緒論

第一章 緒論

1. 1 前言

世界衛生組織(World Health Organization, 簡稱 WHO)在 2012 年，年度數據報 告中顯示，從 1980 年到 2008 年，全世界患有過胖疾病的人數倍增(如下圖 1.1)，

在 1980 年僅有 5 %男性與 8 %女性患有肥胖疾病，然而在 2008 年肥胖人口的比例 已經升至 10 %男性與 14 %女性。在報告書中警告若為過重甚至肥胖的人，會增加 其罹患心血管疾病、中風、糖尿病以及某些常見癌症疾病。根據國際糖尿病聯盟 (International Diabetes Federation)的報告指出，全球高達 6 %的人患有糖尿病，而且 糖尿病患人數在世界各地快速的增加。我國前台灣糖尿病協會理事長林宏達醫師 也在台灣糖尿病協會中說明，糖尿病是二十一世紀罹患率上升最快的慢性疾病，

全球約有一億五千萬病患。估計到西元 2025 年，全世界糖尿病患者將再增加一倍 以上，超過三億人口。

圖片來源：http://www.who.int/en/

圖 1-1 在 1980 年與 2008 年，世界衛生組織的會員國中，超過二十歲之成年人過胖百分比(過胖定 義：身體質量指數(BMI) ≥ 30 kg/m²)

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現今社會，民眾生活習慣轉向吃較多高熱量且精緻的食物，運動量減少，肥 胖人口越來越多的趨勢下，糖尿病患者也會越來越多。對於眾多糖尿病患者、以 及過胖的糖尿病高危險群，開發各種裝置幫助監控生理狀態、自我健康管理，使 這些糖尿病患者與高危險群能經常性、立即性地檢測追蹤自己的血糖，達到改善 身體健康狀況、改善生活品質。可居家式、攜帶式用的血糖儀因而誕生。然而血 糖儀中最重要的部分，便是用來感測血糖濃度的血糖儀試片，試片屬於拋棄型耗 材，是血糖測量中，耗資較高的部分。

由於世界各地的糖尿病患者越來越多，在經濟發展較落後的國家，因而無法 負荷血糖儀與試片耗材的開銷，因此如何改善試片的製作成本，使其可流通到世 界各地，改善大家的生活品質，並且改善其感測的表現，使其測量精準度得以提 升，便是一個值得研究的議題。

本篇論文將會以葡萄糖感測器為主，以此為例探討噴墨製程的應用性，並利 用噴墨製程的特性，藉由改變噴墨參數，達到生物感測器靈敏度的提升。接下來 將會論及生物感測器的定義以及各式塗佈方式，介紹本研究主要材料：葡萄糖、

葡萄糖氧化酶、過氧化氫以及普魯士藍，並說明本研究使用的電化學方法原理。

接著詳述本研究實驗步驟後，進行研究結果的討論與分析，總結後，期許這篇論 文能對未來研究相關領域的人有所助益。

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Frazer 所提出[1]，S.P.J. Higson 認為生物感測器是一種化學感應裝置，此裝置中有 換能器(Transducer)，以及可辨識生物性物質的材料(Biologically derived recognition entity)，藉由此一裝置對於複雜的生物反應參數進行定量研究；另一定義由 D.M.

Frazer 所提出，生物感測器是一個分析的儀器，將化學單元(用來辨識物質)與物理 單元(將辨識出的訊息轉換為訊號)謹慎且緊密的結合。然而在 1999 年國際純粹與 應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, 縮寫為 IUPAC)，

定義生物感測器(Biosensors)為[2, 3]：

A biosensor is a self-contained integrated device which is capable of providing specific quantitative or semi-quantitative analytical information using a biological recognition element (biochemical receptor) which is in direct spatial contact with a transducer element.

此一定義也說明了生物感測器包含了辨識元件與訊號轉換元件。

下一頁的圖 1-2 為文獻對 BIOSENSOR 一字拆解之後，所定義的生物感測器各 部分組成：

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圖 1-2 生物感測器組成[3]

生物感測器常用於醫療系統中，或個人自行健康檢驗等。在生物感測器的研 究中，我們會探討靈敏度(Sensitivity)、偵測待測物質濃度的線性範圍(Linear range)、

最小偵測極限(Limit of detection)、再現性(Repeatability)、選擇性(Selectivity)等特性。

到目前為止也有許多研究針對不同的感測器特性進行研究，藉由材料的選取、製 程的設計，期望能提升訊號各項特性，使得其感測器的偵測更為精準，也更能廣 泛應用。以下為生物感測器其感測原理示意圖：

圖 1-3 生物感測器感測原理示意圖

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選定特殊生物材料(Biomaterial)，應用其特異性與選擇性，使待測物與生物材料反 應後，生成另一種新物質，作為接下來電訊號傳導使用，在生物材料層(Biomaterial layer)上，發生的是一般可自發性反應的化學／生物化學反應。接著所產生的新物 質將會經由外加電壓的驅動，與中介層／換能層(Mediator/Transducer layer)產生電 化學反應，藉此將化學能轉換為電能。最後，電能傳遞到導電層(Conductive layer)，

流入電路，經訊號感測器偵測電流訊號。憑藉著圖 1-2 與圖 1-3 所提出的架構，選 用適合的材料製作生物材料層與換能層，嘗試各種應用，因此生物感測器的應用 範圍十分廣泛，將文獻所提出的應用性列於圖 1-4：

圖 1-4 生物感測器應用性[1]

本研究使用的生物材料為葡萄糖氧化酶，作為生物材料層(在此稱之為酵素層)，

葡萄糖氧化酶會與偵測到的葡萄糖反應，生成新物質－過氧化氫。藉由普魯士藍，

作為中介層，因外加電場驅動產生電化學反應，感測過氧化氫。最後，電化學反 應轉換為電流訊號，經由碳膠層(即上述的導電層)傳遞，憑藉著這一系列的反應傳 遞訊號，預期利用噴墨製程進一步製成葡萄糖感測器，用於感測人體血糖濃度。

以下為本研究所採用的葡萄糖感測器反應機制[1, 4-7]。

6 該電極的修飾方式(Electrode modifier)。

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表 1-1 文獻回顧之電化學表現

Sensitivity (mA/cm²/M)

Diameter of sensors (mm)

Working pH value

Linear range (mM)

Base electrode

Electrode

modifier Reference

180

1.5 6.0 1－10³ Glassy carbon

disk electrodes

GCE/PB/Nafion-GOD

Arkady A. Kayakin, et al.

Anal. Chem.(1995)[8]

130

^－ 7.4 0－3.8×10³ Modified-carbon base electrodes

－

S.A Jaffari, J.C Pickup.

Biosensors and Bioelectronics(1996)[9]

111.6

3.0 6.98 0.05－0.3 Glassy carbon electrode

GCE/BCNTs/

GOD

Chunyan Deng, et al.

Biosensors and Bioelectronics(2008)[10]

80

N/A 6.5 0.01－1.00 ^Platinum

electrodes

Pt/PB/GA-GOD

Yu Liu, et al. Electrochimica Acta(2009)[11]

disk electrodes

GCE/PB/

GOx-Nafion

Arkady A. Kayakin, et al.

Anal. Chem.(2002)[14]

20.5

－ － 0.59-1.44 ITO-coated

Analytical Science(2011)[15]

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1. 3 塗佈技術介紹

如何製作章節 1. 2 所介紹的生物感測器電極呢？有文獻指出使用電聚合沉積 (Electropolymerization)[16-18]、電沉積(Electrodeposition)[17, 19-21]等製作方式，使 中介層材料沉積在金屬導電層上，此一方法可控制厚度、且可均勻沉積在金屬表 面上；然而配合材料特性不同，在不同層會使用不同的製作方式，如浸製塗佈 (Dip-coating)的方式[18]，將電極浸沒入欲沉積的材料中，藉由吸附的方法使物質 附著在電極表面上。

文獻上，有許多不同的製作方式，如上述電沉積、浸製塗佈等；也有利用材 料特性，使用自組裝(Self-assembled method)的方法修飾表面。在 2010 年，文獻研 究中提到更多目前研究使用的製作方式[22]，如噴墨印刷(Inkjet printing)、網版印 刷(Screen-printing)、微觸印刷(Microcontact)、凹版印刷(Gravure printing), and 膠版 輪轉式印刷(Flexographic printings)以及微影製程(Lithography)等。

本研究主要以印刷技術為主，因此接下來我們著重印刷技術，逐一介紹。印 刷技術可區分為兩種，直接印刷方法(Direct writing)、間接印刷方法(Indirect writing)，

其中的噴墨技術、網印技術、點膠塗佈技術、針筆繪製技術(Pen-writing)、旋轉塗 佈技術(Spin coating)等，屬於直接印刷方法；然而，熱轉印等則屬於間接印刷方法。

在本論文中，所使用的塗佈技術皆為直接印刷方法。以下做各項介紹。

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1. 3. 1 噴墨技術

噴墨技術是一種可廣泛應用的直接印刷技術，目前二維噴塗方式已發展完整，

然而三維噴塗方式目前也正蓬勃發展[23]。本技術最主要的特色是能將定量的墨水 經由噴嘴噴出，並且使液滴落在我們想要的位置上，因此噴墨技術屬於較節省材 料的沉積技術，適用於液相材料、或者可溶於溶劑、可分散於分散媒的物質。噴 墨技術利用各種驅動力與機制，使墨水從噴嘴中噴出，如下一頁圖 1-5 所示[22]。

圖 1-5(a)中，為加熱式噴墨技術，利用噴頭中裝設的電阻元件，在電阻加熱過程中，

達到特定溫度(Threshold temperature)，形成蒸氣氣泡，當氣泡變大的過程中，噴嘴 內壓力增大，使噴嘴內墨水噴射出，同一時間泡泡瓦解，墨水便補充入噴嘴；圖 1-5(b)則為壓電式噴墨技術，為本研究所使用的噴墨方法，會在下一段詳細介紹其 機制，加熱式與壓電式噴墨技術為兩種常見的噴墨技術機制，然而圖中也介紹了 多種噴墨技術，如圖 1-5(c)，利用電場誘導，使墨水噴出，藉由外加兩帶電板，控 制噴墨方向；可見圖 1-5(d)，藉由高頻率的變頻器連接聲學透鏡，變頻器發射聲波，

經由透鏡可將聲波能量聚焦，在透鏡正上方產生一壓力波克服液體表面張力，該 液體因而脫離形成液滴。

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圖 1-5 各式噴墨技術噴射機制原理[22]： (a) 加熱式噴墨技術；(b) 壓電式噴墨技術；(c) 靜電式 噴墨技術；(d) 聲波式噴墨技術

本研究所使用的噴墨技術機制如同圖 1-5(b)，為壓電式噴墨技術，藉由外加電 壓使充滿墨水的腔體快速地收縮，此一收縮便能隨著適當的外加電壓波形，形成 穩定液滴，此液滴降落到基材之前，受重力與空氣阻力的影響，接著撞擊至基材 表面、散開至基材表面上[24]，此時與墨水的表面張力、接觸角、黏度有關，經由 噴墨技術準確的噴塗圖樣在特定位置後，最後乾燥成形的圖樣，與墨水的乾燥行 為非常有關，在本研究中期望噴墨出的圖樣，能與乾燥後的圖樣一致，因此希望 能降低墨水乾燥過程中圖樣的移動。本研究使用 MicroFab JetLab4 系統，放入自行 配置的墨水，藉由系統中的電腦軟體控制噴塗圖樣。儀器如下一頁圖 1-6 所示：

(a)

(b)

(c) (d)

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圖片來源：http://www.microfab.com/

圖 1-6 商業化桌上型噴墨印刷機台：MicroFab Jetlab 4

前一段落有提到，墨水的特性與噴墨所成形的圖樣有非常重要的關係，有文 獻研究指出了墨水特性與基材乾燥後的點形狀大小之間關係，如下方公式所示：

𝑏

_𝑜

𝐷 = ( _{(1−cos 𝜃)} ^{4𝑠𝑖𝑛}

₂

_{(2+cos 𝜃)}

³

^𝜃 )

1

3 (6)

這裡的𝑏_𝑜表示液滴在基材上形成的橫截面直徑，𝐷表示從噴嘴形成的液滴直徑，𝜃表 示液滴與基材的接觸角[25]。屆時在進行噴塗時，將會以此文獻所提出的公式，預 設噴塗的形狀、線寬等性質。

本研究在噴塗酵素層時，使用噴墨技術，稍後在第三、四章會討論噴塗的形 狀。其噴塗液滴與噴塗出直線線寬的限制，以 Eq. (6)預估，葡萄糖氧化酶墨水對 普魯士藍層的接觸角度小於 10^o，噴塗出的液滴在飛行時候的液滴直徑約 50 µm，

將參數帶入 Eq. (6)，可得到一預測的𝑏_𝑜值，基材上形成的截面直徑約為 150 µm，

因此本研究液滴可形成的圖樣最小直徑寬度約為 150 µm。

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1. 3. 2 網印技術

網印技術是一項已經發展許久的印刷科技，這項技術可追溯至約西元一千年 的中國，傳入了英國、美國，經過了多年的發展，成了我們現在耳熟能詳的網印 技術。自西元 1990 年代起，網印技術便開始應用在微電路工業，此技術所擁有的

網印技術是一項已經發展許久的印刷科技，這項技術可追溯至約西元一千年 的中國，傳入了英國、美國，經過了多年的發展，成了我們現在耳熟能詳的網印 技術。自西元 1990 年代起，網印技術便開始應用在微電路工業，此技術所擁有的

在文檔中 藉由調整噴墨參數提升葡萄糖感測器靈敏度 (頁 16-68)