本研究使用白金電極材料將聚砒咯分子模板電聚合於其上，探討各種參數 對 L-谷胺酸與 D-谷胺酸的辨識選擇能力之影響，其探討內容包括 : 目標物 萃取時間、目標物萃取電壓、待測物的 PH 值影響、待測物濃度、干擾性測試、
以及混合干擾測試、等分述於各小節。本章將從測試方法介紹如下 :
4-1 分子模板電極的測試方法
將先將製備好的 L-谷胺酸分子模板薄膜電極分別針對 10mM 濃度 L-谷胺 酸與 D-谷胺酸目標物進行選擇性測試，結果如圖 4-1 所示。電極感應測試是 觀察電流變化利用(multi-potential step)多電壓手段，將電壓在 0V(vs.Ag/AgCl) 和 5V(vs.Ag/AgCl)分別持續 1 和 2 秒進行 20 循環，因為分子模板在電化學系 統中進行選擇性吸附目標物而釋放出電子，而有峰電流產生變化。本研究則 是利用峰電流值的高度比做為選擇性依據。L-谷胺酸分子模板針對目標物 (a)L-谷胺酸有較強的吸附或滲透現象使得峰電流值比非目標物(b)D-谷胺酸來 的高且持續 20 個 Peak 發現峰電流相當穩定。經過平均計算高度相差 11.41 倍左右。由此得知本研究之方法是具有良好的選擇性辨識 L/D-谷胺酸分子以 及穩定性。
0 20 40 60 0.000
0.001 0.002 0.003
Current(A)
Time (s) (a)
(b)
圖 4-1. L-谷胺酸分子模板電極之電流變化在 10mM (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液。感應測試為 Multi-Potential Steps 在 0V 和 5V(vs. Ag/AgCl) 分別持續 1sec 和 2sec 進行 20 循環。緩衝溶液為 0.2M PBS，pH=7。
4-2 干擾性測試
為了探討本實驗之分子模板之辨識效果，本研究探討更多結構相似官能 基相同的干擾物質如 : L-色胺酸、L-離胺酸、L-酪胺酸、L-苯丙胺酸進行電 化學辨識分析而辨識干擾物之濃度為 10mM pH=6，在這次的實驗中的分子 模板為以 L-谷胺酸作為目標物。利用多電位手段進行如前章節所示實驗結果 如表 4-1 所示。
由表 4-與圖 4-2 得知，本實驗之方法以及檢測具有一定的選擇性效果，
L-谷胺酸與 L-色胺酸、L-離胺酸、L-酪胺酸、L-苯丙胺酸、D-谷胺酸之辨識 選擇性分別為 27.17 倍、13.80 倍、20.32 倍、23.11 倍、11.41 倍，皆有良好之 辨識效果，原因是因為在 L-谷胺酸分子模板的孔道中，分子進入模板中進行 辨識時是以與在模板中官能基與形狀相同的進行結合辨識，若官能基與形狀 相同，則會放出電子使得電極表面產生電化學變化進而得到峰電流，如官能 基與形狀有所不同，則會受到阻礙屏障使得無法得到峰電流變化訊號，即可 由峰電流進行辨識。
表4-1. 干擾性分子與目標物L-谷胺酸之選擇性辨識
干擾性測試
干擾物＃ 峰電流(mA) 選擇性(L/干擾物)
L-谷胺酸 2.856
1
L-色胺酸 1.051＊10-1 27.17±1.3
L-離胺酸 2.072＊10-1 13.80±1.6
L-酪胺酸 1.405＊10-1
20.32±1.3
L-苯丙胺酸 1.236＊10-1
23.11±1.6
D-谷胺酸 2.503＊10-1
11.41±1.4
＃：濃度為 10mM，pH 值為 6
圖 4-2. 干擾性分子測試之比較，各檢測干擾物濃度為 10mM，pH 值為 6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
峰電流 (mA)
4-3 混合之干擾性測試
為了探討混合物在溶液中是否會影響到辨識效果，本實驗進行了此項試 驗。如圖 4-3 所示。
在目標物溶液中加入干擾物或非目標物之 D-谷胺酸與純目標物溶液進行 選擇性比較，可得知只要含有目標物的分子在裡頭，依然會放出電子使得電 極表面產生電化學變化進而得到峰電流，可能因非目標物有帶給分子模板一 些屏障阻力，所以造成峰電流值較純目標物的峰電流值低一些，不過仍然在 可以接受的選擇辨識效果的範圍內。若在目標物溶液中加入非目標物之 D-谷 胺酸與純 D-谷胺酸溶液進行辨識檢測，如圖所示。可得知純 D-谷胺酸溶液所 造成的屏障較大，所以造成峰電流值較不顯著，而達到辨識效果。而在圖中，
也可以發現磷酸緩衝溶液因不含胺基與羧酸所以辨識效果極佳。
由圖 4-3 得知，在含有目標物的溶液下進行檢測時電極表面依然會接收 到目標物所放出的電子使得產生電化學變化進而得到峰電流。在沒有含有目 標物的溶液下進行檢測，因孔洞不符合而無法進入放出電子使得峰電流值不 顯著。
圖 4-3. 混合干擾性與目標物 L-谷胺酸之選擇性辨識
圖 4-3. 混合干擾性與目標物 L-谷胺酸之選擇性辨識 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3
L-谷胺酸
L-谷胺酸 mix
D-谷胺酸 D-谷胺酸
PBS
峰電流 (mA)
4-4 目標物萃取時間的影響
為 了 探 討 目 標 物 萃 取 之 時 間 與 選 擇 性 的 影 響 ， 本 研 究 在 施 加 電 壓 -1V(vs.Ag/AgCl)之條件下，分別對萃取時間 : (A) 0 分鐘、(B) 20 分鐘、(C) 40 分鐘條件在 10mM pH=6 (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液下進行研究探討，
結果如圖 4-4 所示。
最適合的萃取時間可以達到最好的選擇性，若洗除時間太短，目標物無 法完全被洗出，則原目標物會佔據原孔洞，造成分子無法進出，使得所感應 到的電流值會相當微弱，選擇性下降。但若洗除時間太長時，則所得到的分 子模板結構已遭被破壞，更不具有選擇性。
根據 4-4(A)圖得知 0 分鐘也會峰電流的高度差但是辨識選擇性差異並不大，
是因為 L-谷胺酸還未能從分子孔道中被萃取出來；由 4-4(B)圖可發現在萃取 20 分鐘時所得到的選擇性變高，經過 4-4(C)圖 40 分鐘的萃取辨識選擇性又明 顯下降。因此推測萃取 20 分鐘可以達到良好之辨識效果，而萃取 40 分鐘後，
所得到的模板結構已受到破壞，使得非目標物 D-谷胺酸也能進入孔道中，而 有峰電流產生。
故將分子模板電極浸在 0.1N 氫氧化鈉水溶液，在電壓 -1V(vs.Ag/AgCl) 條件下洗除目標物最適時間為 20 分鐘，可得到具有分子通道的分子模板，因 此在此時間可以達到最佳的辨識效果。
0 2 4
4-5 目標物萃取電壓的影響
本研究以 L-谷胺酸為目標物與聚砒咯電聚合之分子模板薄膜電極，探討 目標物萃取電壓與辨識選擇性之影響，觀察選擇性變化在不同萃取電壓下從 +5V 〜-5V(vs. Ag/AgCl)，選擇性測試以 Multi-Potential Steps 在 0V 和 5V(vs.
Ag/AgCl)分別持續 1sec 和 2sec 進行 1 循環；在 10mM ，pH=6 (a) L-谷胺酸 下進行高電壓洗滌分別在-5V 和+5V(vs. Ag/AgCl)，會電解水造成大量氣泡(氫 氣和氧氣)產生，使得破壞模之結構，造成辨識選擇性降低。由圖 4-5F 施加電
0 2 4
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0
5 10
選 擇 性 ( L / D )
電壓 (V)
圖 4-6. 目標物萃取電壓與辨識 L/D 選擇性之關係圖(資料來自圖 4-5)。
4-6 pH 值對分子模板選擇性之影響
為了探討 pH 值針對谷胺酸分子與砒咯電聚而成的分子模板之影響，結果 如圖 4-7 所示。感應測試為 Multi-Potential Steps Parameters 在 0V 和 5V(vs.
Ag/AgCl)分別持續 1sec 和 2sec 進行 1 循環；在 10mM (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液下。本實驗可由(A)pH=1 (B)pH=4 (C)pH=6 (D)pH=7 (E)pH=10。 三 張圖看出分子模板處於 pH 值為 6 時會有好的辨識選擇性。
谷胺酸分子在 pH 值再偏酸的環境底下，谷胺酸分子會解離出 COO-的離 子，而分子模板的基底為導電高分子之砒咯，砒咯在聚合的時候會呈現正電 性，所以當用電化學方法進行選擇性辨識時，谷胺酸以及砒咯會因為正負關 係而達到良好的選擇性辨識效果。
由圖 4-7(A)可得知當待測溶液 pH 值在酸性時辨識效果較差，因為在溶液 裡 L-谷胺酸與 D-谷胺酸分子皆會大量解離出 COO-的離子在溶液裡，所以不 管是 L 谷胺酸還是 D-谷胺酸分子都容易與砒咯正異性電相吸造成選擇性變差。
若在待測溶液為鹼性底下，溶液中的谷胺酸分子會解離出 NH3+，因此與砒咯 產生互斥，故分子模板的辨識效果在此 PH 值為 10 底下也會不佳。故由此實 驗得知當 pH 值在弱酸和中性底下會有良好的辨識效果其中以 4-7(C) pH=6 為 最佳。
0 2 4
4-7 目標分子濃度與辨識選擇性的關係
為了探討濃度與辨識選擇性之關係，本實驗以 L-谷胺酸為目標物電聚合 成之分子模板，以不同濃度之選擇性之關係如表 4-2 所示。其干擾分子為 L-谷胺酸鏡像結構之 D-谷胺酸做為比較。並將濃度與選擇性趨勢做成圖，如圖 4-8 所示。本研究辨識選擇性方法是以 Multi-Potential Steps Parameters 進行，
所設定之參數為 :在 0V 和 5V(vs. Ag/AgCl)分別持續 1sec 和 2sec 進行 1 循環；
在 pH=6 (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液下；測試濃度由 0.1mM、1mM、10mM、
20mM、50mM。並將所得峰電流高度，將兩者相除所得分子模板之辨識選擇 性。
根據表 4-2 與圖 4-8 所示，濃度越高時，從 0.1mM 增加至 50mM 時，辨 識選擇性就會越好，L/D 從 1.7±2.3 增加至 27.1±4.1。故由此推測當目標物分 子濃度越高，施加正電壓後能幫助目標分子 L-谷胺酸快速地進入分子孔道中，
而非目標分子之 D-谷胺酸依舊無法進入孔道中，使得選擇性變高。
表4-2. 不同感測濃度下L-谷胺酸分子模板對目標物分子L-谷胺酸與干擾性分 子D-谷胺酸之吸附峰電流與選擇性比較。
峰電流 Peak (mA)
感測濃度(mM) L-谷胺酸 D 谷胺酸 選擇性(L/D)
0.1 2.389＊10-1 1.393＊10-1 1.7±2.3
1 1.877 3.148＊10-1 5.9±3.5
10 2.856
2.503＊10-1
11.41±1.4
20 3.413 2.423＊10-1
14.3±3.7
50 3.548
1.312＊10-1 27.1±4.1
-10 0 10 20 30 40 50 60 0
5 10 15 20 25 30
選擇性 (L/D )
感測濃度 (mM)
圖 4-8. 不同感測濃度與選擇性之關係圖。
4-8 交叉比對之選擇性測試
經由前述的參數控制以及時間的控制本研究可以得到良好的辨識選擇性，
為了探討此感測器交叉比對的選擇性， 以 D-谷胺酸為目標物與砒咯聚合之 分子模板，對於 D-谷胺酸溶液有辨識效果，如圖 4-9 所示。萃取電壓為 -1 伏特、萃取時間為 20 分鐘、前處理電壓為正 10 伏特、前處理時間為 600 秒 以及待測溶液 pH 值為 6，在這個電化學裡的系統使用 multi-potential step 在 0V 和 5V(vs. Ag/AgCl)分別持續 1sec 和 2sec 進行 20 循環，取第 1 循環，比較 也可以得到好的辨識選擇性效果。
以 D-谷胺酸為目標物與砒咯聚合之分子模板，對於 D-谷胺酸溶液有辨識 效果，如圖 4-9(B)所示。從圖中可以得知分子模板對於目標物有專一的辨識 效果，雖然 L-谷胺酸與 D-谷胺酸分子結構都有相同之官能基，只有左旋跟右 旋的不同，但分別為目標物所電聚合成的分子模板具有獨一性的辨識效果且 在良好的辨識效果範圍，由此可以推斷分子孔洞具有良好的辨識效果可以辨 識分離出鏡像異構物。
0 2 4 胺酸分子模板檢測時的 multi-potential step 圖，(a) L-谷胺酸(b) D-谷胺酸分 子分子溶液
第五章谷胺酸分子模板聚砒咯電極的鑑定分析
本研究使用白金電極材料將聚砒咯分子模板電聚合於其上，以各種技術 分析 L-谷胺酸分子模板薄膜感測器的特性，其探討內容包括 : 施加電壓前處 理(i-t)觀察、施加高電壓前處理的影響、施加電壓前處理時間對選擇性影響、
置放時間對選擇性的影響、交流阻抗分析、交叉比對選擇性分析、分子模板 辨識機制與熱效應關係、等分述於各小節。本章將從施加電壓前處理 i-t 觀 察介紹如下:
5-1 施加電壓前處理(i-t)觀察
將製備好以 L-谷胺酸為目標物之分子模板分成兩組，一組在 L-谷胺酸；
另一組在 D-谷胺酸的待測液中分別進行施加電壓前處理，前處理的條件為：
電壓在 10V(vs.Ag/AgCl)分別持續 900 秒進行 i-t 觀察、前處理溶液濃度為
電壓在 10V(vs.Ag/AgCl)分別持續 900 秒進行 i-t 觀察、前處理溶液濃度為