電流式尿酸生物感測器之製備及測試｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	趙辰濤 Chen-tao Chao
論文名稱：	電流式尿酸生物感測器之製備及測試 Fabrication And Test of an Amperometric Uric Acid Biosensor
指導教授：	李嘉平 Chia-pyng Lee
口試委員:	郭俞麟 Yu-lin Kuo 李振綱 Cheng-kang Lee
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：	120
中文關鍵詞：	尿酸、生物感測器、自組裝單分子層
外文關鍵詞：	uric acid, biosensor, SAM
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上一筆

由於一般傳統的尿酸分析方法檢測步驟繁複，所耗費的時間較長，又需要專業的人士進行判讀。因此近年朝向方便、快速和容易分析的趨勢來設計，其中具有高選擇性及高靈敏度的尿酸酶最常被運用。將尿酸酶固定於為電化學基礎的化學感測器上，可發展出電化學式尿酸生物感測器。
本研究運用微影製程中的舉離製程配合上濺鍍技術與網印技術成功製備出微小化電化學三極式感測試片，之後運用電沉積法將奈米金顆粒沉積在裸金電極表面上，達到增加表面積的目的，接著運用TA單分子層與EDC/NHS活化改質技術，成功將尿酸酶(Uricase)固定在工作電極表面上，製備出尿酸酶修飾電極。
電極表面上的尿酸酶將與工作溶液中的尿酸進行生化反應，反應也同時改變工作溶液中電子媒介物(Ferricyanide)的價數，之後電子媒介物與電極進行反應產生氧化電流，可間接定量出樣品溶液中的尿酸濃度。
本研究可以製備出感測線性範圍為0.05 mM到0.5 mM 尿酸，靈敏度為37.73 μA/cm2/mM，R = 0.99991，平均變異係數(average coefficient of variation) =3.68% 的尿酸感測器。

Biosensor has been considered as a kind of major method for clinic and environmental measurement due to the great sensitivity and selectivity of the utility Enzyme. An amperometric uric acid biosensor based on gold electrode was successfully developed in this research.
A three-electrode strip was fabricated using thin films technique and lift-off technique to pattern the electrodes. The Ti layer and the gold layer were deposited by sputtering on the glass substrate. After that, the reference electrode and insulation layer which were used to define electrode area were deposited using thick film technique and then gold nanoparticles were deposited on the working electrode by electroplating technique. No sooner, a thioctic acid monolayer was formed by SAMs technique and the functional group of TA monolayer was activated by EDC/NHS. Eventually, Uricase was successfully immobilized on modifying the working electrode area.
The range of Uric acid concentration with a good linear relation was between 0.05 to 0.5 mM. The regression coefficient of R = 0.99991, the sensitivity of the Uric acid biosensor was 37.73 μA/cm2/mM, and the average coefficient of variation was 3.68%. The interference effect from ascorbic acid (0.17mM) was observed during the interference tests. Finally, the same biosensor was observed a great stability in the first 10 days during the stability experiment.

摘要……………………………………………………………………….I
Abstract…………………………………………………………………..II
致謝……………………………………………………………………..III
目錄……………………………………………………………………..IV
圖索引…………………………………………………………………..IX
表索引………………………………………………………………...XIII
第一章、緒論……………………………………………………….…..1
1-1、前言………………………………………………………………….1
1-2、傳統尿酸分析技術………………………………………………….2
1-3、文獻回顧………………………………………………………….…4
1-4、研究動機與目的……………………………………………………7
第二章、理論基礎…………………………………………………….9
2-1、感測器簡介………………………………………………………….9
2-2、化學感測器………………………………………………….……..10
2-3、生物感測器………………………………………………….……..11
  2-3-1、生物感測器之基本結構與原理………………………….…..11
  2-3-2、生物感測器種類………………………...……………………12
    2-3-2-1、依據固定化生物分子分類……….………………….…..12
    2-3-2-2、依據固定化的生物分子與待測生物樣本的結合方式…16
    2-3-2-3、依據訊號換能器分類…………………………………....16
  2-3-3、電化學式生物感測器………………………………………...19
2-4、尿酸代謝及其病理………………………….……………………..21
  2-4-1、尿酸簡介…………………………..………………………….21
  2-4-2、尿酸的來源與代謝…………………………….……………..22
  2-4-3、尿酸於人體內的正常值……………………………….……..24
  2-4-4、尿酸引發的疾病………………………………..…………….25
    2-4-4-1、痛風………………………………………………………26
2-5、酵素簡介………………………………….……………….……….27
  2-5-1、酵素特性………………………………………………..…….27
  2-5-2、酵素單位…………………………...…………………………27
  2-5-3、酵素的分類…………………………………….……………..27
  2-5-4、酵素專一性反應……………………………………………...29
2-6、酵素修飾電極……………………………………………………..30
  2-6-1、何謂酵素修飾電極……………………………….…………..30
  2-6-2、電化學式生物感測器電極製作技術簡介……….…………..30
  2-6-3、奈米微粒……………………………………………………...35
  2-6-4、自組裝單分子層膜( Self-assembled monolayers (SAMs))….38
  2-6-5、生物分子固定化技術………………………………….……..44
第三章、實驗方法……………………………………………………49
3-1、實驗設備………………….………………………………………..49
  3-1-1、無塵室設備………….………………………………………..49
  3-1-2、製膜設備……………………………………………………...50
    3-1-2-1、薄膜製程設備……………………………………………50
    3-1-2-2、厚膜製程設備……………………………………………51
3-2、實驗材料、藥品與分析儀器……………………………………..,52
  3-2-1、實驗材料……………………………………………………..,52
  3-2-2、實驗藥品…………….………………………………………..53
  3-2-3、分析儀器……………………….……………………………..54
3-3、實驗程序…………………………………………………………...55
3-4、平面電極製作……………………………………………………..56
  3-4-1、光罩設計…………………………………………………...…56
  3-4-2、網版設計……………………………………………………...57
  3-4-3、電化學式尿酸生物感測器的製備流程……………………...58
  3-4-4、Lift-off製程流程……….………………………...…………..59
  3-4-5、網印銀電極…………………………………………………...62
  3-4-6、網印絕緣層……………………….…………………………..63
3-5、奈米金修飾電極與參考電極製作………………………………...64
  3-5-1、參考電極製作………………………………………………...64
  3-5-2、奈米金修飾電極……………………………………………...64
    3-5-2-1、鍍液的製備………………………………………………64
    3-5-2-2、奈米金顆粒沉積…………………………………………64
3-6、尿酸酶修飾電極製作……………………………………………...66
  3-6-1、自組裝單分子層修飾………………………………………...66
  3-6-2、TA單分子層表面官能基活化……………………………….67
  3-6-3、固定化Uricase…………………….………………………….68
3-7、樣品配製…………………………………………………………...69
  3-7-1、尿酸標準樣品溶液配製……………………………………...69
  3-7-2、干擾樣品溶液配製…………………………………………...69
  3-7-3、Ferricyanide電解質溶液配製………………………………..69
3-8、電化學分析裝置…………………………………………………...70
第四章、結果與討論………………………………………...………71
4-1、平面電極上各電極層的SEM分析………………………………..71
4-2、奈米金修飾電極的電化學性質分析……………………………...73
  4-2-1、循環伏安法分析……………………………………………...73
  4-2-2、掃描速率效應………………………………………………...75
4-3、各修飾層電極的電化學性質分析………………………………...77
  4-3-1、自組裝單分子層修飾電極的電化學性質分析……………...77
    4-3-1-1、循環伏安法分析…………………………………………77
    4-3-1-2、掃描速率效應……………………………………………78
  4-3-2、NHS/TA/nanogold修飾電極的電化學性質分析……………80
    4-3-2-1、循環伏安法分析…………………………………………80
    4-3-2-2、掃描速率效應……………………………………………81
  4-3-3、酵素修飾電極電化學性質分析……………………………...83
    4-3-3-1、循環伏安分析……………………………………………83
    4-3-3-2、掃描速率效應……………………………………………84
4-4、尿酸生物感測器電化學性能分析………………………………..85
  4-4-1、電極表面反應機制…………………………………………...85
  4-4-2、循環伏安分析………………………………………………...86
  4-4-3、最適施加電位………………………………………………...88
  4-4-4、電子媒介物添加量的探討…………………………………...91
  4-4-5、尿酸酶固定量的探討…………………………………..…….93
  4-4-6、不同濃度尿酸溶液的感測……………………….…………..95
  4-4-7、尿酸酶修飾電極的再現性……….…………………………..97
  4-4-8、干擾測試探討……………………………………….………100
  4-4-9、尿酸酶修飾電極的穩定性探討………….…………………102
第五章、結論………………………………………………...………103
參考文獻……………………………………………………………..105

                                

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