研究背景與文獻回顧

硫醇化合物是一種帶有硫醇官能基(-SH)的有機硫化物。其中一些含有硫醇官能基的胺基酸在生物體內扮演著相當重要的角色，參與了許多生化及藥理反應，其中以 cysteine (Cys)，homocysteine (Hcy)和 glutathione (GSH)這三種硫醇分子(圖 1)特別重要，它們有著類似的結構，舉例來說，Cys 和 Hcy 在人體內的濃度與某些重大疾病有相當的關係，像是阿茲海默症(Alzheimer's disease)^{2, 3}與帕金森氏症

( Parkinson's diseases)²，AIDS^4-7，以及腎臟⁸、肝臟 ⁹和心臟血管^{10, 11}

圖 1. Cysteine、Homocysteine 與 Glutathione 結構

硫醇化合物本身是石油提煉過程中的產物之外，也是噴射機燃料、

農藥殺蟲劑，除黴劑及塑膠製程中的中間產物^{19, 20}，其應用相當廣泛以甲硫醇為例包括有木材、製紙、化學用品、石油及煤工業、電機、

天然氣等方面之應用^21-23。

在日常生活中，乙硫醇也可作為具一些無味危險性氣體的氣味警示劑¹⁹，如液化石油氣、天然氣、丙烷及丁烷等(依照CNS 12951所規定之標準，液化石油氣除製造噴霧用劑、打火機用氣體以及其他工業用外，皆應添加相當於乙硫醇20 ppmw以上之臭劑)²⁴。

此外，人體口腔或胃中的細菌也會產生甲硫醇，與硫化氫同為口

臭的主要成分之一²⁵，受到牙周疾病及口腔衛生的影響，口腔中甲硫

醇的濃度介於5 - 466 ppb之間²⁶。

許多硫醇具有較強烈且令人反感的氣味，特別是對於那些低分子量、低碳鏈的硫醇分子，如甲硫醇、乙硫醇等(圖 2)。這些低碳鏈的硫醇分子主要由吸呼方式進入人體，經皮膚或經眼睛暴露吸收的量較低，濃度最低的效應為強烈令人不快的氣味。

H ₃ C SH SH

Ethanethiol Methanethiol

圖 2.甲硫醇與乙硫醇結構

其中乙硫醇的嗅覺闕值(Odor threshold)僅有 0.27 ppb²⁷，這些硫醇

分子的毒理機轉與硫化氫相似 ²⁸，會造成呼吸系統及神經系統的抑制，

視暴露濃度及暴露時間不同可能會引起眼睛及呼吸道黏膜刺激、頭痛、

頭暈、步伐不穩、噁心及嘔吐等症狀，暴露濃度約 4 ppm 之下數小

時後就會造成頭暈、頭痛、噁心、嘔吐，而暴露高濃度時²⁹，則會造

成肝臟及腎臟受損、昏迷，甚至呼吸麻痺而死亡。在長期暴露於甲硫醇及其他含硫化合物時，雖然濃度不高但依舊可能造成眼睛及呼吸道的不適與相關症狀（每年推估平均暴露濃度低於 0.5 ppm，每天推估平均暴露濃度介於 1 至 2.5 ppm 之間）³⁰。表 1 為動物實驗呼吸暴露甲硫醇造成各種效應的濃度³¹。

綜合前述理由，為了保護作業勞工避免暴露於過量甲硫醇造成可能的中樞神經系統、心血管系統及肝腎毒性，及減少暴露於甲硫醇強烈不悅氣味的考量下，對於甲硫醇容許建議標準值，根據行政院勞工委員會所制訂勞工作業環境空氣中有害物容許濃度為 10 ppm (25.4 mg/m³)，而美國職業安全衛生署(Occupational Safety and Health Administration, OSHA) 及其他世界多數國家制定甲硫醇的日時量平均容許暴露濃度 0.5 ppm (1.27mg/m³) 作為法規管制標準，此濃度也符合目前採樣分析方法的限制。表 2 為各國之容許暴露濃度標準 ³¹。

表 1 . 動物實驗呼吸暴露甲硫醇造成各種效應的濃度

EC₅₀：半有效濃度（effective concentration, 50% morbidity）LC₅₀：半致死濃度（lethal concentration, 50%

mortality）LOAEL：最低可觀察有害作用劑量(lowest observed adverse effect level)NOAEL：無可觀察有害作用劑量(non observed adverse effect level)；中等暴露期間為15天至364天

參考1992年美國毒物標準局疾病登記處(ATSDR, Agency of Toxic Substances and Disease Registry)資料庫

動物種類 暴露

Norberg, 1943

系統性症狀

表 2. 各國之容許暴露濃度標準 (General Industry)

ppm - - - 10

OSHA PEL (Federal Contractors)

ppm 0.5 - - -

挪威

ACGIH：American Conference of Governmental Industrial Hygienists；IDLH：

Immediately Dangerous to Life and Health；MSHA：Mine Safety and Health

Administration；OEL：Occupational Exposure Limit；OSHA：Occupational Safety and Health Administration；PEL：Permissible Exposure Limit；STEL：short term exposure limit；TLV：Threshold Limit Value；TWA：time-weighted average。

參考2004 年RTECS 資料庫。

2-2 硫醇化合物的檢測方法

目前，對於硫醇化合物偵測的方法，包括氣相層析(Gas

chromatography, GC)³²，高效能液相層析法 (High performance liquid chromatography, HPLC)^33-35，毛細管電泳(Capillary electrophoresis, CE)^36-38，UV-vis detection^{39, 40}，螢光偵測法(Fluorescence detection)^41-43，質譜分析( Mass spectrometry)^{44, 45}，分光光度法(Colorimetric

assays)^46-48，電化學偵測法(Electrochemical detection)⁴⁹與其他⁵⁰等等方法。

然而，大部分的分析方法都存在著一定的限制性，在UV-vis或者螢光偵測上，因為一般硫醇化合物不具有發色團(chromophore)或是螢光團(fluorophore)，所以必須先利用具有發色團或螢光團的衍生劑，

將其衍生化(Derivatization)後才能進行偵測，使得偵測相當的耗時並需要煩雜的實驗步驟。在利用質譜做偵測方面，雖然質譜儀是目前分析技術中能夠提供最多分析物化學訊息的儀器，且結合各種層析法、

CE、ICP等等儀器，使得選擇性以及靈敏度更是大大的提升，但是儀器本身價格昂貴，與上述方法相比，電化學分析法具有簡單、便宜、

高靈敏度，及易於攜帶等優點。

在硫醇的電化學偵測中，在電極上直接偵測硫醇的氧化電流是最簡單的偵測方法，但是在偵測硫醇化合物時，通常會因為硫醇化合物

本身的氧化電位在許多生物檢測上與其他生物分子類似，或是需要較高的氧化電位才能偵測，這對於偵測上的選擇性以及靈敏度的觀點來看，在分析上會有相當大程度上的干擾。雖然利用汞電極(mercury amalgam electrodes)來偵測硫醇^51-53，其偵測電位只有+0.1 V，可以大幅改善這問題，增加偵測上的靈敏度，但是由於汞本身的毒性和環保要求，限制了汞電極的使用，所以對於硫醇化合物在電化學的研究上，

都朝著於電極表面進行修飾，藉由電極表面狀況的改變，來催化硫醇化合物。

1994年，John P. Hart 利用cobalt phthalocyanine (CoPC) 修飾在網版印刷碳電極(screen-printed carbon electrode, SPCE)上，藉由Co²⁺催化 Thiocholine，產生電化學訊號⁵⁴。如圖3所示：

圖 3. Co²⁺在電極表面催化 Thiocholine 的電子交換機制

而Jose´ H. Zagal的研究團隊，利用同樣的想法在1997年嘗試使用修飾有cobalt phthalocyanine(CoPc) + poly(2-chloroaniline) 複合膜來修飾電極對2-mercaptoethanol進行偵測⁵⁵。

在2000年，Takayo Inoue在電極上以具導電性的聚合物 polypyrrole(PPy)，利用電聚合(electropolymerization)的方法修飾 Coenzyme Pyrroloquinoline Quinone(PQQ)在電極表面上，PQQ能有效的催化硫醇化合物，因為藉由氧化態的PQQ促使硫醇化合物氧化反應的發生，所以只需施加較低電位(+0.5 V)，即可偵測硫醇化合物⁵⁶。如圖4所示：

圖 4. 利用 PQQ 催化硫醇氧化於電極表面偵測示意圖

而Richard G. Compton的研究團隊則使用了另一種新的方式偵測硫醇化合物，他們使用N,N-dimethylphenylene-1,4-diamine(DMPD) 作為電化學媒介(meditator)，利用電化學的方法將DMPD氧化後與硫醇化合物反應，其反應機制如圖5，可惜的是，DMPD在高pH的環境下非常的不穩定⁵⁷。因此在2001年Richard G. Compton的研究團隊改使用

catechol取代DMPD作為電化學媒介，藉由catechol的氧化態o-quinone 與cysteine進行1,4-addition形成新的產物⁵⁸。

圖 5. DMPD 經電化學氧化成 DMPD⁺後與 H₂S 的反應機制

到了2005年，Kuanping Gong等人，以單層奈米碳管修飾在玻璃碳電極上，再添加triptycene orthoquinone (TOQ)以吸附的方式，吸附在 SWNT表面，並且在SWNT上修飾羧基(carboxylic group, -COOH)來幫助催化硫醇分子⁵⁹，圖6為TOQ修飾在SWNT上的示意圖。

圖 6. TOQ 修飾在 SWNT 上的示意圖

2008年，Shusheng Zhang等人，將piazselenole(一種含有Se-N鍵的電化學活性物質)修飾在金電極表面上，利用GSH上-SH官能基的親核性(Nucleophilicity)性質與piazselenole反應產生非電化學活性的產物，

使得偵測電流下降，進而用來對GSH做定量偵測⁶⁰，piazselenole與GSH 的反應機制如圖7：

NH₂ NH₂ N

Se + 6 GSH + 3 GSSG + H₂Se 圖 7. Piazselenole與GSH的反應機制

而在環境中有關硫醇的採樣分析方法，包括生物指標分析和環境採樣分析，生物採樣分析可測量細菌、血液、腦組織、膠原蛋白、血漿或呼出氣體等檢體中的甲硫醇濃度；環境採樣分析則可以測量空氣、

水或土壤等檢體中的甲硫醇濃度。國內目前的環境採樣分析方法為勞委會公佈之CLA 5017 乙硫醇採樣分析法⁶¹為主，此法乃依據美國 OSHA 26⁶²進行修訂，方法列表如表3^61-65。

表 3. 環境採樣分析方法

方法別 美國 OSHA

26

美國

NIOSH 2542

中華民國

載流氣體 capillary, 30

cm × 0.25-mm ID,

1 μm DB-1

fused silica WCOT

0.05-1.00 ppm

可量化最低火焰光度偵測器(FPD, flame photometric detector)；

氣相層析儀(GC, gas chromatography)；

紫外光可見光光譜儀 (UV/Vis Spectrophotometer)

2-3 Catechol在電化學上的應用

近十年來 Catechol 類的物質被廣泛用來做為電化學分析過程中的電子傳遞媒介，是因為除了 Catechol 衍生物本身具有良好的氧化還原性質且價格低廉之外，這類的化合物修飾在電極上的方法相當多元，

其中包含利用吸附(adsorption)的方式⁶⁶，或者是與碳糊電極(carbon paste electrode)混合 ⁶⁷，最簡單又方便的方法便是直接將 catechol 與分析溶液混合 ⁵⁸。

1976 年 Daniel C. S. Tse 等人發現 catechol 類衍生物的電化學特性，

可以藉由電化學的作用氧化形成 quinone 的形式 ⁶⁸，反應如圖 8：

+2H ⁺ , +2e

-catechol o-quinone HO

HO

O O

R R

where R = CH

₂

CH

₂

NH

₂

Dopamine

=CH(OH)CH

₂

NH

₂

Norepinephrine

=CH

₃

4-methylcatechol

圖 8. Catechol 類衍生物的氧化還原機制

而在 1978 年 Daniel C. S. Tse 與 T. Kuwana 更將 dopamine、

3,4-dihydroxybenzylamine 及 4-methycatechol 等 catechol 類物質分別置於溶液中，做為測量 Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH)的電化學媒介⁶⁹，其中催化 NADH 的反應最佳的為 3,4-dihydroxybenzylamine，

而 4-methycatechol 的催化效果較差。

此外，在 1985 年，Carlson 與 Miller 探討 o-benzoquinone and p-benzoquinone 與 NADH 的反應機制⁷⁰，證明鄰位(ortho-)的電子傳遞速率是對位(para-)的一百倍，並且更進一步針對單電子轉移與雙電子轉移的速率做比較，證明兩個電子轉移(electron transfer)的電化學媒介其電子傳遞速率是一個電子的十萬倍。也因為如此，引發了往後許多研究團隊開始利用 catechol 的衍生物在電化學上的偵測，亦或是將 catechol 經過電化學氧化成 o-benzoquinone 後與親核性化合物反應情

形的研究^71-84。

其中 D. Nematollahi 等人從 1997 年開始，發表了一系列以電化學氧化 catechol 或是 catechol 的衍生物為基礎，與各種不同分析物在電化學性質上的研究與探討^74-84，希望能以電化學合成的方法，合成出新的衍生物。主要是利用 o-benzoquinone 結構本身具有一較缺電子的性質，所以溶液中如果存在親核性化合物時，則會在 catechol 氧化成 o- benzoquinone 時，進行親核性反應，反應如下圖 9

OH OH

R OH

OH O R

O R

Nu -2e^- -2H⁺

+2e^- +2H⁺

Nucleophile

圖 9. Catechol 氧化成 o- benzoquinone 與 Nucleophile 反應機制且此一氧化還原對又會因catechol苯環上的取代基不同而有所不同，若catechol本身苯環上的取代基就具有親核性時，如dopamine，

則dopamine會在氧化成dopaminoquinone時，自行進行分子內的環化反應產生leucochrome，其反應如圖10⁷¹，因為leucodopaminochrome 比dopamine更容易氧化，所以leucodopaminochrome/dopaminechrome 的氧化還原電位相對於dopamine會出現在較負的電位。

在文檔中以差式脈衝伏安法偵測乙硫醇 (頁 14-30)

H 3 C SH SH