國
立
交
通
大
學
材料科學與工程學系
博 士 論 文
鎳離子螯合去氧核醣核酸之電性研究及其應用
The Study of Charge Transport through Nickel-chelated DNA and Its
Applications
研 究 生：張簡鵬崇
指導教授：劉增豐 教授
共同指導：張家靖 教授
鎳離子螯合去氧核醣核酸之電性研究及其應用
The Study of Charge Transport through Nickel-Chelated DNA and Its
Applications
研 究 生：張簡鵬崇 Student：Peng-Chung Jangjian
指導教授：劉增豐 Advisor：Tzeng-Feng Liu
共同指導：張家靖 Co-advisor：Chia-Ching Chang
國 立 交 通 大 學
材料科學與工程學系
博 士 論 文
A DissertationSubmitted to Department of Materials Science and Engineering College of Electrical Engineering
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Doctor of Philosophy
in
Materials Science and Engineering
September 2009
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
鎳離子螯合去氧核醣核酸之電性研究及其應用
學生：張簡鵬崇 指導教授：劉增豐
張家靖國立交通大學材料科學與工程學系﹙研究所﹚博士班
摘要
去氧核醣核酸 (DNA) 為自然界中一維的奈米線，其獨特的自組裝性常被應用於 生物感測器，以及奈米導線模版的製作。然而其不佳的電導特性，則限制了 DNA 在分 子元件發展與應用的潛能。在本研究中，我們將二價鎳離子於鹼性環境下，參雜入 DNA 分子的雙股螺旋中，形成 nickel DNA (Ni-DNA)。並藉由導電掃描探針顯微鏡，及電化 學分析結果可知，Ni-DNA 的導電度較原本的 DNA 有大幅的改善。其電荷可能藉由 Ni-DNA 中，具有良好堆疊之鹼基對間的交互作用來作傳輸，而參雜在其中的鎳離子猶 如存在於 DNA 分子中的電洞，使得電子更容易利用電子跳躍 (Electron hopping) 來做 電荷的傳輸，並且在鹼基上電子最高填滿軌域 (HOMO) 與最低未填滿軌域 (LUMO) 之間的能隙也因鎳離子的參雜而降低。並且由電化學的分析中可知，DNA 分子中鹼基 對的堆疊，對於電荷於 Ni-DNA 中的傳輸有顯著的影響。當鹼基對的堆疊產生變化時 (例如在序列中鹼基對發生錯誤配對，即造成 軌域堆疊的扭曲)，即使得電荷於 Ni-DNA 中的傳輸受到阻礙而呈現出較高的電阻值。藉由電荷於 Ni-DNA 中的傳輸特 性，我們成功的將 Ni-DNA 導入至 DNA 生物感測器上的應用。對於 DNA 分子 序 列中是否有鹼基對錯誤配對的情況，可以有效的檢測。並對於單一核苷酸多型性(single nucleotide polymorphisms; SNPs) 的檢測提供了一個新的方向。除此之外，Ni-DNA 還可以應用於固態的奈米電子元件上。在本研究中，我們將 Ni-DNA 架於兩電極上，並經由電性量測的結果可知，參雜於 Ni-DNA 中的鎳離子會 因電位的變化而產生氧化還原反應，此反應會使得 Ni-DNA 的電性上表現出負微分電 阻的特性 (Negative differential resistance，NDR)。因此 Ni-DNA 具有極佳的電性分子 元件之應用性。
The Study of Charge Transport Through Nickel-chelated DNA
and Its Application
student：Peng-Chung Jangjian
Advisors：Dr. Tzeng-Feng LiuDr. Chia-Ching Chang
Department of Material Science and Engineering
National Chiao Tung University
ABSTRACT
DNA is a one-dimensional nanowire in nature, and it may not be used in nanodevices due to its low conductivity. In order to improve the conducting property of DNA, divalent nickel ions (Ni2+) are incorporated into the base pairs of DNA at pH ≧ 8.5 and nickel DNA (Ni-DNA) is formed. Meanwhile, electrochemical analyses by cyclic voltammetry and AC impedance show that the conductances of Ni-DNAs are better than that of native DNA by a factor of approximately 20 folds. UV spectroscopy and DNA base pair mismatch analyses of Ni-DNA show that electrons hoping through the stacking of DNA base pairs may play a vital role for charge transport within Ni-DNA molecules. Meanwhile, the change in resistance that is caused by the mismatched of DNA can also be monitored by electrochemical. In this study, resistance increased exponentially with the number of mismatches. Accordingly, an intuitive and direct method for evaluating the numbers of DNA mismatches can possibly be achieved. Additionally, the exponential increase in the electrical resistance of mismatched Ni-DNA maybe caused by electron tunneling through the mismatch-induced potential barrier in Ni-DNA.
In addition, a molecular device that is composed of Ni-DNA molecules exhibits a negative differential resistance (NDR) behavior. When two gold electrodes were connected by Ni2+-chelated DNA (Ni-DNA) molecules which were converted from -DNA, not only the conductivity of DNA molecules were improved, but also an NDR device was formed at room temperature, in an ambient environment. Such NDR characteristics of a Ni-DNA device may have been caused by the redox reactions of Ni ions. This finding provides a highly potential for constructing electrical nano-devices from biological molecules. This biomaterial is a unique and designable one-dimensional bio-polymer for usage in biosensiors and nanodevices.
誌謝
在交大七年的博士歲月中，著實讓我上了人生中最重要的一課，不論在學術的 專業領域上或是人文素養上，使我在此成長不少，而這些也都要歸究於許多人的指導 與幫忙。 首先要感謝我的指導教授 劉增豐教授，在我學生的生涯中，給我不少獨立思考 及解決問題的機會，讓我在論文研究期間有廣大的發揮空間。另外還有我的共同指導 教授 張家靖教授，感謝張教授對於我的指導以及在研究上的討論，也正因如此，此論 文才可以順利的完成。除此之外，還要感謝 蔡明蒔博士及李美儀學姐對於我的研究所 提出的寶貴建議，當然也要一並感謝口試委員 朝春光教授、甘魯生教授、果尚志教授 及周亞謙教授能在百忙之中抽空前來指導，使本論文更臻完善。並謝謝生科所 曾信華 博士和鄭財木博士對於我在學理上及實驗上之建議，感謝本論文不及備載但曾經在我 求學階段幫助、指導過我的老師。 在學校生活中，感謝學弟妹朱學亮、葉奕辰、周輔宣、李子正、周靖淳、楊瑤 貞及姜芳馨…等的陪伴，讓我在博士班修業期間，除了苦悶的研究生活外，還感受到 許多的生活樂趣，以助身心上的調劑，在此也祝福大家鵬程萬里。 另外特別感謝卲苔珍小姐，在我求學過程中不斷地給我支持與鼓勵，讓我安心 並專注於實驗上，奠定未來之基石。最後要感謝的就是我的家人們，謝謝爸、媽對於 我生活上及身心上的支持，使我的博士班修業過程可以順利地完成，在此本論文之榮 耀與你們共同分享。目錄
摘要 ... I ABSTRACT ... II 誌謝 ... III 目錄 ... IV 表目錄 ... VII 圖目錄 ... VIII 第一章 緒論 ... 1 1.1 前言 ... 1 1.2 研究動機與目的 ... 1 第二章 文獻回顧 ... 4 2.1 DNA 簡介 ... 4 2.1.1 去氧核醣核苷酸 ... 4 2.1.2 DNA 一級結構 ... 5 2.1.3 DNA 二級結構 ... 6 2.1.4 DNA 分子的光學特性 ... 7 2.1.5 DNA 分子的電子特性 ... 8 2.1.6 DNA 分子的導電機制 ... 11 2.1.6.1 超交換作用 (Superexchange model) ... 11 2.1.6.2 電荷跳躍 (Hopping modle) ... 12 2.2 M-DNA 簡介 ... 13 2.2.1 金屬離子在 DNA 分子上的配位位置 ... 13 2.2.2 M-DNA 的基本結構和特性 ... 14 2.2.3 M-DNA helix 的電荷傳輸特性 ... 15 2.3 分子自組裝 (Self-assembly) 特性 ... 16 2.3.1 分子自組裝種類 ... 16 2.3.2 自組裝單分子層 [烷基硫醇 (RSH)] ... 16 2.4 電化學簡介 ... 18 2.4.1 電化學反應系統 ... 19 2.4.2 影響電化學反應系統的因素 ... 21 2.4.3 電極動力學[76,78] ... 22 2.4.4 循環伏安分析法 (Cyclic Voltarmmetry，CV) ... 23 2.4.4.1 可逆系統 (Reversible System) ... 25 2.4.4.2 不可逆系統 (Irreversible System) ... 26 2.4.4.3 近可逆系統 (Quasi-reversible System) ... 262.4.5 交流阻抗分析法 (Alternating Current Impedance，AC) ... 26
2.4.6 等效電路 ... 26
2.5 石英晶體微量天平分析法 ... 29
2.6 電泳分析法 ... 30
2.7 負微分電阻 (Negative differential resistance，NDR) ... 31
第三章 利用電化學法分析 DNA 與 M (Ni)-DNA 的導電特性 ... 33 3.1 前言 ... 33 3.2 實驗 ... 34 3.2.1 實驗藥品、溶液配製與設備 ... 34 3.2.2 實驗操作步驟 ... 38 3.2.2.1 Ni-DNA 的置換 ... 38 3.2.2.2 紫外光與可見光吸收光譜分析 ... 38 3.2.2.3 電泳分析 ... 38 3.2.2.4 金電極表面清洗 ... 38 3.2.2.5 石英晶體微量天平分析 ... 39 3.2.2.6 導電掃描探針顯微鏡分析 ... 39 3.2.2.7 電化學系統 ... 40 3.2.2.8 循環伏安法量測 ... 42 3.2.2.9 交流阻抗法量測 ... 42 3.3 結果與討論 ... 42 3.3.1 DNA 分子自組裝於金電極表面的覆蓋率 ... 42 3.3.2 以電泳分析以及 XPS 檢測 Ni-DNA 之形成 ... 46 3.3.3 DNA 與 Ni-DNA 之間電子特性的差異 ... 50 3.3.4 電化學分析 ... 51 3.3.4.1 以循環伏安法分析 DNA 與 Ni-DNA 之電化學特性 ... 51 3.3.4.1.1 不同電解質溶液系統對 DNA 分子電化學特性的影響 ... 51 3.3.4.1.2 DNA 與 Ni-DNA 之電化學特性 ... 55 3.3.4.1.3 Ni-DNA 的電導機制 ... 55 3.3.4.2 以交流阻抗法分析 DNA 與 Ni-DNA 之電性 ... 58 3.3.4.2.1 DNA 與 Ni-DNA 之阻抗圖譜 ... 58 3.3.4.2.2 等效電路模擬 ... 61 3.3.4.2.3 鹼基對堆疊對 Ni-DNA 電性的影響 ... 63 3.3.5 Ni-DNA 於生物感測器上的應用 ... 66 3.3.5.1 DNA 序列中鹼基對錯誤配對之檢測 ... 67 3.4 結論 ... 70 第四章 DNA 分子元件製作與電性量測 ... 72 4.1 前言 ... 72
4.2 實驗 ... 72
4.2.1 實驗藥品、溶液配製與設備 ... 72
4.2.2 實驗操作步驟 ... 74
4.2.2.1 電極製作 ... 75
4.2.2.2 DNA 溶液中多餘金屬離子及鹽類的透析 ... 75
4.2.2.3 DNA 分子的 electrostatic trapping ... 76
4.2.2.4 電性量測 ... 77 4.2.2.5 DNA 分子影像分析 ... 77 4.2.2.6 銀離子交換法 ... 77 4.3 結果與討論 ... 78 4.3.1 Ni-DNA 與 -DNA 之形貌分析 ... 78 4.3.2 Electrostatic trapping ... 81 4.3.3 DNA 分子元件之電性量測 ... 84 4.3.3.1 鹽類殘留對電性的影響 ... 85 4.3.3.2-DNA 與 Ni-DNA 之電性量測 ... 86 4.3.3.3 Ni-DNA 分子元件之負微分電阻特性 ... 87 4.3.3.4 不同掃描速率對負微分電阻的影響 ... 89 4.4 結論 ... 90 第五章 總結 ... 92 參考文獻 ... 93
表目錄
表 2.1 文獻中 DNA 分子導電特性的比較 ... 10 表 2.2 常用於分子自組裝之官能基及與其吸附之材料 ... 17 表 2.3 等效電路各元件之參數及其表示式 ... 29 表 3 1 本實驗中所使用 Ni-DNA 樣品之序列 ... 34 表 3.2 不同長度之 native DNA 分子自組裝於金電極表面之覆蓋率 ... 44 表 3.3 等效電路中各個等效元件之模擬參數結果 ... 63圖目錄
圖 1.1 晶片中電晶體數目增加與摩爾定律 (Moore’s law) 之關係圖 (Source:
ITRS) ... 2 圖 1.2 半導體製程技術線徑縮小趨勢示意圖 (Source: Intel) ... 3 圖 2.1 DNA 分子的組成及化學結構 ... 5 圖 2.2 DNA 分子的二級結構[30] ... 6 圖 2.3 雙股螺旋 DNA 分子[32] ... 7 圖 2.4 DNA 分子紫外光可見光吸收圖譜[32] ... 8
圖 2.5 (a) 雙股螺旋 DNA 及鹼基對堆疊示意圖. (b) The Bechgaard salts (TMTSF)2PF6 - 一種導電的環狀類晶體[34] ... 9
圖 2.6 電荷於 DNA 分子中的電洞傳導機制[47] ... 11
圖 2.7 DNA 分子導電機制. (a) 超交換作用 (Superexchange) 或是穿遂效應 (Tunneling). (b) 電洞跳躍 (Hole hopping)[47] ... 12
圖 2.8 鹼基對與二價金屬離子的配位 ... 15
圖 2.9 M-DNA helix 之螺旋結構示意圖[28] ... 15
圖 2.10 自組裝單分子層之成長機制[66] ... 18
圖 2.11 三極電解槽之電化學反應系統 ... 19
圖 2.12 電解質溶液內 (Solution bulk) 之電活性物質的質量傳遞 (Mass transfer) 機制。Ox 為電活性物質的氧化態， Red 為電活性物質的還原 態態[76] ... 21 圖 2.13 (a) 循環伏安法之線性電位掃描波形圖. (b) 可逆反應之循環伏安 圖譜[80] ... 25 圖 2.14 (a) 電阻與電容以串聯及並聯的方式所組成之等效電路. (b) 此等效 電路的阻抗圖譜 (Nyquist plot) ... 28 圖 2.15 DNA 分子電泳分析示意圖 ... 31 圖 2.16 NDR 電流-電壓特性曲線示意圖 ... 31 圖 3.1 純金電極於電解拋光液中之循環伏安圖譜。掃描電位由 0.2 V 至 1.6 V，再回至 0.2 V ... 39 圖 3.2 金電極製作流程與 DNA 分子之自組裝。 ... 40 圖 3.3 電化學分析所使用金電極之結構圖 (CHI101)。主要是以氯化三氟乙 烯包覆直徑為 2 mm 的圓盤狀金電極 ... 41 圖 3.4 不同長度之 DNA 分子自組裝於金電極表面後之循環伏安圖譜 ... 43 圖 3.5 長度為 20 bp 之 native DNA 分子 (L-20) 自組裝於金電極表靣後， 由石英晶體微量天平所量測之頻率變化 ... 45 圖 3 6 長度為 40 bp 之 native DNA 分子 (L-40) 自組裝於金電極表靣後， 由石英晶體微量天平所量測之頻率變化 ... 45
圖 3.7 Ni-DNA 與 native DNA 之電泳分析結果 ... 47 圖 3.8 SYBR Green 之化學結構圖 ... 47 圖 3.9 Ni-DNA 之 XPS N 1s core level spectra 分析結果。(a) 純金表面 (b)
Ni-DNA 修飾之金表面 (c) 經由 60 秒的 ion sputtering 處理後之 Ni-DNA 修飾金表面 ... 48 圖 3.10 Ni-DNA 之 XPS Ni 2p core level spectra 分析結果。(a) 純金表面 (b)
Ni-DNA 修飾之金表面 (c) 經由 60 秒的 ion sputtering 處理後之 Ni-DNA 修飾金表面 ... 49 圖 3.11 Ni-DNA 之 XPS N 1s core level spectra 波峰分離模擬。400.02 eV
為 –N= 共軛雙鍵的鍵結能、401.02 eV 為 -NH2的鍵結能，以及402.27
eV 為 –NH3+ 的鍵結能，而位於 398.84 的波峰則為 Ni-N 的鍵結能 .... 49 圖 3.12 native DNA 與 Ni-DNA 之導電掃描探針顯微鏡分析結果。□ 表
native DNA ，△ 為 Ni-DNA ... 50 圖 3.13 DNA SAMs 於 Ru(NH3)6Cl3 電解質溶液系統中之循環伏安圖譜 ... 52
圖 3.14 Native DNA 與 Ni-DNA SAMs 於 K3Fe(CN)6 電解質溶液系統中之
循環伏安圖譜。(a) 純金電極 (b) native DNA 修飾之金電極 (c) Ni-DNA 修飾之金電極 (d) 經由 25 mM EDTA 處理後之 Ni-DNA 修飾之金電 極 ... 53 圖 3.15 純金電極 (a) 與 DNA SAM 修飾電極 (b) 於電解質溶液之示意圖 54 圖 3.16 長度為 30 bp 之 native DNA 分子 (Poly-TG) 自組裝於金電極表靣
後，由石英晶體微量天平所量測之頻率變化 ... 54 圖 3.17 Ni-ssDNA (a) 與 Ni-DNA (b) 之循環伏安圖譜。虛線為 native
ssDNA 或 DNA，而實線為 Ni-ssDNA 或 Ni-DNA ... 57 圖 3.18 DNA 分子於不同 pH 值(8.0、8.5、8.8 和 9.0) 的氯化鎳溶液中形成
Ni-DNA 之紫外光可見光吸收圖譜 ... 58 圖 3.19 純金電極於 K3Fe(CN)6 電解質溶液系統中所量測到的交流阻抗圖譜59
圖 3.20 純金電極表面與電解質溶液界面所形成之電雙層示意圖。◆ 為 Redox probe，● 為 Electrolyte，● 為 Water molecule ... 59 圖 3.21 Native DNA 與經由 EDTA 處理後之 Ni-DNA 於 K3Fe(CN)6 電解
質溶液系統中所量測到的交流阻抗圖譜。□，▽分別表示為native DNA 修飾之金電極以及經由 25 mM EDTA 處理後之 Ni-DNA 修飾之金電 極，虛線為等效電路模擬結果 ... 60 圖 3.22 Ni-DNA 於 K3Fe(CN)6 電解質溶液系統中所量測到的交流阻抗圖 譜，△ 為 Ni-DNA 修飾之金電極，虛線為等效電路模擬結果 ... 60 圖 3 23 (a) 模擬純金電極系統下所量測交流阻抗圖譜之等效電路，(b) 模擬 DNA 分子修飾後金電極系統所量測交流阻抗圖譜之等效電路。Rs 為溶 液電阻，Q 為一常相位角元件， 為角頻率，R 為電荷轉移電阻，
W0 (Warburg impedance) 為電解質溶液因擴散所造成的擴散阻抗，R 為 DNA 分子的電阻，而 Qf 為 DNA 分子層的電容 ... 62 圖 3.24 鹼基對堆疊對 Ni-DNA 交流阻抗圖譜之影響。○ 為完全互補之序 列，●、▲、■ 分別為含有單一 AC、兩個 AC 以及三個 GT 錯誤配 對鹼基對之序列 (如表 3.1 所示)，實線部份為等效電路模擬結果 ... 64 圖 3.25 Ni-DNA 序列中鹼基對錯誤配對所誘發之電位能障示意圖 ... 65 圖 3.26 能障寬度與電阻之關係圖 ... 66 圖 3.27 Ni-DNA (Poly-TG) 序列中，鹼基對錯誤配對情形對交流阻抗圖譜的 影響。● 為完全互補之序列，▲、▼、■ 分別為含有單一 GT、GA 以 及三個 GT 錯誤配對鹼基對之序列 (如表 3.1 所示)，實線部份為等效 電路模擬結果 ... 68
圖 3.28 Ni-DNA (random sequence) 序列中，鹼基對錯誤配對情形對交流阻抗 圖譜的影響。■ 為完全互補之序列，○、△、▼、◆分別為含有單一 GT、 AC、GA 以及二個 AC 錯誤配對鹼基對之序列 (如表 3.1 所示)，實線 部份為等效電路模擬結果 ... 68 圖 3.29 Ni-DNA 序列中，各種不同鹼基對錯誤配對之電阻比較。圖中各符號 所代表的序列如表 3.1 所示 ... 69 圖 3.30 電阻變化量與鹼基對錯誤配對數量之關係圖 ... 70 圖 4.1 元件電極製作流程圖 ... 75
圖 4.2 DNA 分子 electrostatic trapping 示意圖 ... 76
圖 4.3 元件電性量測示意圖 ... 77
圖 4.4 銀離子交換法示意圖[18]。(a) 銀離子吸附於 DNA 磷酸骨幹 (b) 銀 離子的還原 ... 78
圖 4.5 Ni-DNA 之 AFM 影像分析 (a)，以及高度剖面圖 (b) ... 80
圖 4.6 -DNA 之 AFM 影像分析 (a)，以及高度剖面圖 (b) ... 81
圖 4.7 金電極之 AFM 影像圖，金電極間的間隙約為 100 nm ... 83
圖 4.8 未經由 electrostatic trapping 之 DNA 分子於 SiO2 基材上的 AFM 影像圖， DNA 分子呈現出隨機，網狀的分佈 ... 83
圖 4.9 經由 electrostatic trapping 之 DNA 分子於 SiO2 基材上的 AFM 影 像圖，DNA 分子呈現出具有方向性的排列 ... 84 圖 4.10 DNA 分子經由銀離子置換反應後之 SEM 影像圖 ... 84 圖 4.11 緩衝液透析前與透析後對電性的影響 ... 85 圖 4.12 鹽橋形成及電子傳輸示意圖 ... 86 圖 4.13 -DNA 或 Ni-DNA 之電流-電壓曲線關係 ... 87 圖 4.14 Ni-DNA 於正偏壓連續掃描之電流-電壓曲線圖 (0 V → 10 V) ... 88 圖 4.15 Ni-DNA 於負偏壓連續掃描之電流-電壓曲線圖 (0 V → -10 V) ... 89 圖 4.16 Ni-DNA 連續循環電位掃描之電流-電壓曲線圖 (-10 V → 10 V →
-10 V) ... 89 圖 4.17 Ni-DNA 於不同電位循環掃描速率之電流-電壓曲線圖 ... 90
第一章 緒論
1.1
前言
本研究主要是利用分子自組裝特性，以及電化學分析技術，探討 native DNA 與 Metallic DNA (Ni-DNA) 之間導電度的差異與電化學特性，並藉由電化學的分析推導 出電荷於 DNA 中的傳輸機制。再利用這些特性將 Ni-DNA 導入生物感測器上的應 用，並成功檢測出 DNA 序列中是否有錯誤配對的鹼基對。最後再以 Ni-DNA 分子 製作成一個固態的奈米分子元件，以電性量測分析探討 Ni-DNA 在分子元件上的應 用。
1.2 研究動機與目的
拜科技進步所賜，半導體製程技術日新月異，電晶體元件的製程不斷的朝向奈米 尺寸的方向發展。而在奈米化的過程當中，摩爾定律 (Moore’s law)多年來一直扮演著 推動半導體製程技術發展的重要角色。依據摩爾定律所述，每經過大約五年，一個晶 片中電晶體的數目會增加到原來的10 倍 (圖 1.1)， 相對的半導體線徑 (Gate Length) 也持續的縮小，例如目前的45 奈米製程已逐步邁向商業化運轉。由國際半導體技術藍 圖（International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS）所示，在 45 奈米製 程之後，接下來的製程就到了32 奈米和 22 奈米如圖 1.2。然而在以矽為基材的半導 體技術上，22 奈米以下的製程將會逐漸的碰觸到物理極限以及高成本的問題[1]。為了 克服積體電路製造的瓶頸，我們必須尋求更前瞻的技術甚至不同材料的解決之道。也 因此，分子元件的開發受到許多研究單位的關注，而近幾年來分子元件的技術與發展 [2-12]，更展現出了分子元件極具潛力的發展趨勢。 何謂分子元件？簡單來說，分子元件就是利用奈米技術將一些奈米尺寸的分子與 毫微米的元件結構做一個有效的整合，將具有獨特電子特性的分子作為元件的主動區 域 (Active area)，製造出一個具有特殊功能性的電子元件。例如:以奈米碳管所製作而 成的場效電晶體 (Field-Effect Transistor)[13]，以及利用 p-phenylenevinylene oligomer 分子所作成的單電子電晶體 (Single-Electron Transistor)[14]..等。這些元件的特性大都 取決於電荷於分子中的傳導機制，因此，對於分子電性的探討可以說是分子元件中非 常重要的一環。以目前分子元件製作技術來看，分子應用於奈米元件上時，所使用的 分子需要有三種基本特性：獨特的結構性 (Fantastic structuring)、識別性 (Recognition) 和電導性 (Conductivity)。就 DNA 分子而言，在結構性上，DNA 分子可以經由特殊 的序列設計形成一維的線性結構、二維的平面結構和三維的立體的結構，這些不同結 構的 DNA 分子可以用來提供我們不同基因訊息的讀取[15]。在識別性上，DNA 分子 上的一些特定的序列對於某些蛋白質分子有獨特的識別性，蛋白質分子可以藉由這個 特性，選擇性的自組裝於 DNA 分子上，而 DNA 分子所扮演的角色就類似一個提供 自組裝反應的平台，藉由這反應可以將不同的分子與 DNA 結合，例如在 2003 年Braun et. al. 的研究團隊成功的利用這個特性，將 DNA 分子與奈米碳管結合，製作出 了一個場效電晶體[16]。雖然 DNA 分子在結構性和識別性上有著不錯的表現，但是 在導電特性上卻一直有許多的爭議。在過去幾年裡對於 DNA 分子的導電特性量測 上，由於所使用的設備、元件的結構、量測的條件和 DNA 序列的不同，使得量測的 結果一直是眾說紛紜，對於 DNA 分子的電子特性，從絕緣體[17-19]、半導體[20,21]、 導體[22,23]甚至於超導體[24]的論述都曾經被發表過。對於 DNA 分子的導電特性， 一直到現在都沒有一個清楚的定論。然而在1993 年，Lee et al. 在一次實驗中意外的 發現，當 DNA 分子中參雜了一些二價的金屬離子時，例如，鋅離子、鈷離子或鎳離 子， DNA 分子的導電特性將有明顯的改善[25-29]，而這個經由金屬離子參雜的 DNA 分子則被稱為 metallic DNA (M-DNA)，M-DNA 的發現使得 DNA 分子在奈米元件上 的應用獲得了重大的突破。
在這次的研究中，我們會以二價的鎳離子作為參雜物，將 DNA 分子轉換為 Ni-DNA 分子，再以電化學法分析其電子特性，並與 native DNA 做比較，希望藉由 電化學法分析出 native DNA 與 Ni-DNA 之間電化學特性的差異以及電荷傳輸機 制，最後將 Ni-DNA 導入生物感測器與固態奈米電子元件上的應用。
第二章 文獻回顧
2.1 DNA 簡介
核酸 (Nucleic acid) 是生物體細胞內最重要的大分子，主要是生物遺傳的物質 基礎，在細胞中掌管了基因遺傳訊息的儲存 (Storage)、傳達 (Transmission) 以及表現 (Expression genetic information) 等功能[30]。核酸係由多個核苷酸 (Nucleotide) 組成， 而核苷酸主要是由磷酸和核苷 (nucleoside) 所組成的，再將核苷進一步分解可生成鹼 基 (Base) 和五碳醣 (Pentose)。 根據所含五碳醣的種類可以把核酸分為兩大類，核醣核酸 (Ribonucleic acid；RNA) 和 去氧核醣核酸 (Deoxyribonucleic acid；DNA)。DNA 是生物遺傳的物質，其結構是一 個很長的線狀或環狀大分子，由去氧核醣核苷酸聚合而成 (Deoxyribonucleotide)，以 下將針對 DNA 的化學組成及結構作介紹。
2.1.1 去氧核醣核苷酸
所謂的去氧核醣核苷酸是由去氧核醣核苷 (Deoxyribonucleoside) 被磷酸酯化 所形成，去氧核醣核苷 (Deoxyribonucleoside) 是指一個鹼基加上一個醣類分子，每個 去氧核醣 (Deoxyribose) C1 的位置上會接上一個鹼基。一般而言，鹼基可分為兩大 類，以 5 角及 6 角雜環化合物組合而成的一類稱為嘌呤 (Purine)；只有一個 6 角雜環 的則稱為嘧啶 (Pyrimidine)。組成 DNA 的鹼基分別為腺嘌呤 (Adenine；A)、鳥糞嘌 呤 (Guanine；G)、胞嘧啶 (Cytosine；C) 和胸腺嘧啶 (Thymine；T)，。其中依據所 接的鹼基的不同、去氧核醣核苷酸可以分為腺嘌呤去氧核苷酸 (Deoxyadenosine monophosphate；dAMP)、鳥糞嘌呤去氧核苷酸 (Deoxyguanosine monophosphate； dGMP)、胞嘧啶去氧核苷酸 (Deoxycytidine monophosphate；dCMP) 和胸腺嘧啶去氧 核苷酸 (Deoxythymidine monophosphate；dTMP)[30] 其結構與化學組成如圖 2.1 所 示。 磷酸 核苷 鹼基 五碳醣 核酸→核苷酸圖 2.1 DNA 分子的組成及化學結構
2.1.2 DNA 一級結構
DNA 的一級結構是指組成核酸的核苷酸之間連鍵的性質和排列的順序，DNA 分子中的核苷酸皆以3’，5’-磷酸二酯鍵 (Phosphodiester bond) 連結，即一個核苷酸的 五碳糖環第 3’位羥基，與另一個核苷酸的五碳醣環第 5’位的磷酸以酯鍵相連。因此 DNA 又可以看作是以去氧核醣及磷酸雙酯橋 (Phosphodiester bridge) 為整個分子的 骨架 (Backbone)，所組成的去氧核醣核酸如圖 2.2 所示[30]。
圖 2.2 DNA 分子的二級結構[30]
2.1.3 DNA 二級結構
1953 年 Watson 和 Crick 提出了著名的 DNA 雙股螺旋 (Double helix) 結構 模型 (二級結構)[31]，其要點如下: 一條單股 DNA 上的嘌呤鹼必須與另一條單股 DNA 上的嘧啶鹼相匹配，才能形成雙 股螺旋結構，其中 A 與 T 以兩個氫鍵連結，G 與 C 以三個氫鍵連結 (見圖 2.2)， 這稱為鹼基互補。在 DNA 分子中，腺嘌呤與胸腺嘧啶，鳥糞嘌呤與胞嘧啶的含量相 等。因此當一條多核苷酸鏈的鹼機序列確定後，即可推知另一條互補的多核苷酸鏈的 鹼機序列。 1. DNA 分子由兩條互補的多去氧核醣核苷酸鏈組成。每條鏈的骨幹由磷酸二酯 基通過 3’-，5’- 鍵與兩個去氧腺苷基連接而成。兩條多核苷酸以相反方向盤 繞同一條軸，形成右旋的雙螺旋結構，圖 2.3。螺旋直徑為 2 nm，每轉一圈 的高度為3.4 nm，含 10 個核苷酸單位，每個核苷酸單位的高度為 0.34 nm。 鍵間的兩條螺旋形成凹槽，一條較深，另一條較淺，分別稱為大溝和小溝。 2. 兩條多核苷酸鏈股架是去氧核醣和磷酸，鏈的內側是嘌呤鹼和嘧啶鹼。兩條鏈 通過鹼基間的氫鍵相連而維持雙螺旋結構。
維持 DNA 雙股螺旋結構的主要作用力是鹼基堆疊作用力 (Base stacking forces)。它是 由環狀鹼基的 電子相互作用引起的。第二個作用力為氫鍵，DNA 分子中鹼基層層 堆積，在分子內部形成了一個疏水的環境，促使互補鹼基之間形成氫鍵。另一個作用
力為磷酸根上的負電荷與介質中的 K+、Na+、Mn2+ 等陽離子之間形成的離子鍵。 在雙螺旋結構的基礎上，DNA 還可以形成三級結構。除了鍊狀結構外，生物體 普遍採取雙鍊環型 DNA (Double-stranded cyclic DAN) 的形式。完整的雙鍊環型 DNA 在某些情況下可以扭曲成麻花狀的超螺旋 (Superhelix) 或超捲曲 (Supercoil)結構。 圖 2.3 雙股螺旋 DNA 分子[32]
2.1.4 DNA 分子的光學特性
當一束紫外光照射某些物質後，引起物質內部電子運動狀態的變化，而吸收一 部分能量，由於分子內部電子的能量是量子化的電子，從基態（Ground state）躍遷到 激發態（Excited state），只能吸收等於兩個能階差的能量，因此紫外光通過物質後， 再通過稜鏡，會得到一組不連續的光譜，吸收最強的波長稱為特徵吸收波長。在 DNA 分子中，嘌呤鹼和嘧啶鹼都含有共軛雙鍵系統，經由紫外光照射之後，共軛雙键中的 電子會吸收260 nm 左右的紫外光並躍遷到 * 激發態的位置，此時在紫外光可見光 光譜圖 (UV-visible spectra)中，會有最大吸收峰在 260 nm 波段，並在 230 nm 處有一 低谷產生，如圖 2.4 所示。因此我們可以藉由特徵吸收波長的改變，來判斷 DNA 分 子的結構是否有所變化。圖 2.4 DNA 分子紫外光可見光吸收圖譜[32]
2.1.5 DNA 分子的電子特性
有關於 DNA 分子的電子特性早在 1962 年就由 Eley et al. 所提出了[33]，在他 們所發表的文獻中指出，DNA 中的核苷酸具有類似苯環的平面結構，當這些核苷酸 形成適當的堆疊型態時（即所謂的 -stack），相鄰鹼基對知間的共軛雙鍵系統，透過 垂直於苯環平面的 Pz 電子軌域形成混成軌域，而這混成軌域形成一個去局域化 (Delocalized) 的鍵結，因此電子可能沿著混成軌域作長鏈方向運動，如圖 2.5a。有些 有機分子亦有類似的原子結構，例如Bechgaard salts (TMTSF)2PF6，它是一種以芳香族 類的分子堆積而成的晶體，層與層間的距離大約為 0.34 nm，如圖 2.5b 所示，這距 離剛好與 DNA 分子中每個核苷酸單位的高度相似，在電性的表現上也的確是一種導 體[34]。不過值得注意的是，這些有機分子導體是具有週期性排列的晶體，然而 DNA 分 子 則 否 。 一 般 分 子 在 缺 乏 週 期 性 的 無 序 系 統 中 ， 往 往 會 造 成 電 子 的 局 域 化 (Localization)而不導電，這現象稱為 Anderson localization[34-37]。從過去所發表過的 文獻來看，對於 DNA 分子的電性一直以來都還沒有一個明確的定論。表 2.1 中整理 出由不同研究團隊對於 DNA 分子電性量測的結果，從表中可以清楚的看出其量測的 結 果 有 著 顯 著 的 差 異 ，DNA 分 子 的 導 電 特 性 由 絕 緣 體 到 導 體 都 曾 被 發 表 過 [17-21,23,24,38,39]。
圖 2.5 (a) 雙股螺旋 DNA 及鹼基對堆疊示意圖. (b) The Bechgaard salts (TMTSF)2PF6
- 一種導電的環狀類晶體[34]
3.4 Å
表 2.1 文獻中 DNA 分子導電特性的比較
Class Group DNA sample ~Length (nm) Result Electrode Configuration Ref.
Insulator
Braun et. al. (1998) -DNA > 16000 Insulating (RT) Au Suspended [18]
Storm et. al. (2001) -DNA
Poly(dG)-Poly(dC) 40-1000 Insulating (RT) Pt/Au On substrate [17] de Pablo et. al.
(2000) -DNA 100 Insulating (RT) SPM on substrate [19] Zhang et. al. (2002) -DNA > 4000 Insulating (RT) Au Suspended [39]
Semiconductor
Porath et. al. (2000)
Poly(dG)-Poly(dC)
(30 bp) 10
Wide band-gap
semiconductor (RT) Pt Suspended [21] Cai et. al. (2000) Poly(dG)-Poly(dC)
Poly(dA)-Poly(dT)
1700-2900
500-1500 Linear ohmic (RT) SPM
Networks of bundles
on substrate [20] Fink et. al. (1999) -DNA 600 Conducting (doped)
(RT) Au Suspended [23] Rakitin et. al.
(2001) Bundles of -DNA 15000
Narrow band-gap
semiconductor (RT) Au Suspended [38] Conductor Kasumov et. al
(2000) -DNA 500
Induced superconductivity
(T<1k)
2.1.6 DNA 分子的導電機制
就目前所發表過的文獻來看[34,40-46]，對於 DNA 分子的導電機制主要可以分 為兩大理論，一為單步驟電洞傳導 (Single-step hole transfer)，也就是所謂的超交換作 用 (Superexchange) 或是穿遂效應 (Tunneling)；另一個是藉由電洞跳躍 (Hole hopping) 來作電荷傳輸的多步驟電洞傳導 (Multi-step hole transfer)。這兩種機制都是利用光誘 發電荷法 (Photoinduced charge) 所推導出來的。所謂光誘發電荷主要就是將一些具有 氧化還原特性的探針 (Redox probe) 鍵結在 DNA 的雙股螺旋上，作為電荷施體 (Charge donors) 或 電 荷 受 體 (Charge accepters) ， 當 DNA 受 到 光 物 理 反 應 (Photophysically) 或光化學反應 (Photochemically) 誘發時，DNA 中的鹼基會產生氧 化反應而生成帶正電荷的基團 (Positively charged radical)，此基團就像是一個電洞， 可以藉由電荷的傳導而作移動，在移動過程中，電子會由 DNA 或電荷受體傳輸到電 荷施體，就如同電洞的傳導一樣，如圖 2.6所示[47]。
圖 2.6 電荷於 DNA 分子中的電洞傳導機制[47]
2.1.6.1 超交換作用 (Superexchange model)
當 DNA 分子的能態 (Energy state) 高於激發態的電荷施體時，電荷將會藉由 量子力學的穿遂效應 (Tunneling effect) 由電荷施體穿遂至電荷受體，在整個傳輸過程 中，電荷並不會停留在施體與受體間的DNA 分子上 (圖 2.7a)[47]。在這種單一步驟 的電荷傳輸過程中並沒有能量的散失，此現象稱為諧振 (Coherent)[34,47]。而電荷傳
輸的速率與傳輸的距離呈現出指數關係，隨這距離的增加，傳輸速率成指數遞減。因 此藉由超交換作用傳輸電洞的機制，僅適用於短距離的電荷傳輸系統 (< 10 Å)。[47]
圖 2.7 DNA 分子導電機制. (a) 超交換作用 (Superexchange) 或是穿遂效應 (Tunneling). (b) 電洞跳躍 (Hole hopping)[47]
2.1.6.2 電荷跳躍 (Hopping modle)
相對於短距離的超交換作用機制，在長距離的電洞傳輸時，電洞會以跳躍的方 式來作電荷的傳輸。在四種不同的鹼基中，鳥糞嘌呤 (Guanine；G) 最容易受到氧化， 因此鳥嘌呤上因氧化所帶的正電荷基團，在電洞跳躍的過程中扮演著電荷載子介質的 重要角色 (G-hopping)。和先前所描述的超交換機制不同，此時 DNA 分子的能態與 激發態的電荷施體能態相似，使得電洞可以藉由熱跳躍 (Thermal assisted hopping) 進
入 DNA 分子的鹼基對堆疊中，如圖 2.7b 所示。電荷在 DNA 的不連續分子軌域中 會有局域化 (Localized) 的現象產生，此時在電荷的傳導過程中，電荷的能量有部份 會轉化成分子的動能，而使得能源散失，此現象稱為非諧振 (Incoherent)[34,47]。以此 機制做為電荷的傳導時，電荷傳輸的速率與傳輸的距離並沒有顯著的關係。 在最近的許多文獻中也分別提到了，DNA 分子中除了鳥糞嘌呤 (Guanine；G) 可 以 作 為 電 荷 傳 輸 的 載 子 外 ， 腺 嘌 呤 (Adenine；A) 也可以擔任起此重要的角色 (A-hopping)[44-46]。A-hopping 主要是發生在 DNA 分子的序列中沒有 G-C 鹼基 對，或者是在兩個 G-C 鹼基對中間包含有≧ 4 個 A-T 鹼基對時。在一般的電洞跳躍 過程中，電荷的傳導仍然以G-hopping 為主，當傳導過程中遇到 A-T 鹼基對時，會以 穿遂的方式通過A-T 鹼基對，但當 A-T 鹼基對的數目超過 3 個時，電荷就無法藉由 穿遂效應來作傳輸，此時就必須利用 A-hopping 的方式才可以達到長距離的電洞傳 導。
2.2 M-DNA 簡介
近 幾 十 年 來 ，DNA 分 子 的 導 電 特 性 一 直 受 到 許 多 的 研 究 團 隊 的 注 意 [17,21,23,48-54]，然而直到現在都沒有一個明確的定論，對於 DNA 分子的導電特性 都還存在著許多的爭議。在1993 年時，Lee et.al. 在某次意外的實驗中發現，當一些 二價的金屬離子參雜入 DNA 分子中時[25]，將使得 DNA 分子的電性獲得了明顯的 改 善[26-29,38]。而這個經由金屬離子參雜的 DNA 分子就被稱為金屬化 DNA (Metallic DNA；M-DNA)。2.2.1 金屬離子在 DNA 分子上的配位位置
在核苷酸分子中磷酸基、鹼基和五碳醣都可以作為金屬離子的配位基團。其中 以鹼基配位能力最強，磷酸基居中，五碳醣的羥基最弱。在DNA helix 中的鹼基與金 屬離子之間的主要配位位置是在雜環圈氮原子的位置 (Heterocyclic ring nitrogen)；例 如，嘌呤鹼的 N-7 和嘧啶鹼的 N-3..等。主要是因為這些位置是具有潛在質子化的位 置 (Potential protonation sites)，與金屬離子鍵結之前，都有較高的酸性，其解離常數 (pKa) 如下所示: T3 (9.9) > G1 (9.4) ~ U3 (9.3) >> C3 (4.4) > A1 (3.9) > G7 (2.5) >> A7 一般來說，金屬離子與這些配位位置的反應偏好也大致依循著這順序，但並非是絕對 的。雖然在嘌呤鹼 N7 的位置其 pKa 較低，然而卻是最容易與金屬離子產生配位作 用，因此在高 pH 值時，鹼基中的配位位置與金屬離子的反應偏好順序應該如下所示: T3 > G1 ~ U3 > G7 > A7 > C3 > A1當 pH 值在中性時，由於前三個位置 (T3、G1 和 U3) 的 pKa 較高，因此仍然有質子 存在於這些配位的位置上，所以在中性的環境下其順序為: G7 > A7 > C3 > A1 > G1 ~ U3 > T3 由此可知， pH 值的高低是影響金屬離子與 DNA 分子配位位置的重要因素。能與核 苷酸作用的金屬離子主要有 Ca2+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+ 和 Zn+，由光譜吸收法 (spectrophotometry) 和 pH 法研究的結果：雖然嘌呤鹼的 N-1 位置附近有胺基產生位 阻效應，但它仍然可以通過 N-1 和 Ca2+、Mg2+、Cu2+、Mn2+、Ni2+ 、Co2+ 和Zn+ 等 金屬離子產生配位作用，藉由穩定常數的數值的比較，可以進一步得知 Cu2+，Ni2+ 是 直接和嘌呤的 N-1 配位，而 Mn2+ 則通過外配位層配位 H2O 分子的氫鍵和 N-1 配
位。二價金屬離子與核苷酸形成配位的穩定常數順序為:
Cu2+ > Ni2+ > Co2+ > Mn2+ > Mg2+ > Ca2+ > Sr2+ > Ba2+
2.2.2 M-DNA 的基本結構和特性
M-DNA helix 的形成主要是將雙股螺旋 DNA (ds-DNA) 放入在 pH 大於 8.5 並含有二價金屬離子 ( Co2+、Ni2+、和 Zn2+) 的溶液中，當DNA 在高 pH 值的鹼性 環境中時，在 G1 和 T3 配位位置上的亞胺基團 (Imino group) 會釋放出一個質子 (H+)，使得鹼基帶負電荷並更容易與二價金屬離子產生配位反應如，如圖 2.8[25,55] 所示。有許多的實驗數據也證明了二價金屬離子會取代 G 和 T 鹼基上亞胺基的質子 形成一個四面體的結構，例如:在 1993 年 Lee et. al. 以 H1 核磁共振光譜 (Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy) 分析 Zn-DNA ，發現當 DNA 在含有 Zn2+ 的鹼性溶液 (pH = 9.0) 中形成 Zn-DNA 時，鹼基上質子的訊號就會消失[25]。除此之 外，當 DNA 序列是以 G C 重覆排列而成時，會比 A T 重覆排列而成的序列更快速 且更完整的轉換為 Zn-DNA，為何會有這種情況產生? 原因可以從 G1 和 T3 的 pKa
得到解釋，由上一小節所述 (2.2.1)， G1 的 pKa 為9.4 而 T3 為 9.9，因此在 G1 上
的質子會比 T3 上的質子更容易被釋放出來[25]，使得 G C 序列的 DNA 可以更快 且更完整的形成 M-DNA。Aich et. al. 也提到當 DNA 形成 Ni-DNA helix 時，每一個 鹼基對之間會有一個 Ni2+ 插入，並且放出一個質子 (圖 2.9)[28]。對於 Ni-DNA 的 結構，由圓二色分光光譜 (Circular dichroism (CD) spectroscopy) 分析可知，當 ds-DNA 轉換為 M-DNA helix 時在光譜上並沒有明顯的改變，也說明了整個 M-DNA helix 的 構形仍然維持著雙股螺旋的結構，並不會因為金屬離子的參雜造成明顯的結構變化。 而M-DNA helix 和 ds-DNA 之間也存在著可逆的關係，當我們在 M-DNA helix 中加 入含有 ethylenediamineteracetic acid (ETDA) 的溶液或是在較低 pH 值的環境下， M-DNA helix 就會再轉變回原來的 DNA。
圖 2.8 鹼基對與二價金屬離子的配位
圖 2.9 M-DNA helix 之螺旋結構示意圖[28]
2.2.3 M-DNA helix 的電荷傳輸特性
對於 M-DNA helix 的電導特性也引起了許多研究團隊的注意，在 2001 年時， Rakitin et. al. 就曾經直接量測 Zn-DNA helix 的電性，由他們所得到的實驗結果可 知，Zn-DNA helix 在電性上所表現出的特性，就像是一個類似金屬(Metallic-like)的導 體[38]。而在電化學的交流阻抗實驗上，也發現了 Zn-DNA helix 所量測出的電阻要比 DNA 來 得 小 [26] 。 相 同 的 結 果 也 在 其 它 的 電 化 學 [27] 和 螢 光 淬 熄 (Fluorescence quenching)[25,56,57] 實驗中被證明。除了實驗的證明外，也有一些文獻藉由理論的模
擬計算，得到類似的結果。由模擬的結果可知，當 DNA 轉換為 M-DNA helix 之後， 原本存在於 HOMO 和 LUMO 之間的能隙 (Band gap) 將會縮小，並且 HOMO 和 LUMO 能帶 (Band) 也相對的變寬，這些現象都是因為當金屬離子插入鹼基對之間 時，會造成雙股螺旋產生一些變形，使得鹼基上的 軌域產生重疊的現象，相對的， 電子就更容易藉由 軌域的堆疊來移動。這些結果都顯示出，M-DNA helix 的形成 可以有效的改善 DNA 的導電特性，將 DNA 分子轉變成為一條導線[58]。從這些研 究中，我們可以得知，經由金屬離子參雜後的 DNA 分子，可以視為一條分子導線 (Molecular wire)，再與奈米技術相結合後，使其在奈米電子元件上的應用更極具潛力。
2.3 分子自組裝 (Self-assembly) 特性
所謂自組裝，是指基本結構單元(分子，奈米材料，微米或更大尺寸的物質)自 發形成有序結構的一種技術，在自組裝的過程中，基本結構單元在基於非共價鍵，或 是較弱共價鍵(凡德瓦力、靜電力、疏水性的交互作用、氫鍵或配位鍵)的相互作用下 自發的組織或聚集為一個穩定、具有一定規則幾何外觀的結構[59]。自組裝過程並不 是大量離子，原子或分子之間弱作用力的簡單疊加，而是若干個體之間同時自發的發 生關聯並集合在一起，形成一個緊密而又有序的整體，是一種整體的複雜的協同作用。2.3.1 分子自組裝種類
自組裝一般可以區分為兩大類，一為動態自組裝 (Dynamic self-assembly)，另 一個為靜態自組裝 (Static self-assembly)。在動態自組裝中，組成結構的單元之間會產 生交互作用，使得整個系統的能量有所散失[60]。然而在靜態的自組裝過程中，整個 系統最終會達到一個熱動力學的平衡態，並且不會有能量的散失，如分子的結晶 (Molecular crystals) ， DNA 的 雜 合 (Hybridization) 或 是 自 組 裝 的 單 分 子 層 (Self-assembled monolayer (SAMs))[18,20,26,27,59,61-63] 等，大部份的研究也都專注 於靜態自組裝的部份。其中自組裝單分子層更是被廣泛的運用在奈米科技與感測器上。2.3.2 自組裝單分子層 [烷基硫醇 (RSH)]
自組裝單分子層是利用一分子的特定官能基與固體表面的特定反應性，於液態 或氣態的環境下，在固體表面形成一具有方向性且緊密排列的單分子層[64,65]。不同 的官能基會與不同的固體表面產生反應而形成較強的鍵結，例如共價鍵，而這種吸附 的過程大多數也都以化學吸附為主。表2.2[66]也列舉出了幾種常見的官能基以及與其 相對應的固體表面，其中烷基硫醇 (RSH) 是最常被使用的官能基。烷基硫醇自組裝 分子層的形成一般也都遵循著 Langmuirian isothermal kinetics 以及熱力學平衡，整個 自組裝的過程可以用 Langmuirian isothermal equation 與 Gibbs free energy equation 來加以說明。表 2.2 常用於分子自組裝之官能基及與其吸附之材料
烷基硫醇 (Alkanethiol)： RSH 金 (Au)，銀 (Ag)、銅 (Cu) 和砷化鎵 (GaAs) 二烷基硫化物 (Dialkyl sulfides)： RSR 二硫化物 (Disulfides)： RS-SR 金 有機矽烷 (Organosilanes)： RSiCl3,， RSi(OCH3)， RSi(NH2)3 二氧化矽 (SiO2)，二氧化鋁 (Al2O3)， 玻璃，石英，雲母，氧化鍺 (GeO2)， 硒化鋅 (ZnSe)，金 醇基 (Alcohols)： ROH 胺基 (Amines): RNH2 白金 (Pt)
Langmuirian isothermal equation；
Kc 1 Kc (1) ads des k K k (2) 為基材表面的覆蓋率，c 為分子的濃度， 為平衡常數，kads 為分子吸覆速率常數， kdes 為分子脫覆速率常數。由 Eq. (1) 可知，基材表面的覆蓋率主要是與分子的濃度以 及平衡常數成正比的關係，濃度越高，平衡常數越大，表面覆蓋率也相對的越高。然 而在烷基硫醇單分子層的自組裝上，還必須考慮到分子長度所造成的影響，整個自組 裝的機制如圖 2.10 所示[66]。在低覆蓋率時，烷基硫醇分子無序的吸附於基材表面 (金)，烷基端與基材表面大至呈現平行的方式平躺於金表面 (圖 2.10a)。覆蓋率增加 時，一些有序排列的分子島區將會出現，並且藉由末端硫原子與金形成共價鍵，固定 於金表面，而烷基端仍然與金表面平行 (圖 2.10b)。當覆蓋率持續的增加時，金表面 的覆蓋率將達到飽和狀態，此時烷基硫醇分子將會有序的排列於金表面 (圖 2.10c)。 分子持續的吸附將會造成吸附分子的相轉變 (Phase transition)，而造成相轉變的趨動 力，主要是來自吸附分子間的側向交互作用 (Lateral interaction)，使得原本平躺於金 表面的烷基端豎立起來 (圖 2.10d)，而此時溶液中的分子又會不斷的吸附，使得金表 面達到飽滿覆蓋率，最後即形成單分子層 (圖 2.10e)。在分子層的沉積過程中，整個
系統必須降低它的自由能，以達到熱力學上的平衡態。在自組裝過程中，基材表面因 結構的重建 (Reconstruction)，或者是吸附分子有序且同向性的排列方式，都會增加整 個系統的自由能，因此烷基硫醇分子會藉由吸附作用，以及烷基鏈與烷基鏈間的交互 作用來降低自由能以達到平衡態。
圖 2.10 自組裝單分子層之成長機制[66]
Gibbs free energy equation；
ln
G RT K
(3)
當烷基硫醇分子中的烷基鏈長度增加時，K (平衡常數) 值也相對的變大，由 Eq. (3) 可 得知，系統的 Gibbs free energy 會隨著烷基鏈長度增加而減小，使得較長的烷基鏈不 易脫附，造成長鏈的烷基硫醇分子以平躺的方式吸附於金表面，無法形成一層緻密的 單分子層。由此可知，分子的長度對於表面的覆蓋率以及單分子層的形成有著顯著的 影響。
2.4 電化學簡介
一些具有電活性的物種 (Electroactive species) 與電極表面發生電子的轉移的化學反 應。藉由偵測這些電化學反應所產生的電子訊號，可以得知電極表面與電解質溶液 (Electrolyte) 之間界面所發生的變化。在許多的研究當中，也常常使用電化學法來分 析一些分子薄膜的導電特性[26,27,49,67-69]，或是作為生物感測器上的應用[70-75]。
2.4.1 電化學反應系統
當電極表面發生電化學反應時，電子由電解液中的電活性物種轉移至電極時， 稱該反應為氧化反應，該電極為陽極。反之則為還原反應，該電極則稱為陰極。一般 電化學反應系統主要是由陽極、陰極和電解質溶液所構成。由於電化學反應乃是利用 電位來驅動反應，非一般化學方法之驅動力所能及，因此可以完成一些化學方法所不 能完成的反應。通常三極電解槽是最常被用來研究電化學反應的系統 (圖 2.11)，三極 電 解 槽 的 三 極 分 別 為 工 作 電 極 (Working electrode ， WE) 、 輔 助 電 極 (Counter electrode，CE) 以及參考電極 (Reference electrode，RE)。(1) 工作電極 (WE) 為欲研究或測試的電極。此電極不固定為陽極或陰極，端視反應的不同而異，在 電極上發生氧化反應時，此電極即為陽極；若發生還原反應，則此工作電極為陰極。 (2) 輔助電極 (CE) 根據參考電極的電位，在輔助電極上施加電流使工作電極達到使用者設定的偵測 電位，並相對應於工作電極，所以可為陽極或陰極。此電極上發生電化學反應以不影 響工作電極為原則，一般也都使用活性較不活潑的金屬，如白金 (Pt)。 圖 2.11 三極電解槽之電化學反應系統 (3) 參考電極 (RE)
主要是在準確的地設定工作電極上的電位。在電化學中所有的電位值都是以相對 值來表示，因此需要一個參考的基準，參考電極即扮演這個角色；此電極在測定的電 流範圍內本身的電位必須幾乎維持一定值。因此，一個理想的參考電極其電化學性能 必須是可逆且穩定，並擁有近似理想非極化電極 (Nonpolarized electrode) 的特性，例 如高交換電流和快速的電位響應。
在電解質溶液內 (Solution bulk) 的電活性物質，是以質量傳遞 (Mass transfer) 的 方式進入電極表面的薄層溶液，進而抵達電極表面進行氧化還原反應 (圖 2.12)，質量 傳遞的方式可以分為三種，包括 migration、diffusion 和 convection[76]。Migration 是 指電場所造成的離子移動，帶正電荷的離子受陰極的吸引，帶負電荷的離子受陽極吸 引；Diffusion 是由於電解質溶液內濃度的差異所形成的濃度梯度，使得分子由高濃度 向低濃度移動；Convection 則是由於溶液本身為動態或經由攪拌所引起的運動。當電 活性物質非常接近電極表面時，可能發生化學反應或物理吸附、脫附的做用；最後分 析物接觸電極表面，在電極上發生氧化還原反應，產生反應電流 (單位 A)。式 (4) 描 述反應電流的大小取決於分析物在鄰近電極表面的濃度梯度、分析物的擴散係數、電 極面積的大小，和分子與電極交換的電子數。進行反應後再以類似的途徑離開電極表 面回到 solution bulk。 c i nFAD x (4) i : 反應電流 (A) n : 反應電子數 F : 法拉第常數 A : 電極的表面積 (cm2) D : 擴散係數 (cm2 s-1) c x : 濃度梯度 (M cm -1)
圖 2.12 電解質溶液內 (Solution bulk) 之電活性物質的質量傳遞 (Mass transfer) 機 制。Ox 為電活性物質的氧化態， Red 為電活性物質的還原態態[76]
2.4.2 影響電化學反應系統的因素
在決定或設計一電化學反應系統時，通常必須考慮到下列幾個重要因素： (1) 電極材料的選擇 電極材料的催化特性對電化學的反應速率之控制、產物之選擇性、陰陽極之反應 過電位及電流效率之提高等皆有影響，而過電位的大小受電極材料的影響最大，因此 良好的電極材料必須具有催化目標反應及降低反應過電位的特性。 (2) 電解質的選擇 一般電解質中所使用的溶劑，可簡單的分為水溶液與非水溶液。此外亦可分類為 固態、膠態與液態電解質系統。例如：在鋰電池的設計上就應用了固態或膠態電解質 [77]。在一些生物感測器上則採用了液態的電解質[70,74]。對於溶劑的選擇必須以電 化學系統的需要加以考慮；例如：電位的穩定範圍、對反應物或生成物的溶解度、揮 發性、適用溫度範圍、黏度與毒性等。 (3) 電解槽之設計 電解槽之設計通常包括電極之組對與排列、電解質溶液之流動狀況以及陰陽極的隔離等問題。電解槽設計的目的，在於降低歐姆電位降 (IR potential drop)，改善質傳、 熱導效果。
2.4.3 電極動力學[76,78]
假設在定溫定壓下，有一可逆反應 aA + bB ⇋ cC + dD (5) 當反應未達平衡以前，正反應與逆反應的自由能，Gf 和 Gb 如下所示 f A B G a b b C D G c d (7) 表示各物種的化學位能。隨著反應的進行，依據熱力學定律，整個系統的自由能會 減少： f b G G G A B C D a b c d
( ) ( ) ln ( ) ( ) c d 0 0 0 0 A B C D a b C D a b c d RT A B ( ) ( ) ln ( ) ( ) c d 0 a b C D G RT A B (8) 式 (8) 中 (A)、(B) 等表示活性， 0 G 表示各種物種在標準狀態下，反應到達平衡狀 態的自由能變化。 當反應到達平衡時， G 0，則式 (8) 可改寫為 ( ) ( ) ln ( ) ( ) c d 0 a b C D G RT A B (9) 在定溫下， 0 G 為一常數，則式 (9) 可以簡寫為 ln 0 G RT K (10) ( ) ( ) ln ln ( ) ( ) c d a b C D G RT K RT A B (11)0 G 稱為反應的標準自由能，而 K 則為標準平衡常數。 在一個達到平衡態的可逆反應之下，將不會產生任何的淨電流。然而在電化學系 統中，為了產生反應，對於電極本身需施加有利於氧化或還原的電位，使得平衡系統 受 到 破 壞 而 產 生 化 學 反 應 ， 即 會 有 微 小 的 電 流 產 生 。 在 系 統 中 施 加 一 過 電 位 (Overpotential，E)，使得電極電位超出原先電極平衡的電位值 (E0)，促使電流產生。 電功不含因容積變化所引起的機械功，故相當於隨系統反應所得自由能增加： G nFE (12) 其中 n 為電子數，E 為過電位，單位為電壓 V；F 為 1 法拉電量的電荷數 = 96485 C (庫倫)。式 (8) 可改寫為 ( ) ( ) ln ( ) ( ) c d 0 a b C D nFE nFE RT A B
ln c d 0 a b C D RT E E nF A B (13) 式 (13) 稱為能士特定律 (Nernst Eqn.)[76,78]，可以用來描述電化學反應系統中的電 極電位。2.4.4 循環伏安分析法 (Cyclic Voltarmmetry，CV)
循環伏安法主要是在電化學系統中的工作電極上施加一線性電位掃描，並以一 定的速率改變外加的電位，即電位隨著時間成線性的增加或減少，如圖 2.13a 所示。 記錄隨著電位掃引所產生的瞬間電流，以電位與電流作圖即可得到循環伏安圖譜 (圖 2.13b)。藉由圖譜上不同特徵峰值的電位 (Ep) 及峰值的電流 (ip)大小，可以得知分析 物種與電極表面所產生的電化學反應[27,73,76]。以圖 2.13b 為例：假設在一電化學系 統中，電解質溶液只有還原態的電活性物種 (R) 時，當我們以一線性電位作掃引，即 起始電位 (點 A) 往正值增加 (A → C)。由於 A 點的電位較電活性物種的氧化還原 電位小，因此並不會發生任何電化學反應，也就沒有電流的產生，當電位持續增加時， 陽極的電位會慢慢的接近到電活性物種的氧化還原電位，此時，還原態的電活性物種 (R) 發生氧化反應，由還原態轉為氧化態 (O)，由於氧化反應的產生，在陽極上則可 以偵測到陽極電流的產生，隨著電位不斷的增加，電流也成指數的增加。當電位到達 B 點時，由於在電極表面的還原態物種 (R) 已全都轉為氧化態物種 (O)，造成在電極表 面形成一濃度梯度，使得 R 必須藉由擴散運動才可以到達電極表面作氧化反應，此 時的電流大小取決於物質的擴散速率 (diffusion-limited)[79]，當擴散層厚度越厚，傳 輸速率也就越慢，因此陽極電流隨著電位的增加 (B → C) 而持續的降低。整個過程中 (A → B → C)，在圖譜上則呈現出了一個氧化峰 (Epa) 及陽極電流 (ipa)。相對 的，當我們將掃瞄電位反轉後 (C → D → A)，氧化態的電活性物種 (O) 也會依據 相同的原理而被還原成原來還原態的電活性物種 (R)，同時也生成了一個還原峰 (Epc) 及陰極電流 (ipc)。以一個最簡單的法拉第電極反應為例： O + e ⇋ R 循環伏安圖譜上的電壓-電流曲線，主要受到兩種不同機制的影響，異相電荷傳導 (Heterogeneous charge transfer) 與物質的擴散傳輸 (Diffusional mass transport)。在電極 與電解質溶液界面的異相電荷傳導可以用 Butler-Volmer equation[80] 來描述：
exp 0 exp 0 O O 0 R 0 i nF nF j C k E E C k 1 E E nFA RT RT (14) jA = 電極界面的電流流量 C = 電活性物種的濃度 k0 = 速率常數 移轉係數 E = 過電位 E0 = 標準電位 A = 電極面積 循環伏安圖譜上的 A 點到 B 點或是 C 點到 D 點，偵測到的電流值將會受到電活性 物種於電極表面的濃度、電極電位和速率常數的影響。當電極表面的濃度梯度形成後， 電流值的大小則主要受到物質傳輸擴散運動的影響 (B → C 或 D → A)，電流量會 與濃度梯度成正比的關係: O R O O R x 0 x 0 C C j D D x x (15)圖 2.13 (a) 循環伏安法之線性電位掃描波形圖. (b) 可逆反應之循環伏安圖譜[80]
2.4.4.1 可逆系統 (Reversible System)
對具備可逆性反應的電化學程序而言，其 k0 > 10-1 cm/s[80]， 在施加一循環往 返的電位掃描時，氧化峰與還原峰的兩波峰之間的間距應極為接近 (25 ℃)。通常可 以藉由下式來判別是否具備有可逆性： 0.056 -p pa pc E E E V n (16) E 為氧化峰電位與還原峰電位之間的電位差 (單位 V)，Epa 和 Epc 分別為氧化峰電 位和還原峰電位，n 為電子於電活性物種與電極之間的轉移數目。對於單電子轉移反 應言，n = 1，當氧化峰電位與還原峰之間的電位差為 56 mV 時，代表此反應為可逆的氧化還原反應。當我們得知整個反應為可逆反應時。峰電流 (ip) 與其他變數的關係 可以由 Randles-Sevcilk 方程式[76]得知： 3 1 1 2 2 2 5 (2.69 10 ) p i n ACD (17) 式中，A 為工作電極的表面積 (單位：cm2)，C 為整體電活性物種的濃度 (單位： mol/cm3)，D 為電活性物種的擴散係數 (單位：cm2/s)， 為電位的掃描速率 (單位： V/s)。在可逆的反應下，陽極所偵測到的氧化電流和陰極所偵測到的還原電流的比值 會很接近1。
2.4.4.2 不可逆系統 (Irreversible System)
相對於可逆反應，不可逆反應產生時，會有比較大的氧化峰與還原峰分離的情 況發生，且電流量也較可逆反應時來得小，此時的電流量主要是受到電荷傳導速率的 影響，相較於可逆反應的電荷傳導速率，不可逆反應的電荷傳導速率 (k0 < 10-5 cm/s)[80]小了許多。2.4.4.3 近可逆系統 (Quasi-reversible System)
當電荷傳導速率介於可逆反應和不可逆反應之間時[80]，10-1 > k0 > 10-5，我們 稱此反應為一近可逆反應，此時的電流量同時受到異相電荷傳導與物質擴散傳輸的作 用。2.4.5 交流阻抗分析法 (Alternating Current Impedance，AC)
當一個電極系統的電位或流經電極系統的電流產生變化時，對應的流過電極系 統的電流或電極電位也相應地變化，這種情況就像是一個電路受到電壓或電流信號擾 動時，有相應的電流或電壓響應一樣。而交流阻抗分析就是對系統施加一個頻率為 f 的振幅足夠小的正弦波電流訊號，相應的電極電位則會有一個頻率為 f 的正弦波響應 的電壓訊號，此時電極系統的頻率響應函數就是電化學阻抗，可以用下式來表示其阻 抗值： Z Z jZ (18)
2.4.6 等效電路
在 一 系 列 不 同 頻 率 下 所 測 得 的 一 組 頻 響 函 數 值 就 是 電 化 學 阻 抗 圖 譜 (Electrochemical impedance spectroscopy，EIS)[81]。電化學阻抗圖譜是一種研究電極反 應動力學及電極界面現象的重要電化學工具。在利用交流阻抗分析法所得到的電化學 阻抗圖譜之後，可以藉由等效電路或數學模型的模擬，推測出電極系統中所包含的動力學過程及其機制。等效電路基本上都由電阻 (R)，電容 (C) 或電感 (L) 等三種元件 通過一定的聯接方式所組成。 通常用 R 表示電阻元件，單位為 ，其阻抗如下： R R Z R Z Z R 0 (19) 電阻的阻抗只有實部沒有虛部，其數值總為正值，並且與頻率的高低無關。 電容通常以 C 來表示，單位為 Farad (F)，阻抗為：
1 C Z j C Z C 0
1 C Z C (20) 為角頻率，電容的阻抗只有虛部沒有實部，電容值也都為正值，並且與頻率相關。 一般用 L 作為電感元件的標誌，單位為 Henry (H)，阻抗為： L Z j L Z L 0 ZL L (21) 電感的阻抗也是只有虛部沒有實部，L 值為正值，並且與頻率相關。 由簡單的電學元件串聯、並聯或既有串聯又有並聯的聯接，可以組成複合元件的 等效電路。舉一個常被使用的等效電路＂Randles Circuit[82]”為例，此等效電路是由電 阻與電容以串聯及並聯的方式所組成，如圖2.14a 所示。其阻抗為：
1 1 2 2 2 1 2 2 2 2 R R C Z R j R C R C (22)圖 2.14 (a) 電阻與電容以串聯及並聯的方式所組成之等效電路. (b) 此等效電路的阻 抗圖譜 (Nyquist plot) 圖2.14b 為此等效電路的阻抗圖譜 (Nyquist plot)，由高頻至低頻的阻抗於圖譜上呈現 出一半圓弧，且交於阻抗實部軸於兩點，在高頻端的交點代表著等效電路中 R1 的電 阻值，相對的，在較低頻一端的交點代表著 R1 + R2 的電阻值。因此對於一個經由交 流阻抗分析法所得到的阻抗圖譜，藉由選擇適當的等效電路來模擬所量測到的阻抗 值，則可推測出電極系統中所包含的動力學過程及其機制。然而對於一些較為複雜的 電化學系統而言，單單只依靠電阻、電容或電感三種電路元件來進行阻抗圖譜的模擬 並不足夠描述其電化學行為，例如在溶液態的電化學系統中，系統的阻抗還牽涉到了 反應物靠近或生成物遠離電極表面之離子擴散速率的影響，當擴散效應支配電化學反 應機制時，就必須再考慮到擴散效應所引起的阻抗，因此在等效電路中必須加入擴散 阻抗元件， W (Warburg impedance)。一般較常使用的電路元件如表 2.3 所示。其中 CPE 為常相位角元件，用來描述非理想的電容元件，W 為半無限擴散阻抗，用來描述依靠 擴散來做物質傳輸的路徑長度近似無限長時。O 為有限層擴散阻抗，用來描述擴散層 的厚度為有限值。T 為阻擋層擴散阻抗，當距離電極表面 l 處有一壁壘阻擋物質的流
入時，則以此元件來描述擴散阻抗[81]。 表 2.3 等效電路各元件之參數及其表示式 等效元件 參數 Adittance Impedance 等效電阻 R 1 R R 等效電容 C j C j 1 C 等效電感 L j 1 L j L
CPE Y0，n cos sin
2 2 n 0 n n Y j 1 cos sin 2 2 n 0 n n j Y W Y0
1 2 1+ 2 0 Y j
-1 2 1 2 1 0 j Y O Y0，B
1 1 2coth 2 0 Y j B j
1 1 2 2 1 tanh 0 j B j Y T Y0，B
1 1 2tanh 2 0 Y j B j
1 1 2 2 1 coth 0 j B j Y 2.5 石英晶體微量天平分析法
石英晶體微量天平分析法 (Quartz crystal microbalance，QCM)，主要是利用反 壓電效應來做為操作的原理。提到反壓電效應 (Converse piezoelectric effect) 就必須先 提到壓電效應 (Piezoelectric effect)，壓電效應主要是在 1880 年，由 Pierre Curie 和 Jacques Curie 所提出的[83]。當施加一機械應力於一些沒有對稱中心的晶體時，會使 得晶體中的原子位移，產生瞬間的偶極矩造成極化，此現象就稱為壓電效應，例如石 英就是自然界中一種不具對稱中心的壓電材料[84]。相反的，當我們施加電壓於此晶 體上時，會造成晶體的偶極重新排列產生機械應變，此現象就稱為反壓電效應。在石 英中這種應變是具有彈性的，因此當我們施加交流電壓於石英晶體的兩面時，石英晶 體就會產生特定頻率的振盪行為，當石英晶體的振盪頻率與交流電場的頻率吻合時， 及產生最大的振幅形成共振現象 (Resonance)。石英晶體微量天平也就藉由量測共振頻 率作一些定量的分析：當石英晶體上吸附了微量的待測物時，會使得石英晶體的共振 頻率下降，量測共振頻率的改變量後，再依據 Sauerbrey equation[85]：物質吸附在石 英振盪晶體表面時之質量-頻率關係式
2 1 2 2 0 q q f m f A (23) f = 共振頻率變化量 (Hz) 0 f = 石英晶體基本振頻 (Hz) m = 吸附質量 (g/cm2) A = 電極面積 (cm2) q = 石英晶體剪力係數 (g/cm*s2) q = 石英晶體密度 (g/cm3) 可以計算出有多少質量的待測物質吸附於石英晶體表面上，更進一步可以推算出有多 少分子吸附其上，這也就是石英晶體微量天平被稱為可以直接偵測待測物的原因。2.6 電泳分析法
帶 電 顆 粒 在 直 流 電 場 作 用 下 ， 向 著 與 其 電 性 相 反 的 電 極 移 動 ， 稱 為 電 泳 (electrophoresis，EP)。利用這種特性，電泳被廣泛的應用於一些蛋白質分子或小分子 氨基酸的分離分析上。這些分子於電泳中的移動速度依分子的大小以及所帶的電荷量 而定，分子越大帶電量越少移動性越慢，凝膠的濃度則決定了凝膠中孔隙的大小。以 DNA 分子電泳為例：DNA 分子的骨幹上因有磷酸根離子的關係，所以 DNA 分子在 中性的溶液會帶負電荷，在一定的直流電場中，帶有負電荷的 DNA 分子則會向正極 的方向移動。若我們將不同片段的 DNA 分子放入於多孔性凝膠骨架 (Porous gel matrix)中時，因不同的 DNA 分子片段會有不同的尺寸大小，這些不同大小的 DNA 分 子在 porous gel matrix 中會有不同的移動速率，較小的 DNA 分子移動速率比較大的 DNA 分子來得快，此時 porous gel matrix 就像是一個分子篩 (Molecular sieve)，經過 一段時間的電泳分析後，不同尺寸大小的 DNA 片段即可被有效的分離出來，如圖 2.15 所示[86]。再經由螢光染劑的染色後，在紫外光照射下，可發現不同片段的 DNA 分子於凝膠上的位置。而影響 DNA 泳動的因素除了 DNA 的構形與大小之外，還有 凝膠的濃度、電壓的大小、電泳緩衝液和螢光染劑的存在與否等。圖 2.15 DNA 分子電泳分析示意圖
2.7 負微分電阻 (Negative differential resistance，NDR)
所謂負微分電阻元件 (Negative Differential Resistance ， NDR)，是在其電流-電壓曲線 上具有負微分電阻的特性，也就是當電壓增加時，所產生的電流是隨著電壓的增加而遞 減。例如：共振穿隧二極體 (resonant tunneling diode，RTD)[87]。其電流-電壓特性曲線 如圖 2.16 所示：
P P1 P V R = I (24) S V P2 P V V - V R = I - I (25) V P N P V V - V R = I - I (26) P V V PVVR = V (27) P V I PVCR = I (28) 式中 RP1 為第一段正電阻區，RP2 為第二段正電阻區，RN 為負電阻區，PVVR 為峰值、 谷值電壓比，PVCR 峰值、谷值電流比。一般常見的負微分電阻元件，均以三、五族化 合物半導體製作而成，如砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 材料製作，其材料具有高電子 移動率等優點。但因其成本過高，並且不能容易與積體電路元件相配合因而在應用電路 上會產生困擾。
![圖 2.2 DNA 分子的二級結構[30]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8748624.205417/19.892.137.756.137.762/圖22DNA分子的二級結構3.webp)
![圖 2.4 DNA 分子紫外光可見光吸收圖譜[32]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8748624.205417/21.892.147.757.136.857/圖24DNA分子紫外光可見光吸收圖譜32.webp)
![圖 2.6 電荷於 DNA 分子中的電洞傳導機制[47]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8748624.205417/24.892.334.582.481.911/圖26電荷於DNA分子中的電洞傳導機制47.webp)
![圖 2.9 M-DNA helix 之螺旋結構示意圖[28]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/8748624.205417/28.892.268.622.163.851/圖29MDNAhelix之螺旋結構示意圖28.webp)
