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以因子實驗設計分析以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極之反應參數對偵測過氧化氫
的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、林庭立、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。本研究運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，藉以推算葡萄糖之濃度。本研究實施三個因子〔操作電位、攪拌速率及
磷酸鹽緩衝溶液(PBS)之pH值〕及二個水準之因子實驗設計來分析二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極之反應參數對偵測過氧化氫之應答電流的靈敏度之影響，由因子實驗設計的效果值顯示操作電位在-200 mV
之靈敏度高於操作電位在-50 mV之靈敏度，攪拌速率在500 rpm之靈敏度高於攪拌速率在300 rpm之靈敏度，pH = 7.4之靈敏度高於pH = 4.0之靈敏度，再經由SPSS(Statistical Package for the Social Science)統
計分析軟體進行分析，對靈敏度之變異數分析的結果顯示操作電位的主效果檢定（ F = 151.494，顯著性＜0.05 ）、攪拌速率的主效果檢定（ F = 7.288，顯著性＜0.05 ）與pH值之主效果檢定（ F = 94.461，
顯著性＜0.05 ）皆達顯著水準。結果顯示操作電位-200 mV，攪拌速率500 rpm ， pH = 7.4為葡萄糖生醫感測器之最適操作條件。
前言
結果與圖表
（A）
0.000016
(E)
(D)
0.000014
(
Current (A)
0.000012
)
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，會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界監測製程與環境及食品業監測產品之用。 實驗設計法普遍應用於許多
領域，對於科學試驗甚至工業製程改進更是非常重要的工具 ，一般在傳統實驗作法上常會浪費許
多人力、物力、時間及金錢，為更有效、更系統化的進行實驗和數據收集與解析，故採用因子實驗
設計來進行本研究。二環戊二烯亞鐵〔(ferrocene)，Fe(C5H5)2〕，是具有相當於有機芳香族化合物
的多電子性質，本研究即運用其特性來修飾碳糊電極，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，進而欲將此一技術應用於葡萄糖感測器之研究。
0.00001
0.000008
(C)
0.000006
(B)
0.000004
(A)
0.000002
（B）
0
0.000016
0.000014
0.000012
0.00001
(C)
(B)
(A)
0.000008
0.000006
0.000004
0.000002
0
200
300
400
500
B:攪拌速率
C: pH
得知各項因子之影響力大小並決定最適操作條件以
應用於葡萄糖生醫感測器
值
Time(sec)
500
600
靈敏度
7.4
A
B
C
實驗一
實驗二
-50
300
4.0
19.01
41.87
-200
300
4.0
91.00
69.76
-50
500
4.0
45.09
46.97
-200
500
4.0
94.66
75.94
-50
300
7.4
71.84
74.04
-200
300
7.4
128.19
138.35
-50
500
7.4
55.92
74.32
-200
500
7.4
174.77
181.58
表3 以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極偵測過氧化氫之靈敏度之變異數分析結果
結論
1. 操作電位的主效果檢定（F = 151.494，顯著性＜0.05）、攪拌速率的主效果檢定（F = 7.288，
顯 著性＜0.05）與pH值之主效果檢定（F = 94.461，顯著性＜0.05）皆達顯著水準，且操作電位
－pH值的交互作用效果檢定（F = 15.566，顯著性＜0.05）及操作電位－攪拌速率－pH值的交
互作 用效果檢定（F = 8.829，顯著性＜0.05）也達顯著水準。
2. 主效果檢定顯示三個因子對靈敏度的影響力大小為操作電位 ﹥pH值 ﹥攪拌速率，雖然攪拌速
率也達顯著水準但其F值相較之下比操作電位及pH值之F值小了很多，顯示操作電位及pH值之
影響力相當大。
3. 本研究之葡萄糖生醫感測器選擇最適操作條件為 -200 mV，攪拌速率 = 500 rpm，pH= 7.4
4. 過氧化氫偵測極限為0.02 mM H2O2，線性範圍為 0.02~1.2 mM H2O2，R2為0.9998，靈敏度為
161.43 µA/cm2．mM H2O2。
500 rpm
4.0
400
(μA/cm2ּmMH2O2 )
來源
平方和
自由度
平均平方和
F檢定
A
17239.034
1
17239.034
151.494
0.000＊
B
829.296
1
829.296
7.288
0.027 ＊
C
10749.024
1
10749.024
94.461
0.000＊
AB
442.156
1
442.156
3.886
0.084
AC
1771.358
1
1771.358
15.566
0.004＊
BC
68.683
1
68.683
0.604
0.460
ABC
1004.732
1
1004.732
8.829
0.018 ＊
誤差
910.346
8
113.793
顯著性
＊達到顯著水準
（顯著性＜0.05）
30
25
10μL
（
（
應答電流 (μA)
計算效果值及運用SPSS(Statistical Package for
the Social Science)統計分析軟體進行分析
300
實驗參數
-200 mV
300 rpm
200
表2 以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極偵測過
氧化氫之靈 敏度之因子實驗設計的十六個
實驗之實驗結果
高水準
-50 mV
100
圖4:碳糊電極在不同pH值之PBS緩衝溶液中偵測過氧化
氫之應答電流之TB圖，(A) pH = 4 (B) pH = 5 (C) pH = 6
(D) pH = 7.4 (E) pH = 8 [操作電位為-200 mV，通氮除氧
20分鐘，攪拌速率500 rpm， T=30℃，二環戊二烯亞鐵：
碳粉＝3：7，每隔100秒加入同量10μL之100 mM 的過氧
化氫溶液]
表1 因子實驗設計之三個因子和二個水準
A:操作電位
600
(C)
(B)
(A)
0
決定影響過氧化氫之靈敏度及平均應答電流的因子
決定各因子之高低水準
500
(E)
(D)
600
圖3:不同攪拌速率下之碳糊電極偵測過氧化氫的應答電流
之TB圖， (A)100 rpm (B) 200 rpm (C) 300 rpm (D) 400
rpm(E) 500 rpm [操作電位為-200 mV, 在pH = 7.4，5mL含
0.1 M 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秒加入同量10μL
之100 mM的過氧化氫溶液]
低水準
400
0.000016
0.000014
0.000012
0.00001
0.000008
0.000006
0.000004
0.000002
0
Time(sec)
3.工作電極之製備
(1)取內徑 0.05 cm 長度 7 cm 之單芯電線截去兩端 5 cm 長之 PVC 絕緣層(兩端裸露部份之表面積
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
，最後風乾備用。
(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(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
究之碳糊工作電極。
4.實驗流程
300
圖2:不同操作電位下之碳糊電極偵測過氧化氫的應答電流
之TB圖，（A） 0mV (B) -100 mV (C) -150 mV (D) -200
mV (E) -250 mV [在pH = 7.4，5mL含0.1 M KCl 之0.05 M
PBS中，通氮除氧20分鐘，攪拌速率500 rpm，T=30℃，
二環戊二烯亞鐵：碳粉＝3：7，每隔100秒加入同量10μL
之 100 mM 的過氧化氫溶液]
(E)
(D)
100
200
Time(sec)
圖1:經二環戊二烯亞鐵修飾之碳糊電極與未經修飾之碳糊
電極的 CV 圖 [ 於 5 mL，溫度30 ℃，pH = 7.4，含 0.1 M
KCl 之 0.05 M PBS 中，通氮除氧 20 分鐘， (A) 為經二環
戊二烯亞鐵修飾之碳糊電極 (B) 為未經修飾之碳糊電極，
掃描電位範圍為 -0.8 ～ +0.8 V，掃描速率為 50 mV/s，掃
描 20 個區段(10 圈)]
0
100
)
Current (A)
2.實驗藥品
二環戊二烯亞鐵〔Ferrocene(MERCK)〕，過氧化氫〔Hydrogen Peroxide(MERCK)〕，碳
粉〔Graphite Carbon Powder(關東化學藥品)〕，碳漿〔Carbon Paste(景鴻塗料有限公司)〕，氫
氧化鈉〔Sodium Hydroxide(和光純藥工業)〕，鹽酸〔Hydrochloric Acid(MERCK)〕
，環己酮〔Cyclohexanone(片山試藥)〕，磷酸二氫鉀〔Potassium Dihydrogenphosphate (片山試
藥)〕，氯化鉀〔Potassium Chloride(關東化學藥品)〕，95％藥用酒精〔95％ Alcohol(台灣菸酒公
司)〕。
(
Current (A)
實驗方法
1.儀器裝置
使用電化學分析儀(CHI 401A)，以循環伏安法〔Cyclic Voltammetry ( CV )〕 和Time Base
( TB )模式來偵測過氧化氫或葡萄糖之應答電流 ; pH meter (Metrohm 731 型) 量測各溶液之酸鹼
值。循環恆溫槽 (Wisdom BC-2DT,10L) 使恆溫水在反應槽夾層循環控溫 ; 超音波震盪器(DELTA
D200) ;烘箱(DENG YNG) ; 電磁攪拌器(Fargo) ; 10 µL微量吸量管作為試液體積之量取；自製 Ag
/ AgCl 為參考電極，以下實驗數據均相對於此參考電極 ; 圈繞白金絲作輔助電極 ; 單芯銅電線塗
佈碳糊為工作電極，以上述電極成三電極電化學系統。
0
y = 12.995x + 1.8189
R2 = 0.9998
20
15
10
5
0
0
參考文獻
0.5
1
1.5
2
過氧化氫濃度(mM)
）
）
10μL
[1] Clark, L. C., and Lyons, C., Ann NY AcadSci., Vol.102, pp.29-45, 1962.
4μL
1μL
2μL
[2]彭振育、張良謙、李錦厚，”含鈷赤血鹽修飾碳糊電及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年)。
（
[3] Bean, L. S., and Heng, L. Y., Bioelectrochemistry., Vol.65, pp.157-162, 2005.
[4]汪乙生，”以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極應用於電流式葡萄糖感測器與平版式生醫感測器
之
製作及改進”，南台科技大學化學工程研究所碩士論文(2006年)。
[5]蔡君賢，”含鉻黃血鹽修飾碳糊電極之製備及其應用於電流式生醫感測器”，南台科技大學
）
圖5:以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極偵測過氧化氫之偵測
極限的 TB 圖 (攪拌速率為500 rpm，操作電位-200 mV，在
pH = 7.4，5mL含0.1 M KCl 之 0.05 M PBS中，通氮除氧20
分鐘，T=30℃，分別注入1、2、4、10、10 μL之100 mM
過氧化氫溶液)
（
）
圖6:以二環戊二烯亞鐵修飾碳糊電極偵測過氧化氫之線性
範圍的TB 圖(攪拌速率為500 rpm，操作電位-200 mV，在
pH = 7.4，5mL含0.1 M KCl 之 0.05 M PBS中，通氮除氧20
分鐘，T=30℃，分別注入1、2、4、10、10 μL之100 mM
過氧化氫溶液)