結果與討論 - 探討表面修飾網版印刷碳膠電極在電化學特性影響

SPCE 雖然已廣泛應用於生物感測器上，但其卻有低靈敏度、反應時間較慢，需要較高工作電壓氧化還原反應等缺點。有文獻 [60] 指出利用 2 mg/mL MWNT 於 0.5% Nafion 中，可有效改善玻璃碳電極對於 H2O2之反應性與降低工作電位進行氧化反應。而為了驗證其是否也可應用於修飾 SPCE 上，所以選擇將同樣 2 mg/mL 濃度之 SWNT 溶於 0.5%與 5%中比較其反應性。在此選擇 SWNT 原因在於，SWNT 比 MWNT 較具有一致電化學特性。在【圖一】可得知在當 2 mg/mL 溶於 0.5% Nafion 時，相對於未修飾SPCE 反應性為其 6.2 倍，而溶於 5% Nafion 時，反應性為其 3.8 倍，表示對於1 mM H2O2而言，文獻中最佳化條件也可應用於 SPCE 上。

而當無 SWNT 只有 0.5%與 5% Nafion 時，電極對 H2O2反應性無顯著改善。

由於 CNT 其應用最大障礙在於其難溶於水，文獻中可利用 Nafion 溶解高濃度CNT，因 Nafion 高分子結構含疏水基與帶負電親水基，陰離子界面活性劑結構，所以希望同樣應用Triton X-100 與 Tween 20 等非離子性界面活性劑，利用疏水基將CNT 吸附，利用親水基溶於水溶液中，並將此混合物塗布於SPCE 上進行 CNT 修飾。本實驗所用 2 mg/mL SWNT 溶於0.5% ~ 10% Triton X-100 與 1 ~ 5% Tween 20 的濃度範圍，發現其相

當難溶於水，需利用超音波震盪器經強烈攪拌後，才可以在eppendorf 形成暫時性勻態，但經靜置一段時間後，其將開始產生沉澱。而將利用強烈攪拌均勻之SWNT/Triton X-100，利用微量吸管，均勻塗布於 SPCE 上，

發現隨著Triton X-100 濃度增加，其對於 1 mM H2O2反應性呈一逐步增加現象，尤其是在溶於10% Triton X-100 時，其反應性相對於未修飾電極為 10.1 倍，但有趣的是若無 SWNT 溶於其中，單純的以不同濃度之 Triton X-100 修飾 SPCE，發現當在低濃度時，小於 2%時，其反應性與含 SWNT 之溶液相比為差，但在大於 5%高濃度時，卻具有相當良好的電化學反應，

而同樣的情況同樣發生於Tween 20 中，甚至在 5% Tween 20 比未修飾電極反應大11.1 倍。而文獻中利用 SWNT/Nafion 修飾 SPCE 最佳條件卻只有6.2 倍。在此似乎發現 Triton X-100 與 Tween 20 對 H2O2具催化作用，

故開始研究其對於SPCE 之電化學特性上的改變。

3-2 利用 Triton X-100 與 Tween 20 對 SPCE 進行表面修飾

Triton X-100 與 Tween 20 濃度對 SPCE 修飾影響性

利用 99.5%酒精溶解不同濃度 (0.5, 1, 2, 5, 7.5, 10%) 的 Triton X-100 與 Tween 20，將此兩類分別對 SPCE 進行修飾，可發現隨著濃度增加，

其對於1 mM H2O2之反應性將會提升【圖二】。在 10%的濃度時，Triton X-100 與 Tween 20 相對於較低濃度之標準誤差值增大許多，尤其是 10%

Tween 20 其標準誤差異常之大。推測為因其 CMC 較低，而非離子型界面活性劑不帶電，其分子易形成微胞，造成在高濃度時無法均勻的覆蓋在 SPCE 表面上，因其疏水基都包覆在微胞內側，只能露出親水基於外側，

則造成其對 SPCE 表面吸附力不佳所致，因而造成其穩定反應性不佳。

7.5% Tween 20 具有良好穩定增強 SPCE 電性效果，而 7.5% Triton X-100 也同樣具有此現象。並且為方便比較這兩者界面活性劑，對於SPCE 修飾效果程度，所以之後實驗都採用7.5%濃度進行修飾 SPCE。

不同工作電位對 Triton X-100 與 Tween 20 修飾 SPCE 之反應電流 選擇利用 7.5% Triton X-100 與 7.5% Tween 20 修飾之 SPCE，在不同工作電位-0.3~0.7 V 底下，添加 1 mM H₂O₂反應電流值，於pH 7.4, PBS 溶液中。在【圖三】中，可明顯看出經修飾後之SPCE，其對於 1 mM H₂O₂ 反應在不同工作電壓下，均比未修飾之SPCE 反應為佳。表示 Triton X-100 與 Tween 20 似乎具有對 H₂O₂催化作用，且可發現經此兩者修飾後電極，

其對H₂O₂電流─電位圖形有類似曲線，但 Tween 20 較 Triton X-100 對修飾 SPCE 效果較佳。而由文獻中可知，CNT 可有效改善玻璃碳電極對於 H₂O₂之反應性與降低工作電位進行反應，所以將 2 mg/mL SWNT 於 0.5%

Nafion 修飾 SPCE，在不同工作電位下-0.1 ~ 0.7 V 偵測其對 1 mM H₂O₂ 反應電流值【圖四】。可看出其電流─電位圖形與【圖三】相當類似。可

再次印證以Triton X-100 與 Tween 20 修飾 SPCE，將可改善其電化學特性，使修飾後之SPCE 對於 H2O2之反應性明顯提升。

為了了解以Triton X-100 與 Tween 20 修飾之 SPCE，除了對於 H2O2

之反應性增加外，對於血液檢測時，常見的干擾物質抗壞血酸，是否也會提升其電化學反應，於是利用添加500 μM 抗壞血酸，在 0.3~0.7 V 不同工作電位下，測其反應電流值，並與未修飾SPCE 做比較【圖五】。可發覺以7.5% Triton X-100 與 Tween 20 修飾之 SPCE，對於抗壞血酸反應性較未修飾 SPCE 反應性為差。推測原因在於其表面覆蓋 Triton X-100 與 Tween 20 薄膜，將使抗壞血酸通透性降低，使其具有些微阻擋作用。

至於為何會增進 H2O2之反應性，可推測因 Triton X-100 與 Tween 20 結構上帶有-OH 官能基，使其可以對 H2O2催化作用。因利用陽極處理法修飾碳膠電極改善其電化學特性，部分原因在於增加其電極含氧官能基 [52]。而利用氧電漿增加碳黑電極含氧官能基，可催化 H2O2 分解效率 [73]。至於 H2O2分解機制為：

H₂O₂(aq) → 2OH^- (aq) (slow) (4) H2O2 (aq) + OH^- (aq)→ H2O (g) + HO2- (g) (fast) (5) HO₂^- (aq) + OH^- (aq)→H₂O (g) + O₂ (g) (fast) (6) 因H₂O₂分解第一步 (4) 為速率決定步驟，而以 Triton X-100 與 Tween 20 修飾SPCE 上，其帶有-OH 官能基，將可視為跳過速率決定步驟，直接進行 (5) 步驟，而有效增進 H₂O₂分解，進而使其電流反應值提升。

Triton X-100 與 Tween 20 修飾 SPCE 之連續性測試

利用 Triton X-100 與 Tween 20 兩種界面活性劑來修飾 SPCE，研究其對於1 mM H2O2之重複性測試反應，浸泡於 pH 7.4 PBS 溶液中。可發覺以7.5% Triton X-100 修飾 SPCE 其反應平均值為 607.48 nA，其相對標準差 (relative standard derivation；R.S.D) 為 4.42%。而以 7.5% Tween 20 修飾 SPCE 其反應平均值為 1744.70 nA，其相對標準差為 2.88%。【圖六】

可看到7.5% Tween 20 修飾電極在第 15 次反應後，開始有輕微降低反應值現象，不過後 5 次反應平均值與前 5 次反應平均值相差只有約 3.29%，

所以其影響不大。而7.5% Triton X-100 修飾電極只有前兩次跳動較明顯，

之後反應值一直維持在穩定狀態。這結果顯示，利用界面活性劑修飾 SPCE 之方式，具有良好的再現性，對於界面活性劑易溶解於偵測系統溶液中之疑慮，可知其可穩定連續測試20 次，而不會造成反應訊號值流失，

進而造成誤差之判讀。

3-3 利用循環伏安法對 SPCE 進行表面修飾

利用陽極處理法來修飾 SPCE，可移除其電極表面有機黏著劑，增加其電化學特性。將其應用於利用五種不同溶液 (0.1% HCl，飽和 KCl，0.05 M phosphate buffer，1 M NaHCO₃與飽和Na₂CO₃) 進行循環伏安法，希望能夠以0.0 ~ 2.0 V 或 1.0 ~ 2.0 V 兩種電壓範圍，對 SPCE 表面行氧化作

用，將其礦物油與高分子黏著劑給予氧化清潔作用。在【圖七】可發覺，

增加CV 掃描範圍，將可提升對於 1 mM H2O2反應值，其原因在於可將在此範圍內電極表面上之不同種類有機溶劑，給予部份氧化，將碳粉顆粒露出，提高其電極反應面積。而隨著循環圈數的提升，將會對電極電性有明顯提升，在於可將電極表面有機物質氧化清潔時間增長。除了利用1 M NaHCO3在1.0 ~ 2.0 V，5 圈 CVs 時，其電性與 10 圈，15 圈相比較大，

推測應該為SPCE 在製程上的誤差，造成訊號判讀上的錯誤。【圖八】為五種溶液在對SPCE 由 0.0 ~ 2.0 V，進行 15 圈 CVs 圖形，由【圖八 B】

可看出，為何在【圖七】中，利用飽和 KCl 清潔將不會改善其電性，原因在於當CV 逆掃描由 1.2 ~ 0.0 V 時，將產生一還原電流，造成溶液中部份物質還原於SPCE 表面上，影響電極電子傳遞效率。在【圖七】可發現經由1 M NaHCO3進行由0.0 ~ 2.0 V，15 圈 CVs 可對 1 mM H2O2具有最佳反應性，提升至 5.3 倍。而利用 1.0 ~ 2.0 V，0.05 M phosphate buffer，

進行 CVs，將可在較短前處理時間內，將 SPCE 對 H2O2反應進行提升。

對於此五種溶液，除了 KCl 之外，其餘四種溶液皆可有效改善 SPCE 電化學活性。

3-4 比較利用 SWNT，Triton X-100，Tween 20 與 CV 修飾 SPCE 效果

由 CNT 來增強 H₂O₂氧化反應已經被證實，但是由於 CNT 為一昂貴

材料，將其用在修飾 SPCE 上，成本將會增加許多。至於利用不同溶液對 SPCE 進行循環伏安法電化學前處理，雖可有效改善對 H2O2之反應，但因SPCE 必須單根逐一進行處理，且其前處理時間也必須達數分鐘之久，

所以對於大量修飾SPCE 時間效率上，將受到限制。而利用非離子界面活性劑Triton X-100 與 Tween 20 除了可有效增進 SPCE 對 H2O2電化學反應之外，因其價格低廉，可減少修飾成本，且可在短時間內對電極進行大量修飾，對於應用於生物感測器上將具有更大優勢。【圖九】為在工作電壓 0.7 V 底下，對於 SWNT, Triton X-100, Tween 20 修飾 SPCE 對 1 mM H2O2

反應性與未修飾電極比較，可發覺利用7.5% Tween 20 修飾 SPCE，其對 H2O2反應最佳，表示其修飾效果最好，至於雖然利用7.5% Triton X-100 修飾方式較 SWNT 修飾效果略微不佳，但由於其成本因素，且利用非離子界面活性劑來修飾 SPCE 增進其對 H2O2反應為新發現，並且希望其修飾效果一樣能應用於氧化酶感測器上，所以將選擇 Triton X-100 與 Tween 20 兩種修飾方式進行氧化酶生物感測上之研究。

3-5 表面結構分析 Triton X-100 與 Tween 20 修飾之 SPCE

利用反射式光學式顯微鏡分析

為了了解利用 Triton X-100 與 Tween 20 修飾 SPCE 方式，對於其表面結構有無改變，所以接下來將利用顯微鏡來分析其電極表面。利用 100X

的反射式光學式分析SPCE【圖十】。可發現經過 7.5% Triton X-100 與 7.5% Tween 20 修飾之 SPCE 較未處理之 SPCE 表面來的平滑。未修飾之 SPCE(A)有高低不平較粗糙的碳粉顆粒，這可能是在網版印刷時密度不均所造成，而經由7.5% Triton X-100 修飾之 SPCE【圖十 B】。可看出在表面上覆蓋一層透明薄膜，但在圖左側可發現有一氣泡結構，表示其在 SPCE 表面上有覆蓋不均之現象。而以 7.5% Tween 20 修飾之 SPCE【圖十 C】也可看出在表面上覆蓋一層較厚薄膜，相對於 7.5% Tween 20 修飾之 SPCE，其覆蓋薄膜較厚，但同樣在【圖十 C】左側也可發現【圖十 B】

類似氣泡結構，代表其覆蓋不均現象。

利用掃描式電子顯微鏡分析

為了更了解 SPCE 細微之表面結構，所以利用掃描式電子顯微鏡 (scanning electron micrograph；SEM)來分析其以界面活性劑修飾之 SPCE

【圖十一】。主要可分為兩種倍率來探討，1000X 與 7000X 兩種。由 1000X 之SEM 圖【圖十一 A】，可看出未修飾之 SPCE 成鱗狀結構，其表面可分為兩大區塊，在周圍為較平坦之碳膠堆疊區，在中間凹陷部位為粗糙裸露之堆疊結構，可看出SPCE 上有印刷不均現象。將中間凹陷粗糙堆疊區，

利用更高倍率7000X 放大觀察【圖十一 D】，可發覺在平板狀碳粉上周邊有些微顆粒，此為有機黏著劑，這些會造成SPCE 在電化學反應時電子傳

遞效率降低，進而影響偵測反應值。在1000X SEM 觀察，7.5% Triton X-100 修飾之SPCE【圖十一 B】可看出與光學顯微鏡相同結果，形成薄膜平坦

在文檔中探討表面修飾網版印刷碳膠電極在電化學特性影響 (頁 45-58)