Construction of a Graphene Quantum Dots Fluorescence Sensor for Photoluminescence Detection of Acetaminophen

本研究利用石墨烯量子點(GQDs)成功地發展出一個新穎、簡便及高效能的螢光式感測器偵測乙醯胺酚。在這個系統中，酪氨酸酶(tyrosinase)則扮演了非常重要的角色，其催化能力可以使溶液中的乙醯胺酚進行氧化反應；產生N-acetyl-p-benzoquinoneimine (NAPQI)，而此芳香性分子和石墨烯量子點之間會因為π重疊(π–π stacking interaction)產生作用力而堆疊在一起。根據螢光共振能量轉移理論(Förster resonance energy transfer, fluorescence resonance energy transfer)，在此系統中當NAPQI和石墨烯量子點堆疊時，電子經由材料中的缺陷進行復合而不發光，此現象為非輻射復合(Non-radiative recombination)，這就是使石墨烯量子點失去螢光的原因；利用淬滅(quench)的現象可以靈敏地偵測溶液中乙醯胺酚的量。以此石墨烯量子點螢光感測器進行偵測，可以得到很高的靈敏度，乙醯胺酚濃度在0.2μM ─ 5μM範圍內，成現良好的線性關係，偵測極限為0.157μM。最後針對市售藥品之乙醯胺酚含量作偵測，發現偵測值與商標值接近，表示此螢光感測器能有效的應用於市售樣品之測量。In this paper, a graphene quantum dots (GQDs) fluorescence sensing system was developed. A novel, effective and simple fluorescent sensing platform for ultrasensitive detection of acetaminophen (APAP) by using graphene quantum dots as a photoluminescence indicator. In the presence of tyrosinase, its catalytic activity can catalyze the oxidation of acetaminophen to produce n-acetyl-p-benzoquinoneimine (NAPQI). The fluorescent GQDs can specifically bind n-acetyl-p-benzoquinoneimine (NAPQI) by the π–π stacking interaction between GQDs and aromatic rings. Due to fluorescence resonance energy transfer (FRET), fluorescence resonance energy transfer from GQDs donor to NAPQI spices acceptor through non-radiative recombination, which can efficiently quench grapheme quantum dots'' photoluminescence. The linear response range of APAP was obtained from 0.2 μM to 5 μM. The detection limit was as low as 0.157μM. Finally, the proposed sensing system was successfully applied to assay APAP in real samples with satisfactory results.摘要 i Abstract ii 圖目錄 v 表目錄 x 第1章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 分析物簡介及文獻探討 2 1.2.1 乙醯胺酚 2 1.2.2 文獻回顧 4 1.3 石墨烯量子點 12 1.3.1 石墨烯量子點性質 12 1.3.2 石墨烯量子點製備 14 1.4 酵素 23 1.4.1 酵素的簡介 23 1.4.2 辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase) 24 1.4.3 酪胺酸酶(tyrosinae) 26 1.5 化學感測器 28 1.5.1 超分子化學 28 1.5.2 分子辨識與化學感測器 28 1.5.3 分子之間的結合力與表面修飾 30 1.5.4 化學感測器 32 1.6 螢光感測器 34 1.6.1 螢光感測器的簡介 34 1.6.2 螢光的光物理機制 34 第2章 實驗方法和步驟 44 2.1 實驗藥品 44 2.2 實驗儀器 45 2.3 實驗步驟 46 2.3.1 合成石墨烯量子點 46 2.3.2 製作螢光感測器 46 第3章 結果與討論 48 3.1 石墨烯量子點之鑑定 48 3.1.1 紫外光/可見光吸收光譜(UV/Vis)及螢光光譜(PL) 48 3.1.2 石墨烯量子點之大小及表面形貌 49 3.1.3 石墨烯量子點之量子產率(quantum yield) 52 3.2 探討石墨烯量子點之淬滅效應(Quenching effect) 53 3.2.1 金屬離子對石墨烯量子點之淬滅效應 54 3.2.2 有機分子對石墨烯量子點之淬滅效應 55 3.2.3 有機分子對石墨烯量子點之淬滅效應探討 58 3.2.4 以分子軌域觀點探討分子間作用力 59 3.3 以石墨烯量子點製備螢光感測器偵測穀胱甘肽 60 3.3.1 螢光感測器偵測穀胱甘肽之討論 60 3.3.2 淬滅劑(PL quencher)最佳化 61 3.3.3 螢光感測器偵測穀胱甘肽之線性範圍 63 3.3.4 螢光感測器偵測穀胱甘肽之實用性檢討 64 3.4 結合酵素與石墨烯量子點製備螢光感測器之探討 65 3.5 結合酵素與石墨烯量子點製備螢光感測器偵測乙醯胺酚 68 3.5.1 石墨烯量子點偵測乙醯胺酚之探討 68 3.5.2 乙醯胺酚化學感測器之校正曲線 80 3.5.3 干擾物影響之探討 82 3.5.4 真實樣品之測試 83 第4章 結論與未來展望 86 4.1 結論 86 4.2 未來展望 88 第5章 參考文獻 8