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以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極之反應參數對電流式過氧化氫感測器之應答電流之影響及其應用於葡萄糖生醫感測器之研究
郭寶財、胡真熏、林浩
南台科技大學化學工程與材料工程系
摘要
葡萄糖生醫感測器為一重要之研究主題，葡萄糖藉由葡萄糖氧化酵素的催化，可產生葡萄糖酸和過氧化氫。本研究利用二環戊二烯亞鐵來修飾碳糊電極，二環戊二烯亞鐵本身具有強催化性能，與具有導
電性能的碳粉製作成碳糊電極，藉以提升過氧化氫之應答電流，在磷酸鹽緩衝溶液中偵測過氧化氫之應答電流，計算過氧化氫之濃度，可藉以推算葡萄糖之濃度。在30℃，操作電位為 -200 mV，攪拌速率為
500 rpm，以0.05M 磷酸鹽緩衝溶液偵測過氧化氫之應答電流，可得靈敏度為177.28 μA/cm2 ∙ mM H2O2，而在操作電位為 -200 mV，攪拌速率為300 rpm 的靈敏度為115.35 μA/cm2 ∙mM H2O2 ；當操作電位為
0 mV ，攪拌速率為500 rpm 時的靈敏度為 115.9 μA/cm2 ∙mM H2O2。顯示在操作電位為 -200 mV 時，攪拌速率為500 rpm 比攪拌速率為300 rpm之靈敏度有明顯提升，而在攪拌速率為500 rpm 時，操作電位
為 -200 mV 之靈敏度亦比操作電位為 0 mV 之靈敏度有明顯提升。
前言
結果與圖表
過氧化氫 (H2O2) 是一種強氧化劑，具有消毒、殺菌、漂白等功能，在工業、食品及醫療領域廣
泛使用，而殘留的過氧化氫，有害人體健康，引起大眾對食品安全的疑慮及不信任，所以過氧化氫
感測器可供工業與食品業監測環境與產品之用。
(A)
(
)
本研究以二環戊二烯亞鐵 (ferrocene) 為電子傳媒來修飾碳糊做為工作電極，在磷酸鹽緩衝溶液
中偵測 H2O2 之應答電流，藉以推算過氧化氫之濃度，進而將此一技術應用於葡萄糖感測器之研究。
(B)
( )
圖一葡萄糖酵素電極之偵測原理
利用電極表面於固定之還原電位下釋出電
子，將電子傳媒(mediator)變成還原態;再藉
由電子傳媒之還原態釋出電子催化還原H2O2
成H2O，而電子傳媒將由還原態變成氧化態;
利用所得之電流訊號之大小，即可計算出過
氧化氫的含量，並進而推算葡萄糖含量。
1.儀器裝置與藥品
本研究利用三電極裝置（參考電極為Ag/AgCl；輔助電極為圈繞Pt絲；自製之碳糊工作電極作為工作
電極），連接至電化學分析儀（BAS-100W）繪製循環伏安圖與偵測電流應答。所用的藥品有
Ferrocene (C5H5)2Fe (MERCK)，Hydrogen Peroxide : H2O2 , 35％ (MERCK)，Graphite Powder : 碳
粉 (關東化學藥品)，Carbon Paste : 碳漿 (景鴻塗料有限公司)，Sodium Hydroxide : NaOH (片山試
藥)，Hydrochloric Acid : HCl(aq) (片山試藥)，Cyclohexanone : C6H10O (日本小島化學)，Potassium
Dihydrogenphosphate : KH2PO4 (林純藥工業株式會社)，Potassium Chloride : KCl (關東化學藥品)，
以上藥品均為分析級。
圖二於 5 mL 含 0.1 M KCl 之 0.05 M PBS
中 , pH = 7.4 , (A) 經二環戊二烯亞鐵
修飾之碳糊電極 (B)未經修飾之碳糊
電極的CV圖 , 掃描電位範圍為 -0.8～
+0.8 V﹙vs Ag/AgCl﹚,掃描速率為 50
mV/s
35
30
25
20
15
10
5
0
(B)
(
)
2.工作電極之製備
(A)
(1)取內徑 0.5 mm 長度 7 cm 之單芯電線截去兩端 5 mm 長之 PVC 絕緣層(兩端裸露部份之表面積
Current(μA)
實驗方法
0.0805 cm2)，再將電線裸露部份以洗劑與超純水沖洗數次，並以超音波震盪去除電極表面雜質
(
0.5 cm
300rpm
y = 9.2857x + 13.257
500rpm
2
R = 0.9993
0.2
線性
(500rpm)
0.4
0.6
0.8
過氧化氫濃度(mM)
1
1.2
)
圖三操作電位 -200 m V﹙vs Ag/AgCl﹚下之碳楜
電極偵測過氧化氫之應答電流的TB圖(A)300
rpm(B)500rpm〔在pH 7.4 ，5 mL含0.1M
KCl 之0.05 M PBS 中，通氮除氧20分鐘，
T=30℃，二環戊二烯亞鐵：碳粉＝ 3：7 ，
每隔100秒注入同量10 μL之100 mM過氧化
氫溶液〕
0.05 cm
R2 = 0.9994
0
，最後風乾備用。
7 cm
y = 13.771x + 19.081
圖四操作電位-200mV ﹙vs Ag/AgCl﹚於
300rpm與500rpm之攪拌速率偵測過
氧化氫之應答電流的檢量線圖
35
(B)
(2)二環戊二烯亞鐵與碳粉以適當比例 (重量比) 均勻混合，最適比例為 3:7，再與碳漿以 1:1 摻合均勻
25
)
20
工作電極。
(A)
Current(μA)
(
(以環己酮調勻)將上述摻合完成之碳糊均勻塗佈於電線裸露部份表面，經乾燥後即為本研究之碳糊
30
y = 13.771x + 19.081
R2 = 0.9994
0mV
-200mV
15
y = 9.3471x + 1.5081
R2 = 0.9991
10
5
線性
(0mV)
線性 (200mV)
0
0
(
0.4
)
0.6
0.8
1
1.2
過氧化氫濃度(mM)
圖五攪拌速率 500 rpm 下之碳楜電極偵測過氧化
氫之應答電流的TB圖(A)0 mV(B)-200mV ﹙vs
Ag/AgCl﹚〔在pH 7.4 ，5 mL含0.1M KCl 之
0.05 M PBS 中，通氮除氧20分鐘，T=30℃，
二環戊二烯亞鐵：碳粉＝ 3：7 ，每隔100秒注
入同量10 μL之 100 mM過氧化氫溶液〕
二環戊二烯亞鐵
0.2
圖六攪拌速率500rpm 於-200mV 與0 mV
﹙vs Ag/AgCl﹚之攪拌速率偵測過氧
化氫之應答電流的檢量線圖
表一不同操作條件之靈敏度比較表
與等量碳漿混合
碳粉
結論
操作電位(mV)
攪拌速率(rpm)
300
靈敏度
μA/cm2‧mM H2O2
60.28
0
0.9999
0
500
115.9
0.9991
-200
300
115.35
0.9993
-200
500
177.28
0.9994
R2
參考文獻
[1] S.-M.Chen, Journal of Electroanalytical Chemistry ,Vol.521 (2002) , pp.29 – 52.
本研究選用二環戊二烯亞鐵作為電子傳媒來修飾碳糊電極，由實驗結果顯示二環戊二烯亞
鐵具有增強催化還原過氧化氫之能力及偵測過氧化氫有不錯之靈敏度，因此用二環戊二烯亞鐵
修飾碳糊電極應用於電流式過氧化氫感測器與葡萄糖生醫感測器將為一具優勢及潛力之重要研
究，數據顯示在操作電位為-200 mV 時，攪拌速率為500 rpm 比攪拌速率為300 rpm之靈敏度有
明顯提升，而在攪拌速率為500 rpm 時，操作電位為 -200 mV 之靈敏度亦比操作電位為 0 mV
之靈敏度有明顯提升。未來將本研究運用於電流式葡萄糖生醫感測器或其他生醫感測器之製備。
[2] Zhang, C.; Haruyama, T.; Kobatake, E.; Aizawa, M., “Disposable electrochemical capillary-fill
device for glucose sensing incorporating a water-soluble enzyme/mediator layer,” Anal. Chim.
Acta, 442, 257, 2001.
[3] 楊穎枚、李錦厚、林浩、張良謙，中國化學會高雄分會九十二年度年會特刊， pp.32-38
(2003)。
[4] 彭振育、張良謙、林浩、李錦厚，”含鈷赤血鹽修飾碳糊電極應用於電流式感測器”，中國
材料科學學會2003年年會暨國科會研究成果發表會，2003。
DEPARTMENT OF CHEMICAL ENGINEERING, SOUTHERN TAIWAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY