緩衝溶液，過濾其中雜質，取 20 毫升磷酸緩 衝溶液放入 50 毫升規格燒杯中，設定攪拌子轉速為 450 rpm，攪拌子長 2 公分、
直徑約 0.55 公分。架好參考電極、對電極及工作電極，使其三電極皆能避開攪拌 子，且三電極互不接觸。系統架設好後，利用電化學軟體，進行循環伏安法(Cyclic voltammetry)，設定掃描的電壓範圍，訂為 400 mV 至-200 mV，掃描圈數訂為三圈。
計時安培法
攪拌子持續攪拌，開啟軟體計時安培法(Chronoamperometry)功能，設定電壓 訂在-0.1 V，避免在一開始因為過電位太高，而影響訊號真實性，因此先預掃約兩 百秒，待訊號穩定，且背景訊號維持在 1 uA 以下，才進行正式的計時安培法。計 時安培法同樣定電壓在-0.1 V，每一百秒加入定量、定濃度的葡萄糖溶液(或尿酸溶 液、過氧化氫溶液等待測物質溶液)。實驗設計為每一百秒加入 500 uL、22.59 mM 葡萄糖溶液。
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以聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate, PET)材料製成，選用此膠片作為 基材，是因為其可彎曲、高韌性的特性，此膠片可加熱至約 160 oC 且不形變，這