以二环戊二烯亚铁修饰碳糊电极对侦测葡萄糖感测器之灵

以二环戊二烯亚铁修饰碳糊电极对侦测葡萄糖感测器之灵 以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極對偵測葡萄糖感測器之靈敏度的研究 汪乙生、林庭立、林浩 南台科技大學化學工程與材料工程系 摘要--近年來,糖尿病已成為國人十大死亡原因之一,所以簡便快速之葡萄糖生醫感測器為重要之研究主題。葡萄糖藉由葡萄糖氧化酵素的催化,將葡萄糖氧化成葡萄糖酸並將氧還原成過氧化氫。由於二環戊二烯亞鐵具有導電性及催化性,故可藉以提升過氧化氫之應答電流。因此本研究以二環戊二烯亞鐵 (ferrocene) 修飾之碳糊電極為工作電極,在磷酸鹽緩衝溶液中偵測過氧化氫之應答電流,藉以推算過氧化氫之濃度。在30 ?,-200mV 之操作電位,0.05 M 磷酸鹽緩衝溶液,以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極 (二環戊二烯亞鐵:碳粉 = 3:7 ) 可得過氧化氫之偵測 2 極限為0.01 mM HO,線性範圍為0.01,0.5 mM HO,R值為0.993,靈敏度為 260.6 μ2222 2A/cm?mM HO。結果顯示經二環戊二烯亞鐵修飾之碳糊電極之應答電流有明顯提升。得以上22 結果進一步將葡萄糖氧化酵素塗佈於電極 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面,再以 Nafion 加以固定來測試本電極感測葡萄糖之性能。葡萄糖感測器之偵測極限為 0.06 mM CHO,線性範圍為 0.06,2.0 mM CHO,612661262 2R值為0.992,靈敏度為 83.1 μA/cm?mM CHO。 6126 關鍵字,二環戊二烯亞鐵、碳糊電極、過氧化氫、葡萄糖生醫感測器 專一辨識之特性,因此,生醫感測器可精準、一、前言 靈敏地定量特定之待檢物,而經常被應用於醫生醫感測器,biosensor,乃由生物辨識元 療診斷、環境監控、食品檢驗及工業製程監控,biorecognizing element,與電子信號傳感器 等方面。一個理想的生醫感測器之設計目標為,transducer,所組合而成。由於生物辨識元具 擁有較佳的靈敏度,sensitivity,、專一性應槽夾層循環控溫;超音波震盪器(DELTA ,specificity,、再現性,reproducibility,及可D200);烘箱(DENG YNG);電磁攪拌器(Fargo);靠性,reliability,。此外,為了達到隨時檢測自製 Ag / AgCl 為參考電極,以下實驗數據均的目的,將生醫感測器微型化已成現今之發展相對於此參考電極;圈繞白金絲作輔助電極;單目標。葡萄糖和氧氣,藉由葡萄糖氧化酵素的芯銅電線塗佈修飾碳糊為工作電極,以上述電催化,可產生葡萄糖酸和過氧化氫,利用電子極成三電極電化學系統。 傳媒,在還原電位下將過氧化氫還原,產生電2.2 藥品 流訊號,即可得知過氧化氫之濃度,進而推算H)Fe (MERCK),Hydrogen Ferrocene (C552 葡萄糖之濃度。本研究以二環戊二烯亞鐵 Peroxide : HO,35, (MERCK),Glucose 22 Oxidase : GOD (EC 1.1.3.4 from Aspergillus (ferrocene) 為電子傳媒來修飾碳糊做為工作 Niger Type X-S )(Sigma),Graphite Carbon 電極,運用上述原理固定葡萄糖氧化酵素後在 Powder : 碳粉 (關東化學藥品),Ink : 印刷油磷酸鹽緩衝溶液中偵測葡萄糖溶液之應答電 墨 (景鴻塗料有限公司),Sodium Hydroxide : 流,完成葡萄糖感測器之研究。 NaOH (片山試藥),Hydrochloric Acid : 二、實驗部份 HCl(aq) (片山試藥),Cyclohexanone : CHO 6102.1 儀器 (日本小島化學),Nafion (Fluka),Potassium 使用電化學分析儀 (BAS 100W),以循環 Dihydrogenphosphate : KHPO(林純藥工業株24 伏安法 Cyclic Voltammetry ( CV ) 和Time 式會社), Potassium Chloride : KCl (關東化學Base ( TB 模式 ) 來測定電極活性; pH meter 藥品),以上藥品均為分析級 (Metrohm 731 型) 量測各溶液之酸鹼值。循環 2.3 實驗步驟 恆溫槽 (Wisdom BC-2DT 10L) 使恆溫水在反 (1) 電極製作方式 取內徑 0.5 mm 長度 7 cm 之單芯銅電運用TB模式來測試感測器之偵測極限、線性線截去兩端 5 mm 長之 PVC 絕緣層(兩端裸範圍以及其靈敏度。 2露部份之表面積 0.0805 cm),再將電線裸露(3) 葡萄糖工作電極的製作 部份以洗劑與超純水沖洗數次,並以超音波震以步驟(1)之最適條件(二環戊二烯亞鐵與盪去除電極表面雜質,最後置於 40 ? 烘箱碳粉比例 3:7)來製作電極,電極表面的碳糊乾中乾燥備用。將油墨、二環戊二烯亞鐵與碳粉燥之後,將配製完成的葡萄糖氧化酵素溶液 以適當比例 (重量比) 均勻混合,( 以環己酮2μL (以 3 mg 葡萄糖氧化酵素溶於 500 μL 調勻),將上述摻合完成之碳糊均勻塗佈於電磷酸鹽緩衝溶液中)均勻塗佈於乾燥的電極表線裸露部份表面之一端,經乾燥後即為本研究面上,待葡萄糖氧化酵素溶液乾燥後再將 1% 之工作碳糊電極。 Nafion 酒精溶液 5μL 均勻塗佈於含有葡萄(2) 電極對過氧化氫的偵測 糖氧化酵素的電極表面,乾燥之後即為葡萄糖 首先以循環伏安法來測試電極,我們可得感測電極,以上皆在室溫下進行。 到氧化還原之 CV 圖,用以判斷最佳的偵測(4) 電極對葡萄糖的偵測 電位並藉不同電位的反覆掃描活化電極,再從採用最佳操作電位以TB模式對步驟(3)之氧化還原峰附近選定最佳的操作電位,用最佳葡萄糖碳糊電極進行偵測,在 pH =7.4,5 mL 操作電位以 Time Base (TB模式) 對不同摻混之 0.05 M PBS中加入 100 mM 葡萄糖溶液比例的碳糊電極作偵測,在pH =7.4,5 mL 之 觀察紀錄電極之電流應答與偵測極限、線性範0.05 M 磷酸鹽緩衝溶液(PBS), 500 rpm下加圍以及其靈敏度。 入10 μL,50 mM 過氧化氫,判斷哪一個摻混三、結果與討論 比例有較佳之電流應答,最後以最適摻混比例3.1 偵測電位之探討 以循環伏安法對二環戊二烯亞鐵與碳粉rpm,每次注入 10 μL 之 50 mM HO。發)22 掺混比例 3:7 之碳糊電極進行掃描 ( 見圖現油墨、二環戊二烯亞鐵粉末及碳粉之重量比1 ),pH = 7.4,5 mL 含 0.1 M 氯化鉀之 0.05 為 1 : 0.3 : 0.7的碳糊電極的應答電流較佳,M PBS,掃描電位範圍為 -0.8,+0.8 V vs Ag / 因此往後皆以此比例製作工作電極。 AgCl,掃描速率為 50 mV/s,由圖發現還原峰3.3 過氧化氫偵測極限、線性範圍與靈 大約在 -0.3 V 左右,而最佳還原電位約敏度之測定和探討 在 –200mV處,且為了減小溶液中氧氣的干擾以掺混比例最佳的碳糊電極,操作電和避免身體體液中干擾物 (抗壞血酸、尿酸等) 位 –200m V,pH =7.4,5 mL 之0.05 M 除過的影響,所以選擇 -200mV還原電位來進行操氧的PBS,分別注入1、2、4、10 μL 之 50 mM作。圖1中 (A) 為修飾過的電極 (B) 為未修過氧化氫,得到偵測極限為 0.01 mM HO(見22 圖3)。以上述條件,每次注入 10 μL 之 50 mM飾的碳糊電極之循環伏安圖,比較後可知二環 過氧化氫,得到線性範圍為 0.01,0.5 mM 戊二烯亞鐵具有提升催化電流及降低還原電 2位由 -0.5 V降為 -0.3 V 之功效。 HO,R值為 0.993,靈敏度 260.6 μ22 23.2 二環戊二烯亞鐵與碳粉掺混比例之探討 A/cm?mM HO(見圖4)。 22 圖2為分別以油墨、二環戊二烯亞鐵粉末3.4 葡萄糖感測電極之應答電流、偵測極限、 及碳粉之重量比為 (A) 1 : 0.3 : 0.7 (B) 2: 0.3 : 線性範圍與靈敏度的討論 0.7 (C) 3 : 0.3 : 0.7 之碳糊電極對催化過氧化操作電位 –200m V,pH =7.4,5 mL 0.05 氫之應答電流之 TB 圖( 操作電位 -200 M PBS,攪拌速率 500 rpm,以掺混比例最適mV,於 5 mL,溫度30 ?,pH = 7.4 之 0.05 的葡萄糖電極,分別注入3、6、12、20 μL 之M PBS中,通氮除氧 30 分鐘,攪拌速率 500 100 mM 葡萄糖溶液得偵測極限為 0.06 mM Peroxidase Electrode,” Analytica Chimica CHO(見圖5),上述條件下每次注入 20 μL 6126Acta, 318, 83 (1995). Nagata, R., S. A. Clark, K. Yokoyama , E. [3]之 100 mM 葡萄糖溶液得線性範圍為 0.06,Tamiya and K. Isao, “Amperometric Glucose Biosensor Manufactured by a 2 2.0 mM CHO,R值為0.992,靈敏度為 83.1 6126Printing Technique” Analytica Chimica Acta, 304, 157(1995). 2μA/cm?mM CHO (見圖6)。 6126[4] Uang, Y.-M., and T.-C. Chou T, “Fabrication of Glucose Oxidase/Polypyrrole Biosensor by Galvanostatic Method in Various pH 四、結論 Aqueous Solutions,” Biosensors and Bioelectronics, 19, 141(2003). 我們在碳糊電極的製作中加入二環戊二[5] Singh, S., A. Chaubey, and B. D. Malhotra, “Amperometric Cholesterol Biosensor Based 烯亞鐵修飾後,電流應答明顯增加,油墨、二on Immobilized Cholesterol Esterase and Cholesterol Oxidase on Conducting 環戊二烯亞鐵粉末及碳粉之重量比為 1 : 0.3 : Polypyrrole Films,” Analytica Chimica Acta, 502, 229 (2004). 0.7時有較佳之電流應答,偵測極限為 0.01 mM HO,線性範圍為 0.01,0.5 mM 22 (A) 2 HO ,R值為0.993,靈敏度為 260.6μ22 2A/cm?mM HO,葡萄糖感測器之偵測極限為 22(B) 0.06 mM CHO,線性範圍為 0.06,2.0 mM 6126 2 CHO,R值為0.992,靈敏度為 83.1 6126 圖1 、 (A)經二環戊二烯亞鐵修飾之碳糊電極 2μA/cm?mM CHO。 6126 (B) 未經修飾之碳糊電極的 CV 圖 Fig 1. CV graphs for (A) carbon paste electrode 五、參考文獻 modified with ferrocene (B) unmodified carbon paste electrode [1]Clark, L. C., and C. Lyons, “Electrode System for Continuous Monitoring in Cardiovascular Surgery, ” Ann NY Acad Sc, 102, 29 (1962). [2]Charpentier, L., and N. El Murr, “Amperometric Determination of Cholesterol in Serum with Use of a Renewable Surface 圖 2、分別以油墨、二環戊二烯亞鐵粉末及碳圖 4、(A) 二環戊二烯亞鐵與碳粉掺混比例 粉之重量比為 (A) 1 : 0.3 : 0.7 (B) 2 : 0.3 : 0.7 3:7 之碳糊電極與 (B) 未經修飾的碳 (C) 3 : 0.3 : 0.7 之碳糊電極對偵測過氧化氫之糊電極對偵測過氧化氫之線性範圍的 TB 圖 Fig 4. The linear range of TB graphs for TB 圖 Fig 2. The TB graphs of carbon paste electrodes for detection of HO; the weight ratios for ink : 22 ferrocene : carbon powders are (A) 1 : 0.3 : 0.7 (B) 2: 0.3 : 0.7 (C) 3 : 0.3 : 0.7 O for (A) carbon paste electrode detection of H22 with ferrocene : carbon powders = 3 : 7 (B) unmodified carbon paste electrode 圖5、以葡萄糖電極分別注入3、6、12、20 μL 之 100 mM 葡萄糖溶液所得之TB圖 圖3、(A) 二環戊二烯亞鐵與碳粉掺混比例為 Fig 5. The TB graphs for glucose electrode ; 3:7 之碳糊電極與 (B) 未經修飾的碳糊電極3μL、6μL、12μL and 20 μL of 100 mM glucose solution were injected respectively 對偵測過氧化氫之偵測極限的 TB圖 Fig 3. The detection limit of TB graphs for detection of HO for(A) carbon paste electrode 22 with ferrocene : carbon powders = 3 : 7 (B) unmodified carbon paste electrode 圖6、以葡萄糖電極每次注入 20 μL 之 100 mM 葡萄糖溶液所得之TB圖 Fig 6. The TB graphs for glucose electrode ; 20 μL of 100 mM glucose solution was injected each time