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以因子實驗設計分析以含銅赤血鹽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
蕭佳政、林庭立、林浩
南台科技大學化學工程與材料工程系
摘要
由於現今之食品工業，偶爾會添加過氧化氫作為防腐劑，所以能快速且方便使用的過氧化氫感測器為重要的研究主題。而簡便快速之葡萄糖生醫感測器也為重要之研究主題。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。本研究運用共沉法製備含銅赤血鹽粉體，[含銅赤血鹽：碳粉=3：7(重量比)]，並運用含銅赤血鹽來修飾碳糊電極，藉以提升催化還原過氧化氫之應答電流。本研究實
施三個因子[(A)操作電位 (B)攪拌速率 (C)磷酸鹽緩衝溶液(PBS)之pH值]及兩個水準之因子實驗設計來分析以含銅赤血鹽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。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 =27.691，顯著性＜0.05）與pH值之主效果檢定（F = 23.857 ，顯著性＜0.05）達顯著水準，結果顯示操作電位-200mV，攪拌速率500rpm ，pH=7.4為葡萄糖生醫感測器之最適操
作條件。
前言：
現今黑心食品充斥市面，過量過氧化氫殘留，食入可能發生對人體的傷害，所以能快速且方便使
用的過氧化氫感測器為重要的研究主題。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也成為重要之研究主題。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。本研究運用共沉法製備含銅赤血鹽粉體，並運用含銅赤血鹽來修飾
碳糊電極， [含銅赤血鹽：碳粉=3：7(重量比)]，由於含銅赤血鹽本身具有強催化性能與具有導電性能
的碳粉及碳漿製作成碳糊電極(Carbon Paste Electrode)，藉以提升催化還原過氧化氫之應答電流。本研
究實施三個因子[(A)操作電位 (B)攪拌速率 (C)磷酸鹽緩衝溶液(PBS)之pH值]及兩個水準之因子實驗設
計來分析以含銅赤血鹽修飾碳糊電極之反應參數對偵測過氧化氫的靈敏度之影響，並藉由SPSS統計
分析軟體實施變異數分析。
表二 以含銅赤血鹽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
表ㄧ 因子實驗設計之三個因子和二個水準
A：操作電位，B：攪拌速率，C：pH值
低水準
A:操作電位
-50 mV
B:攪拌速率
A：操作電位，B：攪拌速率，C：pH值
高水準
-200 mV
300 rpm
500 rpm
實驗步驟：
C: pH
含銅赤血鹽之製備:
3(CuSO4·5H2O)+2(K3[Fe(CN)6])
值
4.0
7.4
A
B
C
實驗一
實驗二
-50
300
4.0
124.14
140.32
-200
300
4.0
128.85
126.97
-50
500
4.0
124.77
144.83
-200
500
4.0
130.21
137.88
-50
300
7.4
55.74
72.38
-200
300
7.4
151.46
122.77
-50
500
7.4
69.29
73.05
-200
500
7.4
143.06
125.20
Cu3[Fe(CN)6]2+3K2SO4+15H2O
0.09 M之硫酸銅水溶液50mL
表三 以含銅赤血鹽修飾碳糊電極偵測過氧化氫之
靈敏度之因子實驗設計的效果值
離心去除水相
靈敏度之效果值(μA/cm2ּmMH2O2 )
來源
0.06 M之赤血鹽水溶液
50mL
重覆數次
乾燥後，即得含銅
赤血鹽粉體
以超純水洗滌
A
32.735
B
3.208
C
將含銅赤血鹽與碳粉以適當比例 (重量比) 均勻混合，比例為 3:7，再與碳漿以 1:1(重量比)，以環己酮調節
適當黏稠度，均勻塗佈在電線裸露端後置於烘箱乾燥24小時(60 ℃)，即得以含銅赤血鹽修飾之碳糊電極。
來源
平方和
自由度
平均平方和
F檢定
顯著性
A
3446.688
1
3446.688
27.691
0.001*
B
0.118
1
0.118
0.001
0.976
C
2969.487
1
2969.487
23.857
0.001*
AB
12.219
1
12.219
0.098
0.762
AC
4068.271
1
4068.271
32.685
0.000*
81.921
1
81.921
0.658
0.441
0.000
0.995
-30.628
AB
工作電極之製備：
表四 以含銅赤血鹽修飾碳糊電極偵測過氧化氫之靈
敏度之變異數分析結果
-1.633
AC
35.273
BC
BC
-1.145
ABC
0.004761
1
0.004761
ABC
-3.415
誤差
995.752
8
124.469
結果與圖表：
32μL
y = 11.354x + 10.545
應 答 電 流 (μA)
(A)
(B)
25
y = 14.21x + 7.02
R2 = 0.9984
20
y = 11.001x + 4.521
R2 = 0.9987
y = 8.4686x + 3.3957
R2 = 0.9981
15
y = 6.6129x + 2.1486
R2 = 0.9994
10
(A)
50
40
(B)
(C)
30
20
R2 = 0.9982
2.8mM
(A)
y = 9.7893x + 2.4709
R2 = 0.9945
y = 4.6943x + 0.3636
R2 = 0.9993
10
0
16μL
(E)
y = 2.41x + 2.0833
R2 = 0.9893
5
(C)
應答電流 (μA)
60
0
1
2
3
4
過氧化氫濃度(mM)
5
6
2.6mM
(B)
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
8μL
1.4
過氧化氫濃度(mM)
(D)
(C)
1μL
2μL
4μL
(C)
(B)
2.4mM
(C)
(A)
(B)
(A)
圖一: 經含銅赤血鹽修飾與未經修飾的碳糊電極之CV
圖 [於5 mL 含 0.1 M KCl 之0.05 M PBS 中， pH
= 7.4 (A) 為含銅赤血鹽修飾(均質機攪拌)之碳糊
電極 (B)為含銅赤血鹽修飾(磁石攪拌)之碳糊電
極 (C)為未經修飾之碳糊電極，掃描速率為50
mV/s，掃描20個區段（10圈）]
圗五:以含銅赤血鹽修飾碳糊電極偵測過氧化氫之偵測 圖六: 以含銅赤血鹽修飾碳糊電極偵測過氧化氫之線性
圖二:不同操作電位下之碳糊電極偵測過氧化氫之應答
極限之 TB 圖 (A) pH=4.0 (B) pH=7.4 (C)純碳糊，
範圍之 TB 圖(A) pH=4.0 (B)pH=7.4(C)純碳糊，
電流之TB圖 (A)0mV(B)-50mV(C)-100mV(D)
5mL含0.1 M KCl 之 0.05 M PBS中，攪拌速率為
在5mL含0.1 M KCl 之 0.05 M PBS中，攪拌速率
-200mV(E) -300mV [在pH = 7.4，5mL含0.1 M KCl
500 rpm，操作電位-200 mV，通氮除氧15分鐘，
為500 rpm，操作電位-200 mV，通氮除氧15分鐘，
之0.05 M PBS中，通氮除氧15分鐘，攪拌速率500
T=30℃，分別注入1、2、4、8、16、32 μL之100
T=30℃，每次注入10 μL之100 mM H2O2 )
rpm，T=30℃，含銅赤血鹽：碳粉＝3：7，每隔
mM H2O2 )
100秒加入同量10μL之 100 mM 的過氧化氫溶液]
y = 12.246x + 5.8638
R2 = 0.9986
y = 11.866x + 5.5871
R2 = 0.9973
(C) y = 11.298x + 5.7251
R2 = 0.9909
(D) y = 11.001x + 4.521
R2 = 0.9987
(A)
25
應答電流 (μA)
20
(E) y = 11.014x + 8.2095
應答電流 (μA)
R2 = 0.9997
20
(E) (D) y = 11.001x + 4.521
R2 = 0.9987
(D) (C)
y = 10.257x + 3.7581
(C)
R2 = 0.9979
(B)
(B) y = 10.007x + 3.1881
(A)
15
10
(A)
(B)
(C)
(D)
15
10
(E)
(B)
(E)
5
y = 6.4514x + 1.6943
R2 = 0.9989
2
R = 0.9986
(A)
5
y = 6.94x + 3.3467
R2 = 0.9993
0
0
(E)
0
0.5
1
(A)
(B)
(C)
(D)
1.5
過 氧 化 氫 濃 度 (mM)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
過氧化氫濃度(mM)
(D)
(C)
(B)
(A)
(E)
A：操作電位，B：攪拌速率，C：pH值
圖三:不同攪拌速率下之碳糊電極偵測過氧化氫之應答 圖四: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 = 4.0 (B) pH = 5.0 (C) pH= 6.0
電流之TB圖 (A) 200 rpm (B) 300 rpm (C) 400rpm
(D) pH= 7.4 (E) pH= 8.0 [操作電位為-200 mV,通氮
(D) 500 rpm (E) 600 rpm [操作電位為-200 mV, 在
除氧15分鐘，攪拌速率500 rpm， T=30℃，含銅
pH = 7.4，5mL含0.1 M KCl 之 0.05 M PBS中，通
赤血鹽：碳粉＝3：7，每隔100秒加入同量10μL
氮除氧15分鐘， T=30℃，含銅赤血鹽：碳粉＝3：
之100 mM 的過氧化氫溶液]
7，每隔100秒加入同量10μL之100 mM的過氧化
氫溶液]
結論：
對靈敏度之變異數分析結果顯示操作電位的主效果檢定（F =27.691，顯著性＜0.05）與pH
值之主效果檢定（F =23.857，顯著性＜0.05）及操作電位－pH值的交互作用效果檢定（F
=32.685，顯著性＜0.05）皆達顯著水準。以操作電位-200mV，攪拌速率500rpm，以0.05mM磷
酸鹽緩衝溶液(pH=4.0)偵測過氧化氫之應答電流，可得偵測極限為0.02 mM ，線性範圍為
0.02~2.8 mM H2O2，靈敏度為141.04μA/cm2ּmM H2O2。以操作電位-200mV，攪拌速率500rpm，
以0.05mM磷酸鹽緩衝溶液(pH=7.4)偵測過氧化氫之應答電流，可得偵測極限為0.02 mM H2O2，
線性範圍為0.02~2.6 mM H2O2，靈敏度為121.606 μA/cm2ּmM H2O2。將它用來發展過氧化氫感
測器進而應用於葡萄糖生醫感測器之製備，將具有相當大之潛力。
參考文獻：
[1] Douglas C. Montgometry, “ Design and Analysis of Experiments(5th), ”pp.170–287, 2006.
[2] 張邵勳、張邵評、林秀娟編著，”SPSS for Windows 統計分析－初等統計與高等統計（下冊）”，文魁資訊股
份
有限公司出版，2004。
[3] S. Singh , A. Chaubey , B. D. Malhotra , “Amperometric cholesterol biosensor based on immobilized cholesterol
esterase and cholesterol oxidase on conducting polypyrrole films,” Anal. Chim. Acta, 502, 229, 2004.