行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
對伏特安培法中充電背景電流進行真實時間扣除之電化學偵測 系統研究
A Study of Real-time Charging Current Subtraction System Applied in Linear Scan Voltammetry
計畫編號：NSC 90-2113-M-041-003
執行期限：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日 主持人：唐自強 嘉南藥理科技大學 藥學系
一、中文摘要
使用線性掃瞄伏安法（Linear Scan Voltammetry, LSV）對電化學活性分析物 進行偵測時，受限於電位掃描時所產生之 影響，以致於作低濃度分析物偵測時，巨 大之充電背景電流伴隨著分析物微弱訊號
（法拉第電流），使得定電位儀無法藉由 提高放大倍率以增加對分析物訊號偵測之 靈敏度，因為會造成定電位儀訊號偵測之 過載（overload）。而提高電位掃瞄速率 雖可增加法拉第電流值但是因為充電電流 與電位掃瞄速率成正比，法拉第電流卻只 與電位掃瞄速率平方根成正比，因此若無 法消除充電電流則提高電位掃瞄速率對降 低偵測極限並無幫助。
本研究使用自行設計之雙工作電極定 電位儀，透過類比/數位及數位/類比轉換 介面裝置，由電腦控制之電位施加及訊號 擷取，利用差分電路將二工作電極之偵測 訊號（一為樣品溶液，一為空白溶液）在 真實時間（real time）進行相減，在對工 作電極施加電位時，可在真時（real time）
時間內消除充電背景電流，因而可以獲得 純粹之法拉第電流，卻無充電背景電流干 擾，同時可調高定電位儀靈敏度（放大倍 率）而無過載現象，及提高電位掃瞄速率 進而降低線性掃瞄伏安法偵測極限。
關鍵詞：線性掃瞄伏安法、法拉第電流、
充電背景電流、雙工作電極
Abstract
In this report, a dual-working electrodes potentiostat with real-time charging current subtraction system was devloped. By using differential-circuit following dual-working electrodes current-to-voltage convertor, the charging current accompanying the analytical Faraday current could be subtracted in real-time.
As a result of this study, an order of detection limit lower than other reseachers studies could be obtained by using LSV.
Keywords: Linear scan voltammetry,
Faraday current, charging current, dual-working electrode.
二、緣由與目的
在電化學伏安法中巨大之充電背景電 流常常限制對分析物之偵測極限，而加快 電位掃瞄速率雖然可以提高法拉第波峰電 流值，但是充電背景電流亦隨之提高，並 且法拉第波峰電流隨掃瞄速率平方根成正 比增加，而充電背景電流卻直接隨掃瞄速 率成正比，其淨結果則為無法提高定電位
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儀靈敏度以偵測微弱之法拉第波峰電流。
對於充電背景電流之消減曾有許多學 者討論，如對電雙層電容引起之充電電流 使用數位模擬方法(1)，交流安培測定法(2) 波峰取樣法(3)間接扣除法(4)以消減之。
然而前述學者所提出的方法並未在測 定樣品溶液時，作立即的背景充電電流消 減，只是著重於將所測得之結果作背景充 電電流之篩選、剔(1-3)，或者作另一次空白 溶液測定，以作事後之扣除(4)。
本 研 究 計 畫 擬 發 展 具 有 真 實 時 間 (Real-time)對背景充電電流消減之雙工 作電極定電位儀偵測系統，在真實時間內 將背景充電電流直接消減，如此可同時提 高電位掃瞄速率及定電位儀靈敏度，而不 會有過載現象(Over-Load)，進而降低伏安 法的偵測極限。
三、結果與討論
本真實時間背景扣除雙工作電極定電 位儀,參考文獻(5)記載之電路裝置,使用三 電極偵測系統。參考溶液及樣品溶液置於 二燒杯中並分別使用相同材質及面積之白 金工作電極 W0、 W1進行偵測，自製之定電 位 儀 由 個 人 電 腦 透 過 AD/DA 介 面 卡 (PCL1800)進行電位控制及訊號擷取經真 實時間扣減充電電流之法拉第訊號。
圖 1 為分別將二工作電極置於相同濃 度之 Fe(CN)63-溶液中進行雙工作電極訊號 校正測試，亦即以 W1為分析物訊號（圖 1a）
W0為背景扣除之訊號（圖 1b），因二者使 用相同電極面積以及偵測相同分析物之溶 液，所以所獲得之訊號在真實時間進行相 減時幾乎可以完全扣除（圖 1c），由此可 以驗證本背景扣除系統之適用性。
圖 2, 3, 4, 5 為使用不同電位掃瞄速 率對 0.5mM Fe(CN)63- 進行背景校正測試之
結果，當掃瞄速率由 0.04V/sec 逐漸增高 至 0.24V/sec 時，充電背景電流及法拉第 電流亦隨之升高，但是經背景充電電流校 正後仍可得到相當純粹之法拉第電流，並 且提高定電位儀之靈敏度而無過載現象。
圖 6 為使用 0.24V/sec 掃瞄速率對 40 μM Fe(CN)63-
進行雙工作電極背景校正 測定之結果，未經背景充電電流校正前以 循環伏安法掃瞄之伏安圖對 40μM Fe(CN)63-
之偵測不易辨認法拉第波峰電 流，而經校正後之淨法拉第電流伏安圖則 可清楚的辨認並測量其波峰電流值
圖 7 為本雙工作電極定電位儀以線性 掃瞄伏安法（LSV）對不同濃度 Fe(CN)63-
（20.0 ~ 840.0μM）進行測試所得檢量 線，其線性相關係數為 0.9983。而在相同 條件下使用 CHI 630A 定電位儀所測量最低 濃度則約為 180.0μM，顯見本偵測系統降 低偵測極限之可行性。
四、計畫成果自評
使用本真實時間背景扣除雙工作電極 定電位儀可藉由差分電路在真實時間將二 工作電極之訊號進行相減以扣除電極之背 景充電電流，同時可在提高電位掃瞄速率 下，將定電位儀之靈敏度調高而仍可避免 定電位儀過載的現象。
由實驗結果得知本定電位儀符合研究 計畫構想，並且在目前成果中已可比其他 學者所得偵測極限低一個數量級，但本研 究因控制程式撰寫因素，電位掃瞄速率只 達 0.24V/sec，未來若能加強控制程式提高 掃瞄速率則可更加發揮本定電位儀之功 能。
本定電位儀未來發展將進一步朝向在 同一溶液中使用雙電極差分電位方式，消 減背景電流訊號以及脈波伏安法之應用。
五、參考文獻
1. Z. X. Deng, X. Q. Lin, J. Electroanal. Chem. 464 (1999) Iss 2, 215)
2 M. B. Gelbert, D. J. Curran, Anal.Chem. 60 (1988) Iss 6, 560)
3 A. Poojary, S. R. Rajagopalan, Proceeding of the Indian Acdamy of Sciences-Chemical Sciences, 97 (1986) Iss3-4, 437)
4 M.A. Hayes, E. W. Kristensen, W. G. Kuhr, Biosensors & Bioelectronics, 13 (1998) 1297
5 T. C. Tang, A. Deng, H.Jung. Huang, Anal. Chem.
74 (2002) 2617
4 圖 1
圖 2
圖 3
圖 4
圖 5
圖 6
圖 7
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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計畫類別：V 個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 90－2113－M－041－003
執行期間：90 年 08 月 01 日 至 91 年 07 月 31 日
計畫主持人：唐自強 嘉南藥理科技大學 藥學系 共同主持人：
計畫參與人員：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：嘉南藥理科技大學 藥學系
中 華 民 國 91 年 10 月 24 日
