利用四氟化碳電漿處理指叉狀電極並應用於葡萄糖生物感測器

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研究生：	劉建宏 Chien-hung Liu
論文名稱：	利用四氟化碳電漿處理指叉狀電極並應用於葡萄糖生物感測器 Investigation of CF4 Plasma Modified Interdigital Transducers (IDT) and Its Application On Glucose Biosensor
指導教授：	王孟菊 Meng-jiy Wang
口試委員:	魏大欽 Ta-chin Wei 徐振哲 Cheng-che Hsu 何明樺 Ming-hua Ho
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 化學工程系 Department of Chemical Engineering
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	83
中文關鍵詞：	電漿、生物感測器、指叉狀電極
外文關鍵詞：	plasma, biosensor, interdigital transducer
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本研究主要目的是利用指叉狀電極作為電化學葡萄糖生物感測器。感測器的電極製作是利用半導體元件中微影製程技術，並以光阻舉離(lift off)程序，製備間距為7 m的指叉狀電極。電極材料的選擇方面，由於金電極具備良好的催化速率，及有效降低反應過電位之特性。因此，本研究中選用金電極做為葡萄糖生物感測器之電極材料。
在電極的製備最適化方面，為了使電極不受破壞，在電極表面鍍上SiO2薄膜以保護電極。並於實驗中以加入電子傳遞介質以降低反應過電位。同時，為了提升反應電流，利用四氟化碳電漿，處理指叉狀電極表面。四氟化碳電漿處理電極的主要功能為: (1)增加電極表面粗糙度，提高反應液滴與電極之接觸面積；(2)蝕刻掉部份的SiO2保護層，使金薄膜層部分裸露，以增加電極之導電性。由於電漿處理可成功增加電流反應，本研究同時探討不同電漿處理時間，對電極表面及感測器靈敏度之影響，進一步的找出最佳的實驗參數。並利用表面分析方法，探討經四氟化碳電漿處理後之指叉狀電極，包括利用X-射線光電子能譜儀、原子力顯微鏡(AFM)、及接觸角(Contact angle)量測分析等，進一步了解電極表面元素、型態及親疏水性之變化，並解釋四氟化碳電漿處理與感測器靈敏度之關係。
在感測器的干擾測試上，因為電子傳遞介質的加入，降低了反應過電位並有效避開其他干擾物質之影響。在人體血液測試方面，自製葡萄糖生物感測器其準確性與市售Johnson & Johnson血糖測試片相近。

The goal of this research is to use high-density interdigital transducer (IDT) as electrochemical electrodes to develop a novel glucose biosensor. The fabrication of the IDT electrode was achieved by using lithography, photoresist, lift-off and surface coating procedures to create IDT electrode with 7μm electrode spacing.
This work demonstrated that the incorporation of electron mediator (ferricyanide) can reduce the overpotential in the electrochemistry. On the other hand, due to IDT electrode covered by SiO2 film, the conductivity of electrode is reduced, and the current response is also decreased. In this study, CF4 plasma is used to treat the electrode surface in order to enhance the current response, and the important fetures of CF4 plasma treatment include: (1) to increase the roughness of electrode surface; (2) to etch a part of the SiO2 protective layer and, to (3) expose Au metal layer in order to increase the current response.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscope (AFM), and the water contact angle measurements are conducted to investigate the effect of CF4 plasma treatments. Moreover, the interference tests facilitated by using uric acid and ascorbic acid, as well as using human blood demonstrated the IDT based electrodes function linearly with glucose concentration and with high accuracy.

【摘要】            I
Abstract           II
【誌謝】          III
【圖目錄】	VII
【表目錄】	X
第一章、緒論	1
1-1、前言	1
1-2 研究目標	2
第二章 文獻回顧	4
2-1 感測器簡介	4
2-1-1感測器基本原理:	4
2-2化學感測器簡介	6
2-3生物感測器之簡介	6
2-3-1生物感測器的種類	7
2-3-2訊號轉換器之種類	9
2-4 酵素簡介	12
2-4-1 酵素特色	12
2-4-2 酵素單位	12
2-4-3 酵素的分類	12
2-4-4 酵素之專一性	13
2-4-5 酵素之固定方法	14
2-5 酵素型生物感測器簡介	18
2-5-1 電化學電子傳遞介質	20
2-6 表面聲波元件(SAW)簡介	22
2-6-1表面聲波定義	22
2-6-2表面聲波元件(SAW)之應用	23
2-6-3表面聲波感測器之原理	25
2-6-4表面聲波元件之薄膜技術(Thin film technology)	26
2-7 電漿技術	29
2-7-1電漿之定義	29
2-7-2電漿的產生	29
2-7-3電漿與聚合物的相互影響	31
2-7-4電漿蝕刻	32
2-7-5二氧化矽蝕刻反應	33
第三章: 研究方法與儀器原理	35
3-1 研究目的	35
3-2 實驗設備	35
3-3 試藥	38
3-4 實驗材料	38
3-5 儀器與設備	39
3-6 溶液的配製	39
3-6-1 PBS緩衝溶液之製備	39
3-6-2 CBS 緩衝溶液之製備	39
3-6-3 Glucose 溶液之配製	39
3-6-4 Glucose oxidase 溶液之配製	40
3-7 指叉狀電極製作	40
3-8 儀器原理	42
3-8-1循環伏安法(Cyclic Voltammetry)	42
3-8-2原子力顯微鏡(AFM)	45
3-8-3  X-射線光電子能譜儀	45
3-8-4接觸角量測(Contact Angle)	48
第四章 結果與討論	49
四-(1). 探討製備指叉狀電極的最佳參數	49
4-1 指叉狀電極之製備:	49
4-2 探討電極厚度對過氧化氫(H2O2)直接催化之影響:	50
4-3 探討不同電極材料對過氧化氫(H2O2)直接催化之影響:	51
4-4 探討指叉狀電極間距為7 μm時的電流反應:	52
4-5 探討利用二氧化矽(SiO2)薄膜保護指叉狀電極之電化學反應:	53
4-6 探討利用電子傳遞介質於電化學循環伏安法量測之影響	55
4-7 利用電子傳遞介質於葡萄糖感測之循環伏安法分析	56
4-8 探討四氟化碳電漿處理指叉狀電極表面之影響	58
四-(2). 探討表面處理對於指叉狀電極的影響	58
4-9 探討電漿處理時間對反應電流之影響	59
4-10  X-射線光電子能譜儀(XPS) 光譜分析	60
4-11 電極表面型態分析(原子力顯微鏡，AFM)	61
4-12 接觸角量測(Water contact angle)	63
4-13 葡萄糖氧化酵素負載量之影響	64
4-14 葡萄糖生物感測器之最適電位	65
4-15 干擾測試	69
4-16 自製葡萄糖生物感測器與市售血糖感測器之檢量線比較	71
4-17 自製葡萄糖生物感測器用於人體血液之測試情況	72
4-18 穩定性測試	75
第五章 結論與建議	76
5-1 結論	76
5-2 建議	78
第六章 參考文獻	79

                                

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全文公開日期 2014/07/29 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

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