臺灣博碩士論文加值系統

過去檢測一氧化氮或蛋白質的方法都過於繁複，昂貴，且不能夠做即時性偵測，本篇論文希望能夠解決這些問題。本論文將分成兩部份：
第一部份是即時性偵測一氧化氮電感測器。本實驗一開始先在氧化物半導體(In2O3)表面上官能化一層探測分子(3,4-Diaminobenzoic acid)，並藉實驗檢測待測物一氧化氮(Nitric Oxide，NO)分子(由S-Nitroso-N-acetylpenicillamine，SNAP釋放)。由實驗結果可觀察到使用In2O3為主動層材料製作兩端元件，當加入NO分子時，電流訊號的改變，此現象可證明3,4-Diaminobenzoic acid確實會與NO分子反應，並藉此成功感測一氧化氮。
第二部份是即時性無須標定化之蛋白質光感測器。本實驗一開始先在多孔性結構ZnO基板的表面上官能化一層探測分子(Biotin)及螢光分子(BPDM-COOH-Zn，ZnC2)，並藉由實驗檢測蛋白質待測物(Avidin)。當加入Avidin後，Biotin與Avidin間的強親和力，兩者會鍵結，猜測其會對螢光分子產生物理性擠壓，並造成光激光譜(photoluminescence，PL)的減弱，藉此能成功感測蛋白質Avidin。

In the past, it is complex and expensive to detect NO and protein. This work develops a real-time and label-free biosensor for nitric oxide (NO) and protein. Two sections will be included：
The first section describes a real-time NO electrical sensor. In2O3 is functionalized with 3,4-Diaminobenzoic acid as chemical probe for detecting NO. S-Nitroso-N-acetylpenicillamine is used as NO donor. The readout current from a two-terminal In2O3 device varies with NO in the environment.
The second section describes a real-time and label-free protein optical sensor. Porous ZnO is functionalized with Biotin and fluorescent molecules (BPDM-COOH-Zn, ZnC2). Since the affinity of Avidin to Biotin is strong, once Avidin binds with Biotin, Avidin will physically compress the fluorescent molecule and results in photoluminescence decrease. The change of photoluminescence provides the Avidin concentration in the environment.

中文摘要……………………………………………………………………………i
英文摘要……………………………………………………………………………ii
誌謝…………………………………………………………………………………iii
目錄…………………………………………………………………………………iv
表目錄………………………………………………………………………………vii
圖目錄………………………………………………………………………………viii
第一部份 即時NO電感測器
第一章 緒論………………………………………………………………………1
1-1 前言…………………………………………………………………………..2
1-2 1998年諾貝爾生理醫學獎：一氧化氮(Nitric Oxide，NO)的新發現…… 3
1-2.1 發現過程與三大實驗…………………………………………………3
1-2.2 NO在體內扮演的生理功效…………………………………………7
1-3 研究動機……………………………………………………………………10
1-4 論文架構……………………………………………………………………10
第二章 理論背景……………………………………………………………11
2-1 ITO透明導電薄膜…………………………………………………………12
2-1.1 歷史的演進………………………………………………………… 12
2-1.2 ITO薄膜的電學特性………………………………………………13
2-1.3 ITO薄膜的製備…………………………………………………….16
2-2 In2O3薄膜 - 氧空缺所造成的效應………………………………………19
第三章 材料介紹與實驗製程、量測………………………………………… 20
3-1 材料介紹…………………………………………………………………….21
3-1.1 主動層材料………………………………………………………… 21
3-1.2 NO probe……………………………………………………………21
3-1.3 NO donor………………………………………………………………22
3-1.4 Phosphate Buffer Solution (PBS) ……………………………………..22
3-2 實驗製程…………………………………………………………………… 24
3-2.1 ITO蝕刻……………………………………………………………….25
3-2.2 兩極元件的製作……………………………………………………… 26
3-2.3 3,4-Diaminobenzoic acid在主動層上產生鍵結…………………… 27
3-2.4 配製SNAP……………………………………………………………. 28
3-3 元件量測……………………………………………………………………....28
第四章 實驗設計與結果………………………………………………………… 29
4-1 確認主動層In2O3是否有官能化上3,4-Diaminobenzoic acid……………....30
4-2 SNAP溶在不同濃度的pH7 PBS下的pH測試…………………………….31
4-3 主動層In2O3官能化3,4-Diaminobenzoic acid後對於NO的偵測………...32
4-4 主動層In2O3未官能化3,4-Diaminobenzoic acid對於NO的偵測………...34
4-5 重複官能化3,4-Diaminobenzoic acid後對於NO的偵測…………………..36
4-6 測試電流走水的雜訊大小值…………………………………………………39
4-7 不同pH值的0.1M PBS對於元件的影響………………………………….. 41
4-8 選擇性測試……………………………………………………………………43
第二部份 無須標定化之即時蛋白質光感測器
第一章 緒論……………………………………………………………………… 45
1-1 前言……………………………………………………………………………46
1-2 研究動機………………………………………………………………………47
1-3 論文架構………………………………………………………………………47
第二章 理論背景………………………………………………………………… 48
2-1 有機高分子的光特性…………………………………………………………49
2-1.1 螢光理論……………………………………………………………… 49
2-1.2 其他影響螢光發光機制……………………………………………… 50
2.1.3 螢光能量的轉移和光致發光PL(Photoluminescence)………………..51
2-2 ZnO薄膜………………………………………………………………………53
2-2.1 ZnO薄膜的特性……………………………………………………… 53
2-2.2 ZnO薄膜的製程……………………………………………………… 54
第三章 材料介紹與實驗製程、量測…………………………………………… 55
3-1 材料介紹……………………………………………………………………… 56
3-1.1 ZnO基板的材料………………………………………………………. 56
3-1.2 SiO2基板的材料………………………………………………………..57
3-1.3 螢光物質 BPDM-COOH-Zn (ZnC2) ……………………………… 57
3-1.4 生物分子………………………………………………………………. 58
3-1.5 Phosphate Buffer Solution (PBS) …………………………………….. 59
3-2 實驗製程……………………………………………………………………….60
3-2.1 ZnO孔洞性結構基板製作……………………………………………..60
3-2.2 官能化Biotin及螢光物質ZnC2於ZnO孔洞性結構基板上…………61
3-2.3 配置Avidin……………………………………………………………. 61
3-3 元件UV、PL量測…………………………………………………………… 62
第四章 實驗設計與結果………………………………………………………… 63
4-1 0.5M ZnO孔洞性結構基板的SEM圖……………………………………….64
4-2 基板上官能化莫耳比1：1的Biotin與ZnC2之UV吸收及PL….…........66
4-3 燒低溫ZnO孔洞結構官能化Biotin及ZnC2後對於Avidin的偵測………. 67
4-4 SiO2孔洞性結構基板的SEM圖. …………………………………………… 68
4-5 燒高溫ZnO孔洞結構官能化Biotin及ZnC2後對於Avidin的偵測….… 71
4-6 燒高溫ZnO孔洞結構僅官能化ZnC2後對於Avidin的偵測…….……… 74
即時NO電感測器與無須標定化之即時蛋白質光感測器-實驗結論…………….76
參考文獻……………………………………………………………………………. 78

[1] http://brc.se.fju.edu.tw/nobelist/199x/p1998.htm
[2] Jong-in Hahm and Charles M. Lieber，Nano lett., vol.4, no.1, 51-54(2004)
[3] Chao Li, Marco Curreli, Henry Lin, Bo Lei, F. N. lshikawa, Ram Datar, Richard J. Cote, Mart E. Thompson, and Chongwu Zhou，JACS, 2005, 127, 12484-12485
[4] C. Zhang, J. C. Cao, X. G. Guo, Feng Liu，Appl.Phys.Lett., 90, 23106(2007)
[5] K. Maehashi, T. Katsura, K. Kerman, Y. Takamura, K. Matsumoto and E. Tamiya，Anal.Chem., 79, 782(2007)
[6] Y.-B. Zhang, M. Kanungo,A. J. Ho, P. Freimuth, D. van der Lelie, M. Chen, S. M. Khamis, S. S. Datta, A. T. C. Johnson, J. A. Misewich and S. S. Wong，Nano Lett., 2007, 3086
[7] Fernando Patolsky, Gengfeng Zheng, Oliver Hayden, Melike Lakadamyali, Xiaowei Zhuang, and Charles M. Lieber，PNAS, vol.101, 14017-14022(2004)
[8] 洪文進,許登貴,萬明安,郭書瑋,蘇昭瑾，CHEMISTRY(THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI)September. 2005 Vol. 63, No.3, pp.409-418
[9] Beata Gasowska, Pawel Kafarski, Hubert Wojtasek , Biochimica et Biophysica Acta, 1673(2004), 170-177
[10] Cark L.C. and Lyons C., 1962, "Electrode Systems for Continuous Monitoring in Cardiovascular Surgery"，Ann.NY.Acad.Sci., vol.102, p29-45
[11] D. G. Baik and S. M. Cho, “Application of sol-gel films for ZnO/n-Si junction solar cells”，Thin Solid films, 354(1999), 227-231
[12] Tommy Cahyadi, Johnson Kasim, Huei Shuan Tan, Shripad R. Kulkarni,
Beng S. Ong, Yiliang Wu, Zhi-Kuan Chen, Chee Mang Ng, Ze-Xiang Shen,
and Subodh G. Mhaisalkar，Adv. Funct. Mater., 2009, 19, 378-385