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 10mM pH=6 (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液，如圖 5-1 所示。
在 0~30 秒之間不管是 L-谷胺酸或 D-谷胺酸都會有峰電流產生，有此推 測是由電雙層所影響，在一瞬間施加正大電壓，溶液中所有的負離子皆庫倫 力作用會被吸附過去然後丟出電子使得電化學系統有訊號，接下來在 L-谷胺 酸之溶液裡所受到的屏障比較小因此很快的 L-谷胺酸進入它的孔洞裡而釋放 出電子讓電化學系統可以接收到訊號；相對的在 D-谷胺酸的溶液裡因孔道阻 力高所以所受到的屏障會比較高無法釋放出電子，使得電化學系統沒有峰電 流的產生。
最後 D-谷胺酸溶液也讓電化學系統接收到峰電流，根據推測有可能是因 為長時間施加大電壓讓此薄膜聚(砒咯結合 L-谷胺酸之分子模板)的結構逐漸 產生鬆動，並不能在溶液中維持原有堅固的結構。故本實驗將前處理分成三 階段做為選擇性的比較討論。
0 300 600 900
0.000 0.003 0.006 0.009 0.012
(b) (a)
Current (A )
Time (s)
圖 5-1. L-谷胺酸分子模板電極之施加電壓前處理的 i-t 圖，在 10mM pH=6 (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液。前處理測試為施加電壓 10V(vs.
Ag/AgCl)持續 900sec。緩衝溶液為 0.2M PBS pH=7。
5-2 施加高電壓前處理之影響
為了探討前處理施加電壓對薄膜之影響，使用電化學方法施加電壓分別 為 (A)5V、(B)8V、(C)10V(vs. Ag/AgCl)作為探討分別在 10mM，pH=6 (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液下之比較 i-t 觀察，如圖 5-2 所示。很顯然的在低電 壓的狀態下，雖然一開始都有因電雙層現象，使得溶液裡的所有負離子被吸 附給予分子模板電子而有峰電流，但是因為施加低電壓所以造成庫倫力不強，
離子擴散慢時間拉長兩者變化不大。無論如何，隨著時間拉長因有施加電壓 又長時間浸泡在溶液中造成分子擴散及熱效應，使得膜內部的分子孔道因膨 潤而被撐開然而兩者差異不大，選擇性不高。若使用高電壓可以使的目標物 快速的吸附達到與非目標物的辨識，因此可以推斷因聚砒咯與谷胺酸電聚合 成的膜之結構無法長時間在溶液中維持完整而且堅固的結構，因為此薄膜是 動態的，會隨著時間和電壓等其他參數所改變。
故本研究前處理的條件為：電壓在高電壓 10V(vs.Ag/AgCl)有比較良好的 辨識選擇性。
0 500 1000 1500
0 300 600 900 1200 1500 1800
0.000
5-3 施加電壓前處理時間對選擇性的影響
本研究中所製備的分子模板薄膜施加電壓前處理時間之探討，在此使用 10V(vs.Ag/AgCl)分別持續前處理不同時間分別為三階段(A)300 秒、(B)600 秒、
(C)900 秒，之後再分別進行檢測 L 和 D 谷氨酸分子，使用 multi-potential step 方法在 0V 和 5V(vs. Ag/AgCl)下分別持續 1 秒和 2 秒，總共進行 20 循環，取 第 1 循環進行選擇性比較討論。前處理時待測液濃度為 10mM pH=6 (a) L-谷胺酸與(b) D-谷胺酸溶液。
如圖 5-3(A)所示，當薄膜電極前處理高電壓下只有持續 300 秒時，電雙 層阻力逐漸形成，目標物分子尚未完全擴散至模板孔道中使得選擇性辨識並 不明顯；如圖 5-3(B)當薄膜電極前處理整持續 600 秒時，可看出 L-谷胺酸已 經擴散至分子模板孔洞中而 D-谷胺酸因為孔洞不符而被阻礙在表面造成屏障 變大，使得辨識效果達到最大，因持續 600 秒後達到擴散飽和使得峰電流值 差異性達到最大；但當整個系統持續 900 秒後辨識效果變差，推測因為在高 電壓下薄膜受離子因庫倫力牽引產生鬆動，分子模板的孔洞結構因長時間在 溶液中因此被撐開，以至於 D 和 L 谷氨酸分子皆進入分子孔道中，使得無法 達到良好的選擇性辨識效果，如圖 5-3(C)所示。
故控制好前處理擴散之時間是提高辨識選擇性之重要參數之一，因此本 研究將前處理時間訂在 600 秒，即可達到良好之辨識選擇性。
0 2 4
5-4 置放時間對選擇性的影響
在過去的研究裡發現分子模板的穩定性不高，為了瞭解置放時間對於分 子模板之選擇性的影響，本研究小心的做了 一系列實驗觀察如圖 5-4 所示。
當分子模板薄膜經由電聚合完成再經過萃取後進行放置在空氣中，由 5-4 圖 發現置放時間(A)0 分鐘、(B)30 分鐘、(C)60 分鐘、(D)90 分鐘，分子模板之 辨識選擇性越來越不佳。也可觀察到目標物 L-谷胺酸從 0 分鐘~90 分鐘峰電 流有些許的上升，在峰電流 0.005A 附近趨近於平衡，而非目標物從 0 分鐘~90 分鐘峰電流上升的速度快於目標物 L-谷胺酸，因此可推測萃取完後時間經過 越久，會使得分子模板孔道形狀阻力變小，導致 L 和 D 谷氨酸任一分子皆可 進入。故本實驗在萃取完後需馬上進行檢測即可達到良好之辨識選擇性效 果。
根據上圖 5-4 分析選擇性變化如圖 5-5 趨勢圖發現在剛萃取完時做檢測，
選擇性可以高達 11 倍左右而隨著時間的增長選擇性會跟著下降，從一開始的 選擇性約 11 倍逐漸隨著置放時間衰退到 90 分鐘後剩下 1.2 幾乎沒有選擇性，
因此推斷萃取完後的時間與分子模板之關係有很大的關連性。也可以從此項 實驗中得知分子模板薄膜是動態的、隨著周遭環境變化的會改變分子孔道狀 態。故萃取完後馬上做檢測會得到良好的辨識選擇性。
0 2 4
0 30 60 90 0
2 4 6 8 10 12
選擇性 (L/D)
Time (S)
圖 5-5. 萃取完後之置放時間與選擇性變化趨勢圖。(資料曲線根據圖 5-4) (A)0 分鐘、(B)30 分鐘、(C)60 分鐘、(D)90 分鐘，待測溶液 10mM pH=6
5-5 交流阻抗分析
交流阻抗分析圖譜可以用來分析系統中之電容或電阻行為。為了探討交
流阻抗對分子模板之影響，如圖 5-5 所示。本研究頻率(1 Hz-100000Hz)在 0.5 伏特下進行 AC Impedance 實驗。
製備好之分子模板電極在未萃取之前以及萃取後之關係如 5-6(A)，在 10mM pH =6 之 L-谷胺酸溶液下。由圖可看出在未萃取之前，目標物 L-谷胺 酸仍存留在分子模板孔道中，分子模板裡之孔洞已有原目標物使得孔道被阻 塞住，因此在未萃取之前電阻比較大；相對的在萃取完目標物被萃取出後留 下了印跡後的孔道，因此電流阻抗明顯的比較小。故由此圖可知道分子模板 萃取、再吸附之想法是可成立的。
如 5-4 章節所述，分子模板是動態的，受熱效應之影響，因此本章節做 了一組電阻阻抗之實驗來應證前章節的推測是對的，在 pH =6，10mM 之 L-谷胺酸溶液與 D-谷胺酸下進行 AC Impedance 實驗，如圖 5-6(B)、5-6(C)所示。
由圖 5-6(B)可發現在萃取完後馬上進行交流阻抗，可發現非目標物 D-谷胺酸 之電阻相對比目標物 L-谷胺酸來的大，因就算 L-谷胺酸與 D-谷胺酸官能基相 同，但是左右旋之不同因此孔道形狀也不一樣，因此造成非目標物 D-谷胺酸 所形成之電阻比較大。經過 100 分鐘後，如圖 5-6(C)所示，萃取後由於模板 受到熱效應之影響，使得模板孔道慢慢變形，活性慢慢降低，最後任何干擾 物之分子皆可進入模板裡，因此造成模板對於干擾物沒有分離便是之效果。
0 400 800 1200 1600
0 1000 2000 3000 4000
0 -100000Hz，電壓 0.5 伏特下進行 AC Impedance 實驗(A)分子模板萃取前後之 比較、(B)萃取完後 0 分鐘、(C)萃取完後 100 分鐘
5-6 分子模板與熱性應作用機制
谷胺酸分子模板電極經過萃去後置放在空氣中經過一段有效時間會導致 選擇性明顯下降，這可能原因是熱效應所造成，其分子模板作用機制與熱效 應的影響示意圖如圖 5-7 所示。在此機構中導電性高分子之砒咯為分子模板 的主要角色將包埋聚合的目標分子 L-谷氨酸分子萃取出如圖 5-7(A)所示，為 分子模板剛製備好，經過萃取出目標分子；圖 5-7(B)為將目標物分子被萃取 出了以後，在有效時間內進行在待測液中施加正電位，使得目標物可以被選 擇性吸附在分子模板電極上具有辨識效果。當萃取後置放超過有效期間，選 擇性將會大幅減少，甚至無法辨識，如圖 5-7(C)所示，是因兩種 L 與 D 谷氨 酸分子皆可進入薄膜，阻力減小，使得兩者差異性變小，幾乎無法辨識。
本實驗在 5-1 與 5-2 節中有提到施加較大的正電位可以讓目標物快速地進 入孔洞中，而此快速的方法會讓干擾物不利於進入孔洞中，使得辨識選擇性 有較好的結果。本研究將此情形歸因於小心控制萃取時間與電壓，在控制置 放時間，可以掌握分子模板的辨識活性。由 5-7(B)剛萃取完至 90 分鐘之間均 可展現辨識的選擇性，可推測在微觀角度裡分子模板薄膜是動態的，是會受 到熱效應之影響，會隨著置放時間增加分子孔道會變形、扭曲、膨潤使得最 後任何干擾物分子皆可進入分子孔道造成辨識選擇性不佳。
故此研究間接指出在小心控制好這些因素包括: 萃取時機，置放時間之 影響…等，可以成功的辨識出鏡像異構物。
(A) (B) (c)
圖 5-7.谷胺酸分子模板與熱效應作用機制示意圖(A)萃取 (B)萃取後置放 有效時間的辨識 (C)萃取後置放超過有效時間的辨識(約 90 分鐘)
5-7 目標分子尺寸大小與放置時間對選擇性之影響
由前述 5-4 得知，萃取完後之 L-谷胺酸模板薄膜在空氣中放置 90 分鐘後
幾乎沒有辨識選擇性效果，本研究進一步觀察此分子模板薄膜與目標物大小 尺寸關係，比較目標分子 L-谷氨酸之分子量為 147.13，而 L-色胺酸之分子量 為 204.23 比 L-谷胺酸來得大，這裡將把 L-色胺酸作為目標物來製備模板薄 膜。
製備 L-色胺酸之分子模板薄膜之條件與前述之製備方法皆相同，經由一 個小時的聚合，以及萃取 20 分鐘後，再經由前處理後即可做辨識選擇性之實 驗。由圖 5-8 可發現目標物越大之分子前處理時間越短，L-色胺酸模板薄膜感 測器只需要 400 秒即可達到分離效果，相對的如 5-3 所述，L-谷胺酸模板薄膜
製備 L-色胺酸之分子模板薄膜之條件與前述之製備方法皆相同，經由一 個小時的聚合，以及萃取 20 分鐘後，再經由前處理後即可做辨識選擇性之實 驗。由圖 5-8 可發現目標物越大之分子前處理時間越短，L-色胺酸模板薄膜感 測器只需要 400 秒即可達到分離效果，相對的如 5-3 所述，L-谷胺酸模板薄膜