4. 1 噴塗參數對於沉積葡萄糖氧化酶於感測器表面之探討
應用噴墨技術沉積材料時，有許多噴塗參數會影響著噴墨的品質以及噴塗出 來的感測器訊號表現。以下就噴墨速度、噴墨基板溫度以及噴塗材料之層數逐一 討論。
4. 1. 1 噴墨速度對感測器表面樣態之影響
噴塗參數中，噴墨沉積上的物質是否平整，與噴墨的速度、基材表面的粗糙 度有很大的關係，墨水－基材間的接觸角度也會對噴墨成果造成很大的影響。若 將葡萄糖氧化酶直接噴塗在碳膠表面上，從光學顯微鏡下可看到一層白色的氧化 酶薄層，如圖 4-1(a)；然而將葡萄糖氧化酶噴塗在普魯士藍碳膠電極表面上，從圖 4-1(b)，可見表面白色圖樣分布不均，推測因為顆粒乾燥速度較慢，而噴墨速度又 過快(30 mm/s)，又因為普魯士藍層表面親水性較碳膠層好，液滴噴塗在普魯士藍 層，較易向外擴散，與周圍的液滴聚集，造成液滴在表面形成液膜，因此造成乾 燥過程中，表面產生流體流動，造成表面葡萄糖氧化酶沉積不均勻。因此調整噴 墨速度為 8 mm/s 後，減緩噴墨速度，使得每次噴塗的液滴乾燥後，才噴下一滴墨 水，避免液滴聚集產生不均勻現象，所得的結果可見圖 4-1(c)，可觀察到其表面較 為均勻。
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圖 4-1 修飾電極之光學顯微鏡圖： (a) 葡萄糖氧化酶以 30 mm/s 噴墨速率噴塗在碳膠電極上；(b) 葡萄糖氧化酶以 30 mm/s 噴墨速率噴塗在普魯士藍碳膠電極上；(c) 葡萄糖氧化酶以 8 mm/s 噴墨 速率噴塗在普魯士藍碳膠電極上
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4. 1. 2 噴墨基板溫度對感測器表面樣態與電化學表現之影響
除了配合液滴乾燥速度、基材親疏水性，改變噴墨速度之外，也可以藉由提 高基材表面的溫度，增加液滴的乾燥、揮發速度，因為液滴乾燥速度較快，液滴 降落到表面沉積後，溶劑揮發、溶質乾燥沉積在該點，使噴塗的圖樣更均勻，也 能更如實的呈現出噴墨指令設定的圖樣，如圖 4-2 中可見，在不同溫度下噴塗直線 狀的葡萄糖氧化酶於普魯士藍上，可清楚觀察到圖 4-2(a)中，在室溫下(約 22 oC) 噴塗直線，可以發現線寬不均勻，右側線寬較左側為寬，然而，在圖 4-2(b)到圖 4-2(d)中則可以看到若將噴墨儀器的實驗操作平台溫度上升，高於 40 oC，便可得 較平直的直線，且邊界筆直，改善室溫下噴塗而得曲折的邊界。但是溫度最適當 的操作溫度應該如何設定，則需要評估電化學測試的結果而定。
圖 4-2 在不同的基板溫度下，修飾葡萄糖氧化酶於電極表面之光學顯微鏡圖： (a) 室溫下；(b) 於
40 oC 下；(c) 於 50 oC 下；(d) 於 60 oC 下噴塗
1 mm 1 mm
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接著，進行電化學測試，對照其電化學測定後的結果，計時安培法經換算後 得到電流對濃度的結果如圖 4-3，與室溫為基準比較，發現當溫度提升越高，高於 50 oC 時，訊號量大幅下降，這是因為葡萄糖氧化酶溫度耐受度較低(章節 1. 5. 1 曾提及)，其熱轉變溫度為 54.8 oC 至 56.8 oC，一旦超過此溫度，葡萄糖氧化酶便 失去其活性，因此在本結果中，得到證實，在 50 oC 甚至高於此溫度時，酵素失去 其大部分活性，使訊號量變的很低。然而，若噴墨基板溫度設在 40 oC 時，訊號量 與室溫所得到的訊號量相差不大，因為經此實驗可推論，在噴墨基板溫度設定高 於 50 oC 時，雖然噴塗出的直線筆直，但葡萄糖氧化酶活性受溫度而大幅降低，在 40 oC 下，則為最佳噴墨設定參數，噴塗出來的直線不僅可呈現筆直，其訊號量也 與室溫所得訊號相近。
圖 4-3 在不同基板溫度下，修飾葡萄糖氧化酶之電極其電流對濃度曲線圖
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4. 1. 3 材料噴塗層數對感測器電化學表現之影響
普魯士藍層數對過氧化氫感測之表現
探討噴塗的厚度，是否會影響訊號量，影響感測器靈敏度，如圖 4-4 所示，圖 中為使用噴墨技術噴塗普魯士藍層，分別沉積不同層數的普魯士藍，可見當普魯 士藍層越厚，沉積上的普魯士藍量越多，其訊號量越大，且其線性範圍較大，此 時過氧化氫為過量反應物，普魯士藍為限量試劑，普魯士藍量的多寡決定過氧化 氫反應的量，決定電化學表現的電流大小。然而，為什麼沉積的普魯士藍量越多，
其線性範圍也會變寬，這是因為過氧化氫反應時，除了促成普魯士藍氧化還原反 應、產生電流，同時也會產生氫氧根離子，造成電極周圍局部氫氧根離子濃度較 高，導致普魯士藍中的鐵三價離子與氫氧根離子強作用力，形成氫氧化鐵，而漸 漸破壞普魯士藍晶格中鐵(Fe)與氰(CN)的鍵結，使訊號無法繼續隨著過氧化氫濃度 提高而上升[62]，因此普魯士藍量越多，整體晶格受反應破壞的程度較慢，可承受 較多的過氧化氫反應產生的氫氧根離子，其感測訊號的線性範圍較大。
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圖 4-4 沉積不同層數普魯士藍的修飾電極，其感測過氧化氫之電流對濃度曲線圖
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普魯士藍層數對於葡萄糖感測之表現
然而，進一步探討普魯士藍層的量是否會影響感測器偵測葡萄糖的訊號，由 圖 4-5 中可發現當葡萄糖氧化酶含量固定時，反應產生的過氧化氫濃度相同，而經 由擴散接觸到周圍電極表面的普魯士藍，電流訊號量相同。由於葡萄糖氧化酶本 身催化活性，使得葡萄糖氧化酶與葡萄糖反應產生的過氧化氫濃度低，此時普魯 士藍為一過量反應物，決定電化學表現的因素取決於過氧化氫的濃度，因此感測 葡萄糖訊號不受普魯士藍層數所影響。
圖 4-5 沉積不同層數的普魯士藍、相同層數與圖樣的葡萄糖氧化酶修飾電極，其感測葡萄糖之電 流對濃度曲線圖
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葡萄糖氧化酶層數對於葡萄糖感測之表現
接著探討葡萄糖氧化酶的量是否會影響感測器訊號，碳膠層與普魯士藍層使 用相同製作方法，而葡萄糖氧化酶層則是利用噴墨技術沉積不同層數的酵素量，
從圖 4-6 中可發現，當葡萄糖氧化酶的層數由兩層變為十層，感測器的訊號隨著葡 萄糖氧化酶沉積量增加，訊號也因此增加，但是後者訊號量並未增加為前者訊號 的五倍大，這可能是因為葡萄糖氧化酶層層堆積，十層葡萄糖氧化酶堆疊上去後，
並非所有葡萄糖氧化酶皆固定在電極上，可從圖 4-7 計時安培圖觀察，圖 4-7(a)中，
兩層葡萄糖氧化酶電極的電化學結果，清晰可見階梯圖樣的電流訊號，然而反觀 圖 4-7(b)中，十層葡萄糖氧化酶的電化學結果，則可見下降幅度較圖 4-7(a)大，然 而訊號卻持續下降，不見其訊號迅速達穩定，無階梯狀電流訊號產生，這表示雖 然在電極上噴塗了十層的葡萄糖氧化酶，但並非所有葡萄糖氧化酶皆固定在電極 上，其脫落的葡萄糖氧化酶與葡萄糖產生反應，生成的過氧化氫，並未立即性的 被電極感測到，而造成無階梯狀的電流訊號，且訊號量沒有呈現等比例上升。
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圖 4-6 沉積不同層數的葡萄糖氧化酶修飾電極，其感測葡萄糖之電流對葡萄糖濃度曲線圖
圖 4-7 沉積不同層數的葡萄糖氧化酶修飾電極，其感測葡萄糖之電流對時間曲線圖： (a) 沉積兩 層葡萄糖氧化酶；(b) 沉積十層葡萄糖氧化酶
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4. 2 塗佈形狀對於葡萄糖感測器靈敏度影響探討
將噴墨技術應用在葡萄糖氧化酶上，噴墨技術最大的優勢就是極易改變噴塗 形狀，利用章節 2. 4. 5 介紹的噴墨系統，利用軟體操作改變指令，便可任意且快 速的更改噴塗圖樣。因此利用噴墨噴塗圖樣的便利性，探究噴塗上的葡萄糖氧化 酶訊號面積大小、形狀，對感測器靈敏度的影響。製作感測器工作電極，各層皆 經過相同程序處理製作，僅酵素層上噴塗沉積不同半徑的葡萄糖氧化酶圓形圖樣，
藉由電化學方法測量而得電流對濃度的結果，由圖 4-8 中，可發現當噴塗上感測器 的葡萄糖氧化酶半徑越大，代表沉積在電極上的葡萄糖氧化酶量越多，可以產生 較大的訊號，得到較大的靈敏度；然而，若所有的數據除以該電極沉積上的葡萄 糖氧化酶面積後，可發現訊號量與沉積的葡萄糖氧化酶面積並非成正比，面積越 大，其單位面積所產生的電流越小，反之，面積漸漸變小，其單位面積所產生的 電流也漸漸變大，相當於葡萄糖氧化酶面積較小的感測器電流，單位面積所提供 的訊號量較大(如圖 4-9)。但是值得注意的是，若葡萄糖氧化酶量過小(如圖 4-9 中 0.3 mm)，電極訊號過小，則無法提供等量的訊號輸出。
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圖 4-8 沉積不同半徑的葡萄糖氧化酶圓形圖樣於電極上，其電流對葡萄糖濃度曲線
圖 4-9 沉積不同半徑的葡萄糖氧化酶圓形圖樣於電極上，其電流通量對葡萄糖濃度曲線
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從上一段落中，得到了沉積在電極上的葡萄糖氧化酶量多寡、面積大小會影 響單位面積所提供的訊號量，因此接下來要探討固定葡萄糖氧化酶沉積量，噴塗 相同面積、不同形狀的葡萄糖氧化酶，檢測其電化學結果。噴塗一個半徑為 1 公 分的圓，與噴塗四個半徑為 0.5 公分的圓，比較其訊號強度，可從圖 4-10 中發現，
當噴墨提供的葡萄糖氧化酶面積、墨水量相同時，所產生的訊號大小相近。
圖 4-10 沉積相同量、不同圖樣的葡萄糖氧化酶於電極上，其電流對葡萄糖濃度曲線
然而，若利用相同墨水量，噴塗不同線條、不同面積的葡萄糖氧化酶圖樣，
可從圖 4-11 與圖 4-13 結果中可發現，當葡萄糖氧化酶與普魯士藍的接觸面積越大，
訊號會越強。如圖 4-11，圖樣「十」、「＝」與「一」皆利用 600 點葡萄糖氧化酶 噴塗而成，噴塗「十」與「＝」圖樣的電極所得訊號靈敏度相近，幾乎重疊，然 而相同點數但噴塗成「一」圖樣的電極訊號，相較起來較小；推測圖樣「一」的 葡萄糖氧化酶多層堆疊、其表面沉積密度較大，因此葡萄糖氧化酶與普魯士藍接 觸的點較圖樣「十」與圖樣「＝」少，因此訊號量較小，反之，圖樣「十」與圖
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樣「＝」可接觸普魯士藍的位置一樣多、表面沉積密度相近，且接觸位置皆比圖
樣「＝」可接觸普魯士藍的位置一樣多、表面沉積密度相近，且接觸位置皆比圖