吩噻嗪化合物之氧化聚合與偶氮化聚合對修飾電位之關係

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(1)國立臺灣師範大學化學系碩士論文. 指導教授王忠茂博士. 吩噻嗪化合物之氧化聚合與偶氮化聚合對修飾電位之關係. 研究生陳中亦中華民國一百零六年七月.

(2) 謝誌經過這兩年來的研究所生活，我成長了許多，也學到了許多，記得剛進實驗室時有很多不會的事，幸好有王忠茂教授在一旁指導我，使我終能完成本論文，同時告訴我實驗的原則及目的為何，並教導我很多的相關知識及如何嚴格對待實驗等，讓我培養出對實驗與邏輯思考的原則，相信在未來我一定能夠更加的活用這些東西，且能更慎重對待實驗。另外也感謝口試委員陳頌方老師及范秀芳老師能在百忙中抽空前來參與口試，並給予我許多論文上的專業建議和知識。感謝思瑜學姊、燕玲學姊、詩弘學長，他們不管是在實驗上還是日常生活中都幫了我不少忙，讓我的研究所生活能更加充實與歡樂。記得剛進實驗室時是你們耐心且不辭辛苦的一直從基礎開始教導，並傳授概念給我，漸漸的我才開始明白這一切的架構為何，之後每當我有疑問時他們也必定會盡力為我解惑，培養我能自行解決問題或困難的能力，而使得我兩年來的研究進展能順利進行，終能畢業。感謝實驗室同伴耀仁，每當我犯了錯誤或造成困擾時他總是能在一旁包容我且指正出錯誤，讓我能夠改正。最後我要感謝的是我的家人，是他們在背後一直支持著我，我才能順利完成這兩年的碩士學位和本論文，希望在將來有你們的陪伴我能夠在人生路途上像這樣繼續勇敢前行，實現我的夢想與理念，謝謝你們。.

(3) 摘要有鑒於吩噻嗪化合物具有與核黃素相似的吩噻嗪結構，本研究於是以循環伏安法(CV)以及原子力顯微鏡(AFM) 探討 phenothiazine 化合物之電化學性質。過程中利用循環伏安法將 Thionine Chloride(TC) 、 Toluidine Blue (TB)、Methylene Blue (MB)等 Phenothiazine 類化合物氧化聚合及偶氮化還原聚合在 ITO 及 HOPG 表面，並藉此探討修飾電位的影響性，且利用刮除法得知修飾物厚度，最終以終端電位及修飾物厚度來找出修飾及固定用的吩噻嗪化合物。未來在如製作生化感測器上等時我們能得知要用何種吩噻嗪化合物及修飾方法來固定其效果為最好。. 關鍵詞：吩噻嗪、核黃素、循環伏安法、原子力顯微鏡、氧化聚合、偶氮化還原聚合. I.

(4) Abstract In view of the structural similarity of the thiophene of phenothiazine compounds and riboflavin, the electrochemical properties of phenothiazine compounds are studied by Cyclic Voltammetry (CV) and Atomic Force Microscopy (AFM). Cyclic Voltammetry is used to explore the effects of modified potential of Thionine Chloride (TC), Toluidine Blue (TB), Methylene Blue (MB) and other phenothiazine compounds oxidation polymerization and azo-reduction polymerization on ITO and HOPG surface, finally, the scraping method is used to determine the thickness of the modifier, then use thickness of the modifier and final potential to determinate use what kind of phenothiazine compounds to modify and immobile. In the feature we can know what kind of phenothiazine compound is the best to used immobile and what kind of modify method in making such as biosensor as so on.. Key words: Phenothiazine, riboflavin, cyclic voltammetry, atomic force microscopy, oxidative polymerization, azo-reduction polymerization. II.

(5) 目錄內容摘要..................................................................................................... I Abstract .............................................................................................. II 目錄...................................................................................................III 圖目錄.............................................................................................. IV 第一章緒論 ......................................................................................1 第二章實驗 ......................................................................................5 2-1. 化學藥品 .........................................................................5. 2-2. 實驗設備 .........................................................................6. 2-3. 實驗步驟 .........................................................................7. 第三章實驗結果與討論 ................................................................10 3-1. 修飾電位對 Phenothiazine 氧化聚合之 CV 圖譜探討 10. 3-2. 刮除法 ...........................................................................15 3-2-1 比較不同探針間所造成的誤差 ...........................15 3-2-2 最佳修飾層數........................................................17 3-2-3 最佳刮除次數........................................................19 3-2-4 修飾電位對 Phenothiazine 氧化聚合的影響 .......21 3-2-5 修飾電位對 Phenothiazine 偶氮化還原聚合的影. 響...............................................................................................29 第四章結論 ....................................................................................36 第五章參考文獻 ............................................................................37 III.

(6) 圖目錄圖 1- 1. 三種 Promethazine 分子結構 ...................................2. 圖 3-1 不同電位氧化聚合修飾之 CV 圖譜(a)10-3M Thionine Chloride(b)10-3 M Toluidine Blue (c)10-3M Methylene Blue。其中工作電極為 ITO 電極，參考電極為 SCE 電極，輔助電極為鉑絲，輔助電解質為 0.1M KCl，掃瞄速率為 50mV/s。 .......................................................................... 11 圖 3-2 修飾 ITO 電極於 0.1M KCl CV 圖譜，分別為(a)10-3 M Thionine Chloride(b)10-3 M Toluidine Blue(c)10-3 M Methylene Blue 之修飾電極，blank 為 0.1M KCl 溶液。 ...........................................................................................13 圖 3-3 ipc 對電位作圖。 ........................................................14 圖 3- 4 空白 HOPG 進行刮除後成像剖面圖，(a)使用 tapping 探針刮除(b)使用 contact 探針刮除。 ............................16 圖 3-5 10-3M TC 氧化聚合刮除圖，其中(a)修飾 1 層(b)修飾 5 層(c)修飾 10 層。 .........................................................17 圖 3-6 10-3M TC 氧化聚合之修飾圈數對厚度的影響。 ...18 圖 3-12 10-3M MB 氧化聚合片刮除後成像圖，修飾電位為 -0.6V. 至. (a)0.3V(b)0.5V(c)0.7V(d)0.9V(e)1.1V(f)1.3V(g)1.5V。24 圖 3-13. 空白溶液刮除後成像圖，修飾電位為-0.6V 至. (a)0.3V(b)0.5V(c)0.7V(d)0.9V(e)1.1V(f)1.3V(g)1.5V。25 IV.

(7) 圖 3-14 各 Phenothiazine 其修飾電位與氧化聚合的厚度關係。 ..................................................................................26 圖 3-15 TC 的氧化聚合反應機制圖。 ................................27 圖 3-16 TB 的氧化聚合反應機制圖。 ................................27 圖 3-17 MB 的氧化聚合反應機制圖。...............................28 圖 3-18 10-3M TC 偶氮化還原聚合片刮除後成像圖，修飾電位為 1.0V 至 (a)0.8V(b)0.6V(c)0.4V(d)0.2V(e)0V(f)0.2V(g)-0.4V(h)-0.6V。...................................................29 圖 3- 22 各 Phenothiazine 其修飾電位與偶氮化還原聚合的厚度關係。 ......................................................................33 圖 3- 23. TC 的偶氮化還原聚合反應機制圖。.................34. 圖 3- 24. TB 的偶氮化還原聚合反應機制圖。.................34. 圖 3- 25. MB 的偶氮化還原聚合反應機制圖。................35. V.

(8) 第一章緒論核黃素是一種在生物體內不可或缺的輔酶，也是人體所需的維生素之一，且用途極為廣泛，包括參與 NADH 與 NAD+之間的轉換(1)，這在生化反應裡是十分重要的，當然也可用在製備生化感測器上，此外還有如蛋白質、碳水化合物、脂肪的代謝、抗體與紅血球的合成等。而其衍生物也同樣具有廣大潛能，是當前研究的好主題。 Phenothiazine 是核黃素的衍生物，最早在研究染料時發現了其家族成員之一的 Methylene Blue (MB)(2) ，而後陸續發現其它成員，如 Chlorpromazine、Promethazine 等，具有麻醉及治療精神疾病(3)、抗菌 (4). 等效用。此外 Phenothiazine 也經常用於表面修飾及固定(5)用，可在修飾過. 程中將聚合物與預反應之物質一同固定在電極表面上，可以電化學聚合法(6~7)及偶氮化還原法(8)將其修飾在導電玻璃(如 ITO)及 HOPG 等導電基板上，藉由其上的修飾物我們能夠改變基質表面之性質，如增加或減少表面疏水性(9)、改變電極之電子傳送速率(10)等。但修飾電位的範圍會影響修飾物的聚合及生成，通常到了某一終端電位後導電基板上才會開始形成修飾物的聚合體，而這就是我們所要探討的，過程中會使用循環伏安法(CV)(11)和刮除法(12)來找出各 Phenothiazine 的終端電位，如 Thionine Chloride (TC)、Toluidine Blue (TB)、Methylene Blue (MB)等。如圖 1-1 所示，TC、TB、MB 它們的結構皆極為相似，都含有吩噻嗪結構，但它們間的差別主要在於一級胺基的數量，而這也就影響到了其氧化聚合與偶氮化還原聚合的能力。因此實驗過程中我們會將 Phenothiazine 化合物修飾在電極表面上，並置入 0.1M KCl 溶液中掃 1.

(9) CV 圖，藉由其氧化還原波峰電流值來判斷其修飾的終端電位。另外我們也會用原子力顯微鏡(AFM)來進行刮除法的操作。. Thionine Chloride. Toluidine Blue. Methylene Blue 圖 1- 1. 三種 Promethazine 分子結構. 最早在十七世紀時，虎克便已發明出世界第一台光學顯微鏡了，但到了 1959 年 Richard Feynman 首度提出奈米概念(13)後掃瞄穿隧顯微術掃瞄探針顯微術(scanning probe microscopy，簡稱 SPM)才逐漸成形，到了 1982 年， G. Binning 與 H. Rohrer 便發明了掃描式穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscopy，簡稱 STM)(14)，藉由探針與樣品導體間的穿隧電流來成像，接著到了 1985 年，G. Binning、C. F. Quate 及 Ch. Gerber 利用當時的 STM 技術，發展出一套能偵測探針與樣品間的凡得瓦 (van der Waals , VDW )力成像之原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscopy, 簡稱 AFM)(15) ，同 STM 皆具有能偵測到原子等級能力的解析度，但不同之處在於 AFM 能同時偵測導體與非導體的表面結構，而 STM 卻只能用於偵測導體表面結構而已，因此本實驗我 2.

(10) 們主要使用 AFM 的成像技術來探討實驗的結果。. 原子力顯微鏡(AFM)是一種具有原子級解析力的分析儀器，藉由其針尖與樣品表面間的原子作用力使懸臂樑產生細微位移以達到成像的原理，主要可分為以下三種模式(16): (1). 接觸式 (contact mode):. 利用探針靠近樣品時，其原子間產生的斥力(圖 1-1)來構圖出表面輪廓來，期間由於斥力極大，可能造成樣品表面損毀，因此缺點為不適用於軟性材質等。 (2). 非接觸式 (non-contact mode):. 使懸臂來回振盪，當探針接近樣品表面時會產生凡得瓦力之吸引力，以此為依據掃描，優點是因距離較遠對樣品為非破壞性，缺點則為成像解析較差。 (3). 輕拍式 (tapping mode):. 介於接觸式與非接觸式間，探針輕輕敲打樣品表面，並以振幅大小來成像，雖接觸樣品表面但破壞性較接觸式小，解析度又較非接觸式高。. 自 AFM 後，人們又陸續的發展出許多的衍生技術，如:掃瞄進場光學顯微鏡(Near-field Scanning Optical Microscopy, 簡稱 NSOM)(17)，其原理為利用近場透過孔徑照射或收集漸逝波(Evanescent Wave)得到掃描樣品的光學特性影像、側向力顯微鏡(Lateral Force Microscope， 3.

(11) 簡稱 LFM) (18)、磁性模組原子力顯微鏡(Magnetic Force Microscopy，簡稱 MFM)(19)等，而這些顯微成像技術皆對未來我們探討物質表面的微觀世界很有幫助。. 利用 AFM 的接觸式模式我們便可將 ITO 或 HOPG 表面的修飾物給加以移除，並藉此得出它們的厚度，如此便可判斷出其表面是否已開始有物質修飾上去以及其修飾程度為何。. 各 Phenothiazine 化合物的性質不同，在同樣修飾方法及條件下所得到的修飾物厚度及終端電位也不同，但此性質卻能被拿來用在如製作生化感測器等分析儀器上。. 4.

(12) 第二章實驗 2-1 化學藥品. TCI. Thionine Chloride. TCI. Toluidine Blue. TCI. Methylene Blue Ethanol. Echo. Hydrochloric acid. Fisher. Potassium chloride. Showa. Sodium nitrite. Showa. 環氧樹脂. Huntington. HOPG. SPI. 銀膠. DU PONT. 銅膠. 3M. 氮氣. 豐明氣體. 5.

(13) 2-2 實驗設備儀器名稱. 廠牌規格. 原子力顯微鏡. Veeco,NanoScope IIIA. 電位儀. CHI 614A. 超音波震盪器. Delta D80H. 電子天平. Precisa 125A. 參考電極. SCE, Ag/AgCl (自製). 工作電極. ITO 導電玻璃(Delta Tech) 、 HOPG. 輔助電極. Pt. 非接觸式掃描顯微鏡探針. CONTPt-20 (force constant: 0.37~0.58N/m). 接觸式導電掃描顯微鏡探針. NCHR-20 (force constant: 22~33N/m). 19mm 寬膠帶. 3M. 6.

(14) 2-3 實驗步驟 (一). 製備 ITO 電極. 1. 用鑽石刀將 1.0×1.0 的 ITO 導電玻璃給對半切成兩部分。. 2. 在 ITO 導電玻璃導電面塗上銀膠後黏上單芯線，等銀膠固化後再用環氧樹脂將單芯線與銀膠裸露處給密封起來，並置於 80℃的烘箱內待硬化。 3. 將電極先後浸在 0.1M HCl、0.1M KOH、95% 乙醇溶液中且以超音波震盪器震盪約 5 分鐘，期間以去離子水沖洗，最後再放入烘箱內烘乾。 (二). 製備 HOPG 電極. 1. 以 19mm 寬膠帶將 HOPG 給撕下來，並裁剪成合適大小。 2. 在 HOPG 面塗上銀膠後黏上單芯線，待銀膠固化。 3. 用 95% 乙醇溶液與去離子水先後沖洗之，再以氮氣吹乾。 (三). 製備 Phenothiazine 化合物氧化聚合於電極. 1. 將各 Phenothiazine 化合物溶於 0.1M KCl 中，濃度皆為 10-3 M，並以 50 mV/s 速率掃描，修飾電壓範圍及掃描圈數見各 Phenothiazine 化合物修飾圖說。 2. 完成後再置於 0.1M KCl 溶液中並掃描 CV 圖，電壓範圍為-0.4~0.7 V(相對於 SCE 參考電極)，掃描圈數為 1 圈，掃描速率為 50 mV/s。 7.

(15) 3. 以去離子水沖洗並用氮氣吹乾後靜置備用。 (四). 製備 Phenothiazine 化合物偶氮化聚合於電極. 1. 將各 10-3 M Phenothiazine 化合物配製於反應溶液內(10-3 M NaNO2， 0.1 M HCl)，濃度皆為，並以 50 mV/s 速率掃描，修飾電壓範圍及掃描圈數見各 Phenothiazine 化合物修飾圖說。 2. 以去離子水沖洗並用氮氣吹乾後靜置備用。 (五). 原子力顯微鏡 tapping mode 操作步驟. 1. 依序開啟電腦、控制螢幕、顯示螢幕、Nanoscope controller 及高倍率顯微鏡燈源。 2. 將樣品(用銅膠固定在鐵片上)與 tapping mode 探針放入。 3. 調整雷射光源使 SUM 值為最大值。 4. 使 TM AFM 模式的 VERT 值及 AFM ＆ LEM 的 HORZ 值皆約為 0±，且 SUM 值仍為最大值，最後再調回 TM AFM 模式。 5. 將軟體中 Other controls 的 Microscope mode 改為 tapping。 6. 點選軟體中音叉圖示，並將參數設定為參數為 Start frequency：0 kHz，End frequency：500 kHz，Target amplitude：1 V，Peak offset： 0 %，之後再按 Autotune 調頻。 7. 利用 UP(上針)及 DOWN(下針)調控探針位置，同時於外接螢幕影像之成像來判斷距離。 8.

(16) 8. 點選軟體中下針圖示，直至發出〝嗶〞的一聲，代表下針完成，且注意軟體中 Approaching surface 警告。 9. 調整軟體之 I gain 為 0.5，P gain 為 3，再自行調整 I gain、P gain 及 current setpoint 以得到最清晰之成像圖。 10. 點選相機圖示，直至 On 轉為 Down 代表成像圖已存檔完畢。 (六). 刮除法. 1. 重複 tapping mode 操作步驟 1~3 項，但可替換為不同的 Force Constant 值之探針。 2. TM AFM 模式的 VERT 值約為-2，AFM＆LEM 的 HORZ 值約為 0±，且 SUM 值仍為最大值，最後再調回 AFM ＆ LEM 模式。 3. 將軟體中 Other controls 的 Microscope mode 改為 contact，I gain 為 2，P gain 為 3，並將 Scan size 及 Aspect ratio 調為預刮除之大小與比例，調整 X offset 值及 Y offset 值為預訂刮除之位置。 4. 利用 UP(上針)及 DOWN(下針)調控探針位置，同時於外接螢幕影像之成像來判斷距離。 5. 點選軟體中下針圖示，直至發出〝嗶〞的一聲，代表下針完成，且注意軟體中 Approaching surface 警告。 6. 來回掃描一次代表刮除一趟，結束後點選軟體中上針圖示上針。. 9.

(17) 第三章實驗結果與討論 3-1 修飾電位對 Phenothiazine 氧化聚合之 CV 圖譜探討我們先是以循環伏安法(Cyclic Voltammetry)將各 Phenothiazine 化合物氧化聚合在 ITO 電極上，且依序由低電位至高電位對同一支電極進行修飾(起始值為-0.3V)。. 10.

(18) 10. (a). 5. Current (μA). 0. -0.3~0 V -0.3~0.1 V -0.3~0.2 V -0.3~0.3 V -0.3~0.4 V -0.3~0.5 V -0.3~0.6 V -0.3~0.7 V -0.3~0.8 V -0.3~0.9 V -0.3~1.0 V -0.3~1.1 V -0.3~1.2 V -0.3~1.3 V -0.3~1.4 V -0.3~1.5 V. -5. -10. -15. -20 1.4. 1.2. 1.0. 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0.0. -0.2. Potential (V) 40. vs.SCE. (b). Current (μA). 20. -0.3~0V -0.3~0.1V -0.3~0.2V -0.3~0.3V -0.3~0.4V -0.3~0.5V -0.3~0.6V -0.3~0.7V -0.3~0.8V -0.3~0.9V -0.3~1.0V -0.3~1.1V -0.3~1.2V -0.3~1.3V -0.3~1.4V -0.3~1.5V. 0. -20. -40. -60 1.4. 60. 1.2. 1.0. 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0.0. -0.2. Potential (V). (c). vs.SCE. 40. Current (μA). 20 -0.3~0 V -0.3~0.1 V -0.3~0.2 V -0.3~0.3 V -0.3~0.4 V -0.3~0.5 V -0.3~0.6 V -0.3~0.8 V -0.3~0.9 V -0.3~1.0 V -0.3~1.1 V -0.3~1.2 V -0.3~1.3 V -0.3~1.4 V -0.3~1.5 V. 0 -20 -40 -60 -80 1.4. 1.2. 1.0. 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0.0. -0.2. Potential (V). vs.SCE. 圖 3-1. 不同電位氧化聚合修飾之 CV 圖譜 (a)10-3M Thionine. Chloride(b)10-3 M Toluidine Blue (c)10-3M Methylene Blue。其中工作電極為 ITO 電極，參考電極為 SCE 電極，輔助電極為鉑絲，輔助電解質為 0.1M KCl，掃瞄速率為 50mV/s。 11.

(19) 過程中每修飾一圈就將電極浸置於 0.1 M KCl 溶液掃 CV 圖，並觀察其波峰電流值的變化。結果由圖 3-2(a) 可看出當 Thionine Chloride(TC)修飾電壓達 1.0V 時，位於約-0.15V 還原波峰電流值開始顯著的增加，到了 1.4V 時則開始在約-0.3V 位置出現了另一個還原波峰，似乎表明了其終端電位約為 1.4V，同理圖 3-2(b)當 Toluidine Blue(TB)修飾電壓達 0.7V 時，其約-0.3V 位置之還原波峰電流值也逐漸的增加中，表明其終端電位約為 0.7V，圖 3-2(c)Methylene Blue(MB) 之修飾電壓達 1.2V 時，其約-0.3V 位置之還原波峰電流值也開始逐漸的增加中，可得其其終端電位約為 1.2V。. 12.

(20) 3. (a). Current (μA). 2 blank -0.3~0.0 V -0.3~0.1 V -0.3~0.2 V -0.3~0.3 V -0.3~0.4 V -0.3~0.5 V -0.3~0.6 V -0.3~0.7 V -0.3~0.8 V -0.3~0.9 V -0.3~1.0 V -0.3~1.1 V -0.3~1.2 V -0.3~1.3 V -0.3~1.4 V -0.3~1.5 V. 1 0 -1 -2 -3 0.6. 0.4. 0.2. 0.0. -0.2. -0.4. Potential (V). vs.SCE. 3. Current (μA). 2 blank -0.3~0.0 V -0.3~0.1 V -0.3~0.2 V -0.3~0.3 V -0.3~0.4 V -0.3~0.5 V -0.3~0.6 V -0.3~0.7 V -0.3~0.8 V -0.3~0.9 V -0.3~1.0 V -0.3~1.1 V -0.3~1.2 V -0.3~1.3 V -0.3~1.4 V -0.3~1.5 V. 1. 0. -1. -2 0.6. 0.4. 0.2. 0.0. -0.2. -0.4. Potential (V). 3. vs.SCE. Current (μA). 2. blank -0.3~0.0 V -0.3~0.1 V -0.3~0.2 V -0.3~0.3 V -0.3~0.4 V -0.3~0.5 V -0.3~0.6 V -0.3~0.7 V -0.3~0.8 V -0.3~0.9 V -0.3~1.0 V -0.3~1.1 V -0.3~1.2 V -0.3~1.3 V -0.3~1.4 V -0.3~1.5 V. 1. 0. -1. -2 0.6. 0.4. 0.2. 0.0. -0.2. -0.4. Potential (V). vs.SCE. 圖 3-2 修飾 ITO 電極於 0.1M KCl CV 圖譜，分別為(a)10-3 M Thionine Chloride(b)10-3 M Toluidine Blue(c)10-3 M Methylene Blue 之修飾電極， blank 為 0.1M KCl 溶液。. 13.

(21) 為了更近一步確認，我們以各 Phenothiazine 化合物位於-0.3V 之還原波峰電流 ipc 值對修飾電位作圖，由圖 3-3 中可知 TC、TB、MB 之修飾終端電位分別約為 1.4V、0.7V、1.2V。. 1.4. 10-3M TC 10-3M TB 10-3M MB. 1.2. Current(μA). 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1.0. 1.2. 1.4. Potential(V). 圖 3-3 ipc 對電位作圖。. 下面的實驗我們會用刮除法來進一步測試我們所得到的結果，並同時比較 TC、TB、MB 之偶氮化修飾的結果。. 14.

(22) 3-2 刮除法若想知道 Phenothiazine 化合物在導電基板上的修飾厚度，可用不同彈性係數(force constant or spring constant)之探針以 contact mode 狀態下掃描其修飾物覆蓋物，並藉此將一部分的修飾物給刮除下來，接著再用 tapping mode 掃描。由成像中洞口邊高度差異便可得知其修飾物厚度。在此我們使用 HOPG 作為修飾基板，它相較起 ITO 導電玻璃更方便，電極製作過程更為簡潔，且花費時間較短，大小及形狀也比較好控制，但缺點是它比較柔軟，因此在刮除時需注意其本身是否會連帶的刮起，造成誤差。. 3-2-1比較不同探針間所造成的誤差. 為解決此問題我們便對空白 HOPG 進行刮除，比較不同彈性係數探針對結果的差異性。圖 3-4 為以含不同彈性係數探針對空白未修飾 HOPG 進行刮除後之剖面圖，可從剖面線上兩標記點之高度差看出洞口的深度，其中(a)用 tapping 探針刮除，其硬度過大，所形成的缺陷過大，因此不適用(b) 用 contact 探針刮除，其硬度較小，所造成誤差在可接受範圍內。過程中每個洞皆刮除 3 趟，大小為 1.25×5 μm。. 15.

(23) (a). (b). 圖 3- 4 空白 HOPG 進行刮除後成像剖面圖，(a)使用 tapping 探針刮除(b)使用 contact 探針刮除。 16.

(24) 由上述實驗結果我們決定以下的實驗皆使用 contact 探針進行刮除，使誤差減小到最小值，且每片樣品統一由上而下刮除三個洞，大小為 1.25×5 μm ,每個洞皆刮除 3 趟，厚度則取平均值。. 3-2-2最佳修飾層數. 接下來要探討修飾過程中其 CV 修飾圈數對修飾厚度的影響性與最佳化條件。由於修飾過程中我們會使用電化學法來將 Phenothiazine 化合物氧化或偶氮化聚合在 HOPG 上，理論上參與氧化或還原聚合的過程中電子數會與修飾物的多寡成正比關係，因此 CV 修飾的圈數應會與修飾物的厚度成正比。在這裡我們使用含 10-3M TC 的 0.1M KCl 溶液來氧化聚合進行修飾，其中每片樣品皆由-0.6V~1.5V 範圍掃描 CV，掃瞄速率為 50mV/s，每掃完 1 圈即修飾 1 層，修飾層數分別為 1、5、10 層，刮除完後如圖 3-5 所示。. (a). (c). (b). 圖 3-5 10-3M TC 氧化聚合刮除圖，其中(a)修飾 1 層(b)修飾 5 層(c) 修飾 10 層。. 17.

(25) 再藉由剖面圖得知它們的厚度，並對修飾層數做圖，得圖 3-6，可知修飾層數為 10 層是最厚的。但倘若繼續增加修飾層數，接下來修飾物表面會過於粗糙，不適合做實驗，因此我們氧化修飾以 10 層為最佳化條件。而 10-3M TC 的偶氮化還原法若超過 5 層後修飾物表面則會過於粗糙，因此偶氮化還原法以 5 層為最佳化條件。. 圖 3-6 10-3M TC 氧化聚合之修飾圈數對厚度的影響。. 18.

(26) 3-2-3最佳刮除次數. 為了確保修飾物能確實的被探針給刮除乾淨，我們必須找出刮除次數的最佳條件，且不同 Phenothiazine 化合物與不同修飾方法皆會影響修飾效果，應此須逐一比較。. 圖 3-7 為各 Phenothiazine 化合物氧化聚合在 HOPG 上後依序以不同次數來回刮除，之後再以其測得洞口的厚度對刮除的次數做圖。每片皆以-0.6~1.5V 掃 CV 10 層修飾，掃瞄速率為 50 mV/s，且溶液皆為含 10-3M Phenothiazine 的 0.1M KCl 溶液。結果可清楚的看出當刮除次數達 3 次以上時 TC 及 TB 修飾片洞口的厚度就已經達最大值了，而 MB 2 次就已經達最大值了。 10-3M TC 10-3M TB 10-3M MB. 厚度(nm). 20. 10. 0 1. 2. 3. 4. 5. 刮除次數. 圖 3-7 氧化聚合 Phenothiazine HOPG 片刮除後洞口厚度對刮除次數做圖，含 TC、TB、MB。. 19.

(27) 圖 3-8 為各 Phenothiazine 化合物偶氮化還原聚合在 HOPG 上後依序以不同次數來回刮除，之後再以其測得洞口的厚度對刮除的次數做圖。每片皆以 1.0~0V 掃 CV 5 層修飾，掃瞄速率為 50 mV/s，且溶液皆為含 10-3M Phenothiazine 的 0.1M HCl 與 10-3M NaNO2 溶液。結果可清楚的看出當刮除次數達 3 次以上時 TC 修飾片洞口的厚度就已經達最大值了，而 TB 及 MB 2 次就已經達最大值了。. 10-3M TC 10-3M TB 10-3M MB. 厚度(nm). 10. 5. 0 1. 2. 3. 4. 5. 刮除次數. 圖 3-8 偶氮化還原聚合 Phenothiazine HOPG 片刮除後洞口厚度對刮除次數做圖，含 TC、TB、MB。. 為了比較不同修飾方法及氧化和還原分別對 Phenothiazine 化合物修飾結果的差異性，以下我們分別以這兩種不同的修飾方法進行刮除法。. 20.

(28) 3-2-4修飾電位對 Phenothiazine 氧化聚合的影響. 當 Phenothiazine 化合物進行 CV 的氧化過程時，一旦到達某一臨界電位其化合物就有可能開始產生聚合反應，並在 HOPG 上形成修飾膜，而為了確認這點我們就使用刮除法，藉由比較不同修飾電位範圍的修飾膜厚度即可得知何時 Phenothiazine 化合物會開始產生氧化聚合。. 圖 3-9 為 TC 在-0.6 V 至 1.5 V 電位範圍內氧化修飾 10 層後刮除 3 趟之刮除圖，之後以軟體計算得出洞口的高度差並取三個洞口高度的平均值為修飾物厚度代表，以下成像圖皆用同樣方法得出其修飾物厚度。. 圖 3-9 TC 在-0.6 V 至 1.5 V 電位範圍內氧化修飾 10 層後刮除 3 趟之刮除圖修飾物厚度計算結果。 21.

(29) 圖 3-10 為 TC 在各電位範圍內氧化修飾 10 層後刮除圖，每片皆刮除 3 趟，修飾電位範圍分別為-0.6V 至 0.3V、0.5V、0.7 V、0.9 V、 1.1 V、1.3 V、1.5 V，掃瞄速率為 50 mV/s。 (a). (b). (c). (e). (f). (g). (d). 圖 3-10 10-3M TC 氧化聚合片刮除後成像圖，修飾電位為-0.6V 至 (a)0.3V(b)0.5V(c)0.7V(d)0.9V(e)1.1V(f)1.3V(g)1.5V。. 22.

(30) 圖 3-11 為 TB 在各電位範圍內氧化修飾 10 層後刮除圖，每片皆刮除 3 趟，修飾電位範圍分別為-0.6V 至 0.3V、0.5V、0.7 V、0.9 V、 1.1 V、1.3 V、1.5 V，掃瞄速率為 50 mV/s。. (a). (b). (c). (e). (f). (g). (d). 圖 3-11 10-3M TB 氧化聚合片刮除後成像圖，修飾電位為-0.6V 至 (a)0.3V(b)0.5V(c)0.7V(d)0.9V(e)1.1V(f)1.3V(g)1.5V。. 23.

(31) 圖 3-12 為 MB 在各電位範圍內氧化修飾 10 層後刮除圖，每片皆刮除 2 趟，修飾電位範圍分別為-0.6V 至 0.3V、0.5V、0.7 V、0.9 V、 1.1 V、1.3 V、1.5 V，掃瞄速率為 50 mV/s。. (a). (b). (c). (f). (g). (h). (e). 圖 3-7 10-3M MB 氧化聚合片刮除後成像圖，修飾電位為-0.6V 至 (a)0.3V(b)0.5V(c)0.7V(d)0.9V(e)1.1V(f)1.3V(g)1.5V。. 24.

(32) 接著為了探討修飾溶液裡除了 Phenothiazine 化合物以外其它物質對 HOPG 上氧化聚合修飾效果的影響，我們又進行了一次空白實驗，單以 0.1M KCl 為空白溶液進行修飾。. 圖 3-13 為空白溶液在各電位範圍內氧化修飾 10 層後刮除圖，每片皆刮除 3 趟，修飾電位範圍分別為-0.6V 至 0.3V、0.5V、0.7V、0.9 V、1.1 V、1.3 V、1.5 V，掃瞄速率為 50 mV/s。. (a). (b). (c). (e). (f). (g). 圖 3-8. (d). 空白溶液刮除後成像圖，修飾電位為 -0.6V 至. (a)0.3V(b)0.5V(c)0.7V(d)0.9V(e)1.1V(f)1.3V(g)1.5V。. 25.

(33) 之後再分別以它們的厚度對其修飾的最大電位值做圖，可得圖 3-14。. 圖 3-9 各 Phenothiazine 其修飾電位與氧化聚合的厚度關係。. 由圖 3-14 得知當修飾電位達 0.5V 時，TB 即開始氧化聚合在 HOPG 片上，而 TC 及 MB 則在達到 1.3V 時開始產生氧化聚合。因此可得 TC、TB、MB 的終端修飾電位分別約為 1.3V、0.7V、1.3V，此結果與我們用 CV 得到的結論相似，由此可知 TC、TB、MB 的終端修飾電位分別應該為 1.4V、0.7V、1.2V。。. 而會有此結果，可能原因就如同圖 3-15 TC 的氧化聚合反應機制圖、圖 3-16 TB 的氧化聚合反應機制圖、圖 3-17 MB 的氧化聚合反應機制圖所示，由於 TB 分子上甲基較多，相對於 TC 容易氧化並產生氧化聚合，但 MB 分子上無一級胺或二級胺基，故不易產生氧化聚合，因此和 TC 一樣氧化終端電位皆高於 TB，但由於立體障礙導致 TB 修飾物厚度最小，而 TC 厚度最大。 26.

(34) 圖 3-10 TC 的氧化聚合反應機制圖。. 圖 3-11 TB 的氧化聚合反應機制圖。. 27.

(35) 圖 3-12 MB 的氧化聚合反應機制圖。. 28.

(36) 3-2-5修飾電位對 Phenothiazine 偶氮化還原聚合的影響. 類似於 CV 的氧化過程+，當 Phenothiazine 化合物進行 CV 的偶氮化還原聚合過程時，一旦到達某一臨界電位其化合物就有可能開始產生聚合反應，並在 HOPG 上形成修飾膜，而為了確認這點我們同樣使用刮除法。. 圖 3-18 為 TC 在各電位範圍內偶氮化還原修飾 5 層後刮除圖，每片皆刮除 3 趟，修飾電位範圍分別為 1.0V 至 0.8V、0.6V、0.4 V、 0.2 V、0 V、-0.2 V、-0.4 V、-0.6 V，掃瞄速率為 50 mV/s。. (a). (b). (c). (d). (e). (f). (g). (h). 圖 3-13 10-3M TC 偶氮化還原聚合片刮除後成像圖，修飾電位為 1.0V 至(a)0.8V(b)0.6V(c)0.4V(d)0.2V(e)0V(f)-0.2V(g)-0.4V(h)-0.6V。. 29.

(37) 圖 3-19 為 TB 在各電位範圍內偶氮化還原修飾 5 層後刮除圖，每片皆刮除 2 趟，修飾電位範圍分別為 1.0V 至 0.8V、0.6V、0.4 V、 0.2 V、0 V、-0.2 V、-0.4 V、-0.6 V，掃瞄速率為 50 mV/s。. (a). (b). (c). (d). (e). (f). (g). (h). 圖 3-19 10-3M TB 偶氮化還原聚合片刮除後成像圖，修飾電位為 1.0V 至(a)0.8V(b)0.6V(c)0.4V(d)0.2V(e)0V(f)-0.2V(g)-0.4V(h)-0.6V。. 30.

(38) 圖 3-20 為 MB 在各電位範圍內偶氮化還原修飾 5 層後刮除圖，每片皆刮除 2 趟，修飾電位範圍分別為 1.0V 至 0.8V、0.6V、0.4 V、 0.2 V、0 V、-0.2 V、-0.4 V、-0.6 V，掃瞄速率為 50 mV/s。. (a). (b). (c). (d). (e). (f). (g). (h). 圖 3- 20 10-3M MB 偶氮化還原聚合片刮除後成像圖，修飾電位為 1.0V 至(a)0.8V(b)0.6V(c)0.4V(d)0.2V(e)0V(f)-0.2V(g)-0.4V(h)-0.6V。. 31.

(39) 圖 3-21 為空白溶液在各電位範圍內氧化修飾 5 層後刮除圖，每片皆刮除 3 趟，修飾電位範圍分別為 1.0V 至 0.8V、0.6V、0.4 V、 0.2 V、0 V、-0.2 V、-0.4 V、-0.6 V，掃瞄速率為 50 mV/s。. (a). (b). (c). (d). (e). (f). (g). (h). 圖 3-21 空白溶液刮除後成像圖，修飾電位為 1.0V 至 (a)0.8V(b)0.6V(c)0.4V(d)0.2V(e)0V(f)-0.2V(g)-0.4V(h)-0.6V。. 32.

(40) 之後再分別以它們的厚度對其修飾的最大電位值做圖，可得圖 322. 圖 3- 14 各 Phenothiazine 其修飾電位與偶氮化還原聚合的厚度關係。. 由圖 3-22 得知當修飾電位達 0.6V 時，TC 即開始偶氮化還原聚合在 HOPG 片上，而 TB 則在達到-0.4V 時開始產生偶氮化還原聚合，但 MB 卻一直無法產生偶氮化還原聚合。因此可得 TC、TB 的終端修飾電位分別約為 0.6V、-0.4V，但 MB 卻無法偶氮化還原聚合在 HOPG 上。. 33.

(41) 此結果可能原因就如同圖 3-23 TC 的偶氮化還原聚合反應機制圖、圖 3-24 TB 的偶氮化還原聚合反應機制圖、圖 3-25 MB 的偶氮化還原聚合反應機制圖所示，由於 TC 分子上具有兩個一級胺基，故易形成偶氮化並脫氮產生自由基，且聚合在電極表面上，而 TB 分子由於只具有單個一級胺基，且因立體障礙效應因此不易產生聚合反應，但 MB 分子無一級胺或二級胺基，故無法產生偶氮化還原聚合。因此 TB 偶氮化還原終端電位皆低於 TC，但 MB 無法產生偶氮化還原反應。另外由於 TB 上的甲基所產生之立體障礙導致其修飾物厚度會小於 TC。. 圖 3- 15. TC 的偶氮化還原聚合反應機制圖。. 圖 3- 16. TB 的偶氮化還原聚合反應機制圖。. 34.

(42) 圖 3- 17. MB 的偶氮化還原聚合反應機制圖。. 35.

(43) 第四章結論藉由循環伏安法及刮除法我們確認 Thionine Chloride、Toluidine Blue、Methylene Blue 的氧化聚合終端電位約位在 1.4V、0.7V、1.2V，且由刮除法我們確認 Thionine Chloride、Toluidine Blue 的偶氮化還原聚合終端電位約位在 0.6V、-0.4V，但 Methylene Blue 由於無一級胺或二級胺基，故無法產生偶氮化還原聚合。由實驗結果單是從修飾物厚度來判斷可得氧化聚合法厚度較佳，其中又以 TC 的效果最好，未來在用 Phenothiazine 化合物製作生化感測器上如將葡萄糖氧化酶給固定在電極表面上用以偵測葡萄糖時便可以上述實驗結果為考量選擇用 TC 氧化聚合固定用來偵測的物質，此可作為下一個研究的課題。日後若有如其它 Phenothiazine 化合物打算做為修飾固定等用途時便可用 CV 及刮除法求得其修飾物厚度與終端電位，並以此為考量選擇最佳化修飾方法與用來之修飾物質. 36.

(44) 第五章參考文獻 (1). C. Walsh, Acc. Chem. Res., 1980, 13, 148. (2). S. Mowry, P. J. Ogren, J. Chem. Educ., 1999, 76, 970.. (3) L. Levy, T. Ban, Can Med Assoc J., 1962 Mar 3, 86, 415. (4) J. Molnar, Y. Mandi, J. Kiraly, Acta Microbiol Acad Sci Hung. , 1976,23,45. (5). E. Dominguez, H. L. Lan, Y. Okamoto, P. D. Hale, T. A. Skotheim, L. Gorton, B. Hahn-Hagerdal, Biosensors & Bioelectronics 1993, 8, 229.. (6) Qiang Gao, Weidong Wang, Ying Ma, Xiurong Yang, Talanta, 2004, 62, 477. (7) D. D. Schlereth, A. A. Karyakin, J. Electroanal. Chem., 1995, 395, 221. (8). B.-H. Chiou, Y.-T. Tsai, C. M. Wang, Langmuir, 2014, 30, 1550.. (9). H. Yang, R. L. McCreery, Anal. Chem, 1999, 71, 4081.. (10). G. ZOGRAFI, M. V. MUNSHI, Journal of Pharmaceutical Sciences, 1970, 59, 819.. (11) E. Topçu, M. Alanyalıoğlu, J. Appl. Polym. Sci., 2014, 131, 39686. (12). 黃祥盈，類核黃素修飾電極製備及其與蛋白質間的交互作用探討，2009，6.. (13) S. M. SALAPAKA, M. V. SALAPAKA, IEEE Control Systems, 2008, 28, 65. (14) G. Binning, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, The American Physical Society, 1982,49,57. (15) G. Binnig, C. F. Quate, The American Physical Society, 1986,56,930. (16) 黃英碩，科儀新知，2005，4. (17) B. Hecht, B. Sick, U. P. Wild, V. Deckert, R. Zenobi, O. J. F. 37.

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