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研究生:黎偉傑
研究生(外文):Wai-Kit Lai
論文名稱:以分子模板技術修飾之鋯鈦酸鉛表面聲波生物感測器應用在Human IgG之探討
論文名稱(外文):Application of molecularly imprinted polymer modified Lead Zirconium Titanate Surface Acoustic Wave biosensors to detection of Human IgG
指導教授:盧信冲
指導教授(外文):H. C. Lu
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:化工與材料工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文出版年:2012
畢業學年度:100
論文頁數:140
中文關鍵詞:生物感測器鋯鈦酸鉛表面聲波元件分子模板人類免疫球蛋白G
外文關鍵詞:BiosensorPZTSAWMIPHuman IgG
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本研究之目的是利用水熱法搭配溶膠-凝膠法製備鋯鈦酸鉛(PZT)壓電厚膜,並配合半導體製程製備PZT表面聲波(SAW)元件,再以分子拓印製備具高辨識性之生物感測器,並應用於Human IgG偵測上。
由研究結果顯示,以水熱法製備之PZT奈米結晶性配製之鍍膜液,在Pt/Ti/SiO2/Si基板上鍍膜並經600℃退火1小時之熱處理,可得最佳電性之PZT壓電厚膜(在 1 KHz的測試條件下,εr = 6031;Pr = 47.84 μC/ cm2;d33 = 4777 pC/ N;d31 = -2181 pC/ N) 。而以此條件在相同基板上製備PZT表面聲波(SAW)元件,並在表面鍍上一層SiO2作為保護後,其中心頻率為229.671 ± 1.485 MHz,插入損失為-10.39 ± 0.39 dB。將Human IgG與高分子在PZT SAW元件表面進行鍵結,形成具有辨識Human IgG之孔洞之分子模板PZT SAW感測器,並利用網路分析儀偵測表面聲波元件之中心頻率變化來進行感測。研究結果顯示以0.05 mg/ ml Human IgG溶液吸附2小時,所製備分子模板有最佳壓印係數8.94,其移除率達84.74 %,且再吸附率達61.65 %,而以此分子模板SAW感測器在進行Human IgG時,發現隨Human IgG濃度增加,頻率下降的越多,而元件的中心頻率改變約為133 Hz/ng。

The objective of this research is to explore the utilization of the lead zirconium titanate (PZT) surface acoustic wave (SAW) biosensors fabricated by modifying the PZT thick film SAW devices made by nano-powder sol-gel method with the molecularly imprinted polymer (MIP) technology to the detection of Human IgG.
PZT thick films with the best electrical properties (εr=6031, Pr=47.84 μC/ cm2, d33=4777 pC/ N, d31=-2180 pC/ N at 1 kHz) were prepared on Pt/Ti/SiO2/Si substrates after annealing the coatings from the hydrothermally synthesized nano-slurry at 600 °C for 1 hour. The central frequency and the insertion loss of the prepared PZT SAW devices with protective SiO2 coating were 229.671 MHz and -10.39 dB. By imprinting polymer with 0.05 mg/ml Human IgG solution for 2 hours on the SAW device surface, MIP PZT SAW biosensors capable of detecting Human IgG were made with imprinting factor, removing efficiency, and rebinding efficiency being 8.94, 84.74 %, and 61.65 %. When connected to a network analyzer, the central frequencies of the MIP PZT SAW biosensors were found to decrease with the increase in the Human IgG concentration with an average change of 133 Hz/ng.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
長庚大學授權書
致謝 ......................iv
中文摘要 ................. v
英文摘要 ..................vi
目錄 ..................vii
圖目錄 ..................xii
表目錄 ..............xvii
第一章 緒論: - 1 -
1.1前言: - 1 -
1.2研究動機: - 3 -
第二章 文獻回顧 - 5 -
2. 1 生物感測器 - 5 -
2. 1. 1生物感測器之簡介 - 5 -
2. 1. 2 生物感測器之分類 - 7 -
2. 2表面聲波元件 - 11 -
2. 2. 1 表面聲波 - 12 -
2. 2. 2 指叉狀電極 - 15 -
2. 2. 3 表面聲波元件材料 - 19 -
2. 3 PZT晶體結構與性質 - 22 -
2. 4 PZT之製程: - 25 -
2. 5 溶膠-凝膠法 - 26 -
2. 6 水熱法 - 26 -
2. 6. 1水熱法之優缺點 - 28 -
2. 7水熱參數對PZT影響: - 29 -
2. 7. 1前驅液濃度的影響: - 29 -
2. 7. 2 礦化劑對PZT晶體的影響: - 29 -
2. 7. 3水熱合成時間的影響: - 30 -
2. 7. 4水熱溫度的影響: - 30 -
2. 8 表面聲波元件在生物感測上的應用 - 31 -
2. 9 分子模板 - 36 -
2. 9. 1 分子模版之原理 - 36 -
2. 9. 2 分子模版對目標分子之辨識因素 - 38 -
2. 10 人類免疫球蛋白 - 39 -
2. 11 研究目的 - 41 -
第三章 實驗方法 - 42 -
3. 1 實驗藥品與器材 - 43 -
3. 2 水熱法製備PZT 粉體 - 45 -
3. 3 製備PZT鍍膜液 - 47 -
3. 3. 1 製備PZT sol-gel前驅溶液 - 47 -
3. 3. 2 製備PZT泥漿鍍膜液 - 48 -
3. 4 PZT壓電膜之製備 - 49 -
3. 4. 1基板選擇與清潔 - 49 -
3. 4. 2 旋轉製膜(Spin Coating) - 50 -
3. 4. 3 熱處理 - 52 -
3. 5 表面聲波(SAW)元件之製備 - 53 -
3. 5. 1 電極設計及光罩製作 - 53 -
3. 5. 2 IDT電極製作 - 54 -
3. 6 性質分析 - 56 -
3. 6. 1 分析儀器 - 56 -
3. 6. 2 PZT粉末性質分析 - 57 -
3. 6. 3 PZT厚膜性質分析 - 57 -
3. 6. 4表面聲波元件性質量測 - 60 -
3. 7 表面聲波生物感測之應用 - 62 -
3. 8 生物感測流程 - 63 -
3. 9 緩衝溶液之配置 - 64 -
3. 10 分子模版之製備 - 65 -
3. 10. 1製備分子模版之前處理 - 65 -
3. 10. 2 製備分子模板流程 - 66 -
3. 10. 3 製備Human IgG分子模板 - 67 -
3. 10. 4 Human IgG分子模板目標物移除流程 - 67 -
3. 10. 5 Human IgG分子模板目標物再吸附流程 - 68 -
3. 11酵素免疫分析法 - 68 -
3. 12 網路分析儀檢測生物感測流程 - 69 -
第四章 結果與討論 - 70 -
4. 1 反應溫度對PZT粉體之影響 - 71 -
4. 2 反應持溫時間對PZT粉體之影響 - 73 -
4. 3 不同起始濃度對PZT粉體之影響 - 75 -
4. 4 不同礦化劑濃度對PZT粉體之影響 - 77 -
4. 5 不同升溫速率對PZT粉體之影響 - 80 -
4. 6 製備PZT壓電厚膜之探討 - 81 -
4. 6. 1 不同硬烤時間對PZT壓電厚膜性質之探討 - 81 -
4. 6. 2 不同硬烤溫度對PZT壓電厚膜性質之探討 - 85 -
4. 6. 3 不同Sol-gel濃度對PZT厚膜表面性質之探討 - 90 -
4. 7 表面聲波元件製備及性質分析 - 91 -
4. 7. 1 濕式蝕刻法製備表面聲波元件 - 92 -
4. 7. 2表面聲波元件性質分析 - 93 -
4. 7. 3表面聲波元件指叉狀電極之保護 - 94 -
4. 8 人類免疫球蛋白G之定量 - 96 -
4. 8. 1 人類免疫球蛋白G之抗體用量決定 - 96 -
4. 8. 2 人類免疫球蛋白G於溶液中之校正曲線 - 97 -
4. 9 人類免疫球蛋白G分子模版之特性分析 - 98 -
4. 9. 1 Human IgG分子模版AFM表面影像頻估 - 98 -
4. 9. 2 不同Human IgG濃度吸附於分子模板之特性測試 - 103 -
4. 10 網路分析儀檢測分子模版表面聲波元件 - 105 -
第五章 結論 - 114 -
未來展望 - 116 -
參考文獻 - 117 -


圖目錄

Figure 2. 1 生物感測器裝置圖[1] - 6 -
Figure 2. 2 生物感測器分類 - 7 -
Figure 2. 3 生物感測器依訊號產生方式分類 - 9 -
Figure 2. 4 感測器偵測範圍比較[5] - 11 -
Figure 2. 5 表面聲波元件示意圖 - 12 -
Figure 2. 6 粒子的運動方式[6] - 13 -
Figure 2. 7表面波之傳遞模式(A)剪波(B)壓縮波[6] - 13 -
Figure 2. 8壓縮波與剪波組合而成的表面聲波:(A)感測器表面 - 14 -
Figure 2. 9 IDT電極結構之簡圖 - 15 -
Figure 2. 10 鈣鈦礦結構[14] - 22 -
Figure 2. 11 各項結構之關係(a) 鈣鈦礦相, (b) 缺陷型螢石結構, (c) 缺陷型焦綠石結構 [14]. - 23 -
Figure 2. 12 PbZrO3-PbTiO3之相圖[15] - 24 -
Figure 2. 13 水熱裝置 (a)外觀圖 (b)內部裝置圖 - 27 -
Figure 2.14 中心頻率響應在加入待測物前(top)及加入待測物後 - 33 -
Figure 2.15 通入不同濃度氫氣之頻率響應.[31] - 34 -
Figure 2. 16 不同濃度氫氣與頻率改變量之變化曲線.[31] - 34 -
Figure 2. 17 不同DMMP濃度吸附與中心頻率變化之關係圖[32] - 35 -
Figure 2. 18 不同指叉狀電極線寬對於吸附DMMP中心頻率變化之關 - 35 -
Figure 2. 19 分子模板主要原理示意圖[35]。 - 37 -
Figure 2. 20免疫球蛋白簡單結構示意圖[37] - 40 -
Figure 3. 1 製備PZT粉體之流程圖 - 46 -
Figure 3. 2的製備PZT鍍膜液之流程圖 - 48 -
Figure 3. 3 旋鍍法(Spin coating)示意圖 - 51 -
Figure 3. 4晶片表面示意圖 - 51 -
Figure 3. 5 光罩設計圖 - 53 -
Figure 3. 6 IDT電極鍍製流程[2] - 55 -
Figure 3. 7 100 mesh之銅網 - 58 -
Figure 3. 8 薄膜電容元件截面圖 - 58 -
Figure 3. 9 SAW濾波器的量測系統[2] - 60 -
Figure 3. 10 SAW元件之設計及製備流程 - 62 -
Figure 3. 11 生物感測之製作程序 - 63 -
Figure 3. 12 酵素免疫分析流程圖 - 69 -
Figure 4. 1 不同反應溫度持溫2hr之XRD繞射圖譜 - 72 -
Figure 4. 2 不同反應溫度所製備PZT粉體其粒徑分布圖 - 72 -
Figure 4. 3不同持溫時間之XRD繞射圖譜 - 74 -
Figure 4. 4不同反應時間所製備PZT粉體其粒徑分布圖 - 74 -
Figure 4. 5不同起始濃度進行水熱反應之XRD繞射圖譜 - 76 -
Figure 4. 6不同礦化劑濃度進行水熱反應之XRD繞射圖譜 - 78 -
Figure 4. 7不同礦化劑添加量所製備PZT粉體之粒徑分布範圍 - 79 -
Figure 4. 8 不同升溫速率進行水熱反應之XRD繞射圖譜 - 80 -
Figure 4. 9 在500 ℃持溫時間為1 ~ 4 hr之XRD繞射圖譜 - 82 -
Figure 4. 10在500 ℃以不同持溫時間之介電常數變化圖 - 83 -
Figure 4. 11 在500 ℃以不同持溫時間之遲滯曲線(P-E)圖 - 83 -
Figure 4. 12在500 ℃以不同持溫時間之壓電係數d33變化圖 - 84 -
Figure 4. 13在500 ℃以不同持溫時間之壓電係數d31變化圖 - 84 -
Figure 4. 14不同硬烤溫度持溫1 hr之XRD繞射圖譜 - 86 -
Figure 4. 15不同硬烤溫度持溫1 hr之介電常數變化圖 - 87 -
Figure 4. 16 不同硬烤溫度持溫1 hr之遲滯曲線(P-E)圖。 - 87 -
Figure 4. 17不同硬烤溫度持溫1 hr之壓電係數d33變化圖 - 88 -
Figure 4. 18不同硬烤溫度持溫1 hr之壓電係數d31變化圖 - 88 -
Figure 4. 19 不同Sol-gel濃度(A) 0.1 M;(B) 0.2 M撘配泥漿所製備出的PZT壓電厚膜之SEM表面型態圖;(C) 0.1 M;(D) 0.2 M為側面SEM型態圖。 - 90 -
Figure 4. 20 濕式蝕刻後試片SEM表面型態圖 - 92 -
Figure 4. 21 表面聲波元件之頻譜分析圖 - 93 -
Figure 4. 22 表面聲波元件以二氧化矽保護後之頻譜分析圖 - 95 -
Figure 4. 23 Human IgG之抗體使用濃度 - 96 -
Figure 4. 24 人類免疫球蛋白G之校正曲線 - 97 -
Figure 4. 25 未移除Human IgG分子之AFM表面型態圖 - 99 -
Figure 4. 26 移除Human IgG分子後之AFM表面型態圖 - 100 -
Figure 4. 27 再吸附人類免疫球蛋白G後之AFM表面型態圖 - 101 -
Figure 4. 28 不含人類免疫球蛋白模板之AFM表面型態圖 - 102 -
Figure 4. 29 表面聲波感測元件-01:(A)表面聲波元件、(B)鍍上SiO2後、(C)含未移除Human IgG之分子模板、(D)含移除Human IgG後之分子模板、(E)以2.0 μg/ ml Human IgG偵測之向量網路分析圖。 - 107 -
Figure 4. 30表面聲波感測元件-02:(A)表面聲波元件、(B)鍍上SiO2後、(C)含未移除Human IgG之分子模板、(D)含移除Human IgG後之分子模板、(E)以1.0 μg/ ml Human IgG偵測之向量網路分析圖。 - 108 -
Figure 4. 31表面聲波感測元件-03:(A)表面聲波元件、(B)鍍上SiO2後、(C)含未移除Human IgG之分子模板、(D)含移除Human IgG後之分子模板、(E)以0.5 μg/ ml Human IgG偵測之向量網路分析圖。 - 109 -
Figure 4. 32表面聲波感測元件-04:(A)表面聲波元件、(B)鍍上SiO2後、(C)含未移除Human IgG之分子模板、(D)含移除Human IgG後之分子模板、(E)以0.25 μg/ ml Human IgG偵測之向量網路分析圖。 - 110 -
Figure 4. 33表面聲波感測元件-05:(A)表面聲波元件、(B)鍍上SiO2後、(C)不含Human IgG之分子模板(NIP)、(D)含移除後之分子模板、(E)以2.0 μg/ ml Human IgG偵測之向量網路分析圖。 - 111 -
Figure 4. 34 不同再吸附濃度對元件頻率改變之變化圖 - 113 -
Figure 4. 35 頻率變化量與吸附質量之關係圖 - 113 -


表目錄

Table 2. 1電極設計參數表 - 16 -
Table 2. 2 常用壓電材料相關設計參數表及應用[11] - 21 -
Table 2. 3 製程方法比較 - 25 -
Table 2. 4鋯鈦酸鉛厚膜壓介電特性比較 - 32 -
Table 2. 5表面聲波感測元件特性 - 32 -
Table 3. 1實驗藥品 - 43 -
Table 3. 2實驗器材 - 45 -
Table 3. 3 IDT電極之設計參數 - 53 -
Table 3. 4 性質檢測用儀器 - 56 -
Table 4. 1 不同水熱溫度持溫2 hr所量測之粒徑分布範圍表。 - 73 -
Table 4. 2 不同水熱溫度持溫2 hr所量測之粒徑分布範圍表。 - 75 -
Table 4. 3 不同起始濃度的半高寬與晶粒整理表 - 76 -
Table 4. 4 礦化劑添加對合成粉體之半高寬與平均晶粒大小 - 78 -
Table 4. 5 不同礦化劑添加量製備PZT粉體之粒徑分布範圍表 - 79 -
Table 4. 6不同升溫速率對水熱合成粉體之平均晶粒大小 - 81 -
Table 4. 7在500 ℃以不同硬烤時間之PZT厚膜電性整理表 - 85 -
Table 4. 8不同硬烤溫度持溫1 hr之PZT厚膜電性整理表 - 89 -
Table 4. 9 IDT設計之參數表 - 91 -
Table 4. 10 表面聲波元件性質整理 - 94 -
Table 4. 11 表面聲波元件以二氧化矽保護後之性質整理 - 95 -
Table 4. 12分子模版的特性測試 - 104 -
Table 4. 13 向量網路分析儀吸附不同濃度蛋白之頻率變化整理 - 112 -

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