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研究生: 黃若昀
Huang, Ruo-Yun
論文名稱: 組裝量子點於交流電場下螢光生命週期的表現及其對FRET分子檢測的影響
Fluorescence Lifetime Responses of Quantum-Dot Assembly in AC Electric Fields and Its Impacts on Quantum-Dot-Based FRET Probing
指導教授: 魏憲鴻
Wei, Hsien-Hung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 215
中文關鍵詞: 組裝量子點交流電場作用螢光共振能量轉移(FRET)螢光生命週期分子檢測
外文關鍵詞: Quantum Dot, Fluorescence Resonance Energy Transfer, Fluorescence lifetime, AC Electro-kinetics
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  • 本論文的研究緣起是為了解決以交流電場主動组裝量子點(QDs)粒子並用以增益FRET檢測所沿申之議題。先前我們實驗室的研究發現,於微電極上已組裝或聚集的QDs螢光發光訊號會隨交流電場來回開/關有所響應,而FRET亦會表現出相對應的響應模式。為了進一步探索此奇特發光響應的成因,本論文針對QD量測其螢光生命週期的表徵,側重於微觀發光層次上去發掘QD如何因交流電場作用改變其發光機制,並藉此一併研究相應的FRET過程。
    本文第三章,首先我於宏觀層次下觀察QD及相應的FRET在交流電場作用下的螢光發光響應。於溶液中利用電場集濃並組裝螢光供體QDs於城垛式ITO電極表面,再以同樣方式捕捉螢光受體Alexa647-ssDNAs,以產生FRET訊號。我發現QDs發光當電場開啟時可變亮或變暗,而相應的FRET訊號則表現出增強或不變的響應。再進一步觀察未鍵結Alexa647-ssDNAs的純QDs,在開/關電場時,於電極邊緣呈現向序性組裝的QDs發光會變暗/變亮;而電極中央無序聚集的QD發光訊號則呈現相對較不明顯的變化。
    為了探討交流電場如何影響QD及FRET的發光響應,第四章建立穩態及脈衝螢光動力學模式,以放光及非放光機制詮釋其發光行為,前者說明第三章觀察之QD及FRET的發光,後者則應用於透過脈衝螢光方式探測螢光生命週期的實驗。
    基於第四章建立的動力學模式,第五章說明利用時間解析螢光光譜儀(Time-Resolved Photoluminescence Spectroscopy) 探測螢光生命週期的相關實驗儀器與操作設計,並對實驗數據進行擬合分析。
    第六章針對聚集於城垛ITO電極上的QDs螢光生命週期隨交流電場作用的響應進行探討。首先,觀察未鍵結的QDs,發現在開/關電場時,於電極邊緣向序性組裝的QDs螢光生命週期縮短/增長,與其發光響應一致,然而,電極中央區無序聚集的QDs生命週期則無變化。兩者的螢光生命週期皆較QD懸浮溶液的螢光生命週期短。另外,發現QD在鍵結ssDNA後,其螢光放射光譜藍移,且根據對照組實驗發現有無Alexa647存在皆會發生藍移現象。而向序性組裝QDs在鍵結Alexa647-ssDNAs並產生藍移後,開啟電場的瞬間已鍵結的QDs螢光生命週期增長。綜合螢光生命週期與穩態螢光發光響應,搭配第四章建立之動力式推論向序性組裝QDs及FRET於交流電場作用下產生的機制。於電場作用下QD螢光生命週期的改變推知FRET效率降低,然而於第三章用顯微鏡所觀察到的穩態FRET訊號竟呈現增強或不改變,而唯一能夠調合這看似衝突的結果僅能從受體Alexa647發光響應也同時受電場影響來解釋。
    在本文第七章以金作為實驗裝置探測在無電場作用下發生FRET前後的Alexa647螢光生命週期響應。從已鍵結供體QD後的Alexa647放光資訊中發現了兩個螢光生命週期:較短者為Alexa647本身的螢光生命週期,另一較長的螢光生命週期來自於鍵結後的QD所貢獻,另外,發現鍵結QD後的Alexa647本身的螢光生命週期未改變,而相對應的螢光強度則有大幅減少的趨勢。以上觀察結果可以證實能量從供體QD轉移至受體Alexa647的FRET過程。根據Alexa647在鍵結QD後於無電場時呈現兩個螢光生命週期且較長的來自於與QD的鍵結,又由於在電場作用下,已鍵結的QD的螢光生命週期有表現出增長的響應,這意味與之相連的Alexa647的螢光生命週期行為勢必有所改變,事實上,穩態FRET訊號正比於受體螢光生命週期及FRET效率乘積,而FRET效率會隨供體螢光生命週期增長而降低,這也解釋為何穩態FRET訊號於電場開啟下即使供體螢光生命週期增長仍可表現出增強或不改變的結果。

    This thesis is motivated by the efforts on the use of directional assembly of quantum dots (QDs) under AC electric fields in promoting Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) detection. I find that the emission of the QDs trapped along the microelectrode edges is either increased or decreased when turning the field on. The associated FRET response is either increased or keeps unchanged. Aiming at looking more into these unusual phenomena at the microscopic level, I investigate how the fluoresence lifetime of QD behaves in the presence of AC electric fields. The impacts on the subseqent FRET process are also studied as well. I find that the lifetime of bare QDs is decreased/increased when the applied AC field is turned on/off. For the directional QD assemblies trapped along the electrode edges, after they are bound to Alexa647-ssDNA with an occurrence of the blue shift, their lifetime will be prolonged by applying an AC field. Alexa647 after being bound to QD has already displayed two lifetimes with the longer one due to its binding to QD. If bound QD displays any increase in its lifetime in the presence of AC fields, there must be some characteristic changes in the associated Alexa647's lifetime. To rationalize the increased or unchanged response of the FRET emission in AC fields, it is necessary to take into account a possible change in the acceptor’s lifetime in AC fields.

    摘要 i 誌謝 x 目錄 xi 表目錄 xvii 圖目錄 xix 第一章 1 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2文獻回顧 2 1.3研究動機 3 第二章 10 基本原理 10 2.1 螢光共振能量轉移(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET) 10 2.2 交流電荷動力學(AC Electrokinetics) 12 2.2.1 交流電滲流 (AC Electro-osmosis, ACEO) 12 2.2.2 介電泳 (Dielectrophoresis, DEP) 13 2.2.3 電場誘導偶極吸引力(Field Induced Dipole Attraction, FIDA) 15 第三章 22 基於量子點(Quantum Dot, QD)的FRET分子檢測及其隨交流電場開關作用響應 22 3.1 以交流電場聚集量子點(QD) 22 3.1.1 實驗裝置 22 3.1.2 工作溶液 23 3.1.3 實驗步驟 23 3.1.4 實驗相關細節 24 3.1.5實驗結果 25 3.2 基於量子點(QD)的FRET分子檢測 26 3.2.1 實驗裝置 26 3.2.2 工作溶液 27 3.2.3 實驗步驟 29 3.2.4 實驗相關細節 30 3.2.5 實驗結果 31 3.3 量子點(QD)及FRET隨交流電場開關作用響應 31 3.3.1 實驗裝置 31 3.3.2 工作溶液 32 3.3.3 實驗步驟 34 3.3.4 實驗相關細節 36 3.3.5 實驗結果 37 第四章 47 FRET與供受體螢光生命週期動力學模式 47 4.1 FRET效率 47 4.1.1 穩態螢光強度定義FRET效率 47 4.1.2 螢光生命週期定義FRET效率 49 4.2以〝脈衝螢光〞方式測量螢光生命週期動力學模式 50 4.2.1 未鍵結Alexa647-ssDNA的供體QD(bare QD) 51 4.2.2 已鍵結Alexa647-ssDNA鍵結供體QD(bound QD) 51 4.2.3 未鍵結供體QD的受體Alexa647 52 4.2.4 已鍵結供體QD的受體Alexa647 52 第五章 55 螢光生命週期(Fluorescence Lifetime)實驗操作設計及數據擬合分析 55 5.1 實驗設計與儀器操作步驟 55 5.1.1 儀器設備與光路設計 55 5.1.2 光激發螢光光譜儀(Photoluminescence, PL)操作步驟 59 5.1.3 時間解析光激發螢光(Time-Resolved Photoluminescence, TRPL)操作步驟 61 5.2 螢光生命週期數據擬合分析 63 5.2.1 FluoFit軟體數據擬合分析 63 5.2.2 Excel軟體數據擬合分析 65 5.2.3螢光生命週期數據擬合分析結論 66 第六章 87 量子點(Quantum Dot, QD)螢光生命週期及其隨交流電場作用響應 87 6.1 量子點(QD)螢光生命週期實驗條件測試 87 6.1.1 背景測試 87 6.1.2 脈衝雷射激發光頻率測試與參數設定 89 6.1.3 量子點性質測試 91 6.2 量子點(QD)螢光生命週期 93 6.2.1 實驗裝置 93 6.2.2 工作溶液 93 6.2.3 實驗步驟 94 6.2.4 實驗相關細節 94 6.2.5 實驗結果 95 6.3量子點(QD)螢光生命週期隨交流電場開關響應實驗條件測試 96 6.3.1 保有QD懸浮溶液測試 96 6.3.2 去除QD懸浮溶液並加入去離子水測試 99 6.3.3 對焦測試 101 6.3.4 去離子水水量測試 104 6.4量子點(bare QD)螢光生命週期隨交流電場開關響應 106 6.4.1 實驗裝置 106 6.4.2 工作溶液 107 6.4.3 實驗步驟 107 6.4.4 實驗相關細節 108 6.4.5 實驗結果與討論 109 6.5 鍵結Alexa647-ssDNA前後的量子點(QD)響應 112 6.5.1 實驗裝置 112 6.5.2 工作溶液 112 6.5.3 實驗步驟 115 6.5.4 實驗相關細節 116 6.5.5 實驗結果與討論 116 6.6 已鍵結Alexa647-ssDNA的量子點(bound QD)隨交流電場開關作用響應 118 6.6.1 實驗裝置 119 6.6.2 工作溶液 119 6.6.3 實驗步驟 121 6.6.4 實驗相關細節 123 6.6.5實驗結果與討論 123 第七章 152 Alexa647鍵結供體量子點(QD)前後螢光生命週期響應 152 7.1 Alexa647螢光生命週期實驗條件測試 152 7.1.1 背景測試 152 7.1.2 脈衝雷射頻率測試與參數設定 157 7.1.3 TRPL測量時間測試 160 7.2 Alexa647螢光生命週期 164 7.2.1 實驗裝置 164 7.2.2 工作溶液 164 7.2.3 實驗步驟 166 7.2.4 實驗相關細節 167 7.2.5 實驗結果與討論 167 7.3已鍵結供體量子點(QD)的Alexa647螢光生命週期 168 7.3.1 實驗裝置 168 7.3.2 工作溶液 168 7.3.3 實驗步驟 170 7.3.4 實驗相關細節 171 7.3.5 實驗結果與討論 172 7.4 Alexa647鍵結供體量子點(QD)前後螢光生命週期響應探討 173 第八章 184 結論及未來工作 184 參考文獻 187 附錄A ITO電極製程 190 A.1 電極光罩設計 190 A.2 光微影製程 190 A.2.1 ITO晶片清洗 190 A.2.2 光阻塗佈 190 A.2.3 軟烤(預曝光烘烤) 191 A.2.4 曝光 191 A.2.5 顯影 192 A.2.6 蝕刻 192 A.2.7 去光阻 192 附錄B金電極製程 196 B.1電極光罩設計 196 B.2金電極製程 196 B.2.1玻璃基材清洗 196 B.2.2金屬真空蒸鍍 197 B.2.3微影製程(Photolithigraphy) 197 B.2.3.1光阻塗佈 197 B.2.3.2曝光 198 B.2.3.3顯影 198 B.2.3.4蝕刻 199 附錄C PDMS裝置製作 202 C.1 光罩設計 202 C.2 光微影製程 202 C.2.1 基板清洗 202 C.2.2 光阻塗佈 203 C.2.3 軟烤 203 C.2.4 曝光 203 C.2.5 曝後烤 204 C.2.6 顯影 204 C.3 微流道模型製作 204 附錄D 影像拍攝與數據處理 208 D.1影像擷取參數設定 208 D.1.1曝光時間(Exposure Time) 208 D.1.2觀測視窗大小(Binning) 208 D.1.3影像整體視覺亮度(Visual Gain) 208 D.2 影像擷取時間設定 209 D.3 螢光濾片的選擇 209 D.4螢光強度的靜態與動態擷取 210 D.4.1螢光強度的靜態擷取 210 D.4.2螢光強度的動態擷取 210 D.5 FRET相關計算參數設定 211 D.5.1 量子點(QD)螢光強度的擷取 211 D.5.2 FRET螢光強度的擷取 211 D.5.3 FRET相關計算 212 附錄E PL與TRPL儀器異常排解 214 E.1 訊號異常原因判斷 214 E.1.1 脈衝雷射 214 E.1.2 光閘門 214 E.1.3 儀器光路 214 E.1.4 參數設定 214 E.1.5 待測樣品品質 214 E.2 儀器訊號異常排解 215

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    梁紫涵,整合DNA拉伸及交流電荷動力作用製備快速且高靈敏度的FRET分子感測器,國立成功大學,碩士論文,2017。
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    林姿妙,應用交流電荷動力作用組裝量子點及其所誘導之反常發光響應: 以動態FRET指紋實現主動調控分子檢測的新方案,國立成功大學,碩士論文,2019。

    下載圖示 校內:2023-07-28公開
    校外:2023-07-28公開
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