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研究生： 鄭振甫
Cheng, Cheng-Fu
論文名稱： 觀察量子點組裝在切換電場下的發光響應以及其在FRET分子感測上的應用
Electric field induced photoluminescent switch of electrokinetic assembly of semiconductor quantum dots and its application in promoting FRET sensing
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： 2018
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 150
中文關鍵詞： 量子點 、交流電荷奈米捕捉技術 、螢光共振能量轉移 、DNA檢測
外文關鍵詞： Quantum Dot, Fluorescence Resonance Energy Transfer, AC Electro-kinetics, DNA probing
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    • 螢光共振能量轉移（FRET）在生物分子鑑定和疾病診斷中得到了廣泛的應用，但其經常有訊號微弱，螢光分子生命週期短，效率低等問題。為了克服這些問題以擴大FRET的應用範圍，我們結合半導體量子點（QD）和交流電場，開發在交流電場下以量子點做為螢光供體的FRET手段以增益FRET感測。基於我們研究室最近發現，在交流電場下以量子點做為螢光供體經能量轉移後的FRET訊號其強度可以被放大且在電場下會發生瞬時變化，因此在本論文裡，我主要研究在交流電場下作用下QD的發光響應，並進行一系列實驗研究以了解這些響應背後的原因及其可能的應用。
    在本論文的第三章，我首先使用供體QD和受體Alexa647-ssDNA在週期性開關電場下進行FRET。我發現在開啟/關閉電場後，FRET訊號增加/降低-與電場同相。然而，QD螢光放射與則和FRET訊號相反，顯示出反相響應，當電場開啟/關閉時強度降低/增加。但令我們意外的是，受體Alexa647-ssDNA螢光放射並沒有和FRET訊號同步，反而也顯示與QD相同的反相響應。在此強調，所有實驗都是在沒有任何QD或Alexa647-ssDNA的純水中進行的，所以這些在開關電場下的螢光響應勢必是來自於電極上“已鍵結的”QD和Alexa647-ssDNAs，這意味著在FRET過程中分子層面上發生一些特徵性的改變。
    在第四章裡，為了檢驗供體和受體之間的“鍵結”是否導致了上述實驗現象，我在週期性開關電場下觀察“純”的QD和“未鍵結”的Alexa647-ssDNA的螢光放射響應。我發現“未鍵結的”Alexa647-ssDNA的響應與第三章中的“鍵結”的響應相反，這也代表了開關電場下螢光響應確實受到鍵結的影響。更重要的是，我發現QD響應可以與外加電場同相或反相，這取決於QDs在電極上的組裝方式。同相的響應發生在QD聚集較無向序性的電極中心附近。相反地，在電極的角落(邊緣)附近，QD聚集受到局部電場的作用，排列沿著電場方向，較有向序性，產生反相響應，也就是在電場開啟/關閉時，QD的螢光強度衰退/增加。另外我也證實了，QD整體在開關電場下的響應模式以反相為主導。
    基於上述觀察結果，QDs可以在電極上開關電場下呈現不同的螢光響應，在第五章中，我改變了外加交流電場的電壓和頻率，觀察響應模式是否可以被改變。結果顯示，無論在哪個電極位置，響應均在20Vpp或500Hz時最明顯。然而，我發現只有在高低電壓交錯開關電場下，且只有吸附在電極角落的QD的響應才有明顯變化。另外，我也針對隨機分佈的QDs進行開關電場的實驗，發現螢光強度僅隨著時間單調遞減。在這種情況下，即使聚集的QD也不會有螢光強度增加/衰退的現象。這觀察結果強烈表明要觀察到開關電場下QD螢光強度衰退/增加的響應，QDs必須有向序性的組裝或依照特定的取向排列。
    在第六章裡，我懷疑在三-五章中所看到開關電場下不尋常發光響應與QD和Alexa647-ssDNA的放射光譜的變化有關。因此，我觀察了開電場和關電場下已組裝QDs和Alexa647-ssDNA的放射光譜。實驗結果顯示，在施加電場前後，峰值波長和放射光譜波長範圍都幾乎不變。這意味著觀察到電場下螢光放射響應不是由於光譜偏移而是由於其他本質性的原因所造成。依循此思路，我想瞭解已組裝QDs的螢光放射生命週期是否可以透過外加的交流電場來改變。使用時間解析光激螢光（TRPL）技術，我發現開電場的螢光生命週期比沒有電場的生命週期短，這結果與第四章中發現開關電場下整體主導的反相響應一致。由於這電場對於組裝的QDs導致生命週期變化可以直接影響對應的FRET過程，使得這裡的FRET效率將不再由單一FRET分子對的分子性質決定，而是由交流電場效應和已組裝QDs的群聚行為決定。

    In order to overcome problems so as to extend the applicability of FRET, we combine the use of semiconductor quantum dots (QDs) and AC electric fields to develop AC QD-based FRET for facilitating FRET probing. Our research group recently discovers that FRET signals emitted from QDs can be greatly amplified and undergo instantaneous changes under the actions of AC fields. And what I found after series of experiments is that (1) Both FRET signal and QD emission can change after AC switch. QD’s response is opposite to FRET’s. (2) Such QD switch can have different responses, depending on how QDs are assembled by electric fields and responses of assembled QDs can be changed by AC field. (3) FRET efficiency can be manipulated by joint effects of QD assembly and AC field.

    Key words: Quantum Dot, Fluorescence Resonance Energy Transfer, AC Electro-kinetics, DNA probing

    摘要 i Abstract iii 誌謝 vi 目錄 vii 圖目錄 xii 表目錄 xvii 符號說明 xix 第一章 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 基本原理 10 2.1 交流電滲流(AC Electro-osmosis, ACEO) 10 2.2 介電泳(Dielectrophoresis, DEP) 11 2.3 電場誘導偶極(Field Induced Dipole Attraction, FIDA) 12 2.4 螢光能量共振轉移(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET) 13 第三章 探討在週期性電場開關下FRET訊號響應(FRET switch)之成因 20 3.1 週期性開關電場下FRET訊號響應 21 3.1.1 FRET的螢光濾片與供受體選擇 21 3.1.2 實驗裝置組裝 22 3.1.3 工作溶液 23 3.1.4 實驗步驟 25 3.1.5 實驗相關細節 27 3.1.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 27 3.1.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 28 3.1.8實驗現象與探討 29 3.1.8.A開電場後QD 聚集情況 29 3.1.8.B 使用氮氣槍吹除溶液後 29 3.1.8.C 開電場觀察FRET訊號 30 3.1.8.D 週期性開關電場下FRET訊號的響應 30 3.2 分別使用供受體螢光濾片觀察供受體在已鍵結的情況周期性開關電場下的響應 31 3.2.1 QD及Alexa647的螢光濾片 31 3.2.2 實驗裝置組裝 31 3.2.3 工作溶液 31 3.2.4 實驗步驟 33 3.2.5 實驗相關細節 34 3.2.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 34 3.2.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 34 3.2.8 實驗現象與探討 34 3.2.8.A觀察QD605在週期性開關電場下螢光強度變化 34 3.2.8.B觀察Alexa647-ssDNA在週期性開關電場下螢光強度變化 35 3.3 綜合討論與結論 35 第四章 供體(QD)受體(Alexa647-ssDNA)各別在週期性電場開關下訊號響應 54 4.1 未鍵結的Alexa647-ssDNA在週期性開關電場下的響應 55 4.1.1 Alexa647的螢光濾片 55 4.1.2 實驗裝置組裝 55 4.1.3 工作溶液 55 4.1.4 實驗步驟 57 4.1.5 實驗相關細節 59 4.1.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 59 4.1.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 60 4.1.8 實驗現象與探討 60 4.1.8.A 觀察Alexa647-ssDNA於不同電場頻率週期性開關電場下，螢光強度的響應 60 4.1.8.B觀察部分激發與完全激發Alexa647-ssDNA在開關電場下的響應 61 4.2 未鍵結的QD在週期性開關電場下的響應 61 4.2.1 QD的螢光濾片 61 4.2.2 實驗裝置組裝 61 4.2.3 工作溶液 61 4.2.4 實驗步驟 62 4.2.5 實驗相關細節 63 4.2.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 63 4.2.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 64 4.2.8 實驗現象與探討 64 4.3 綜合討論與結論 65 第五章 QD在週期性開關電場下的響應 72 5.1 在不同頻率不同電壓下，觀察QD於週期性開關電場下的響應 73 5.1.1 QD的螢光濾片 73 5.1.2 實驗裝置組裝 73 5.1.3 工作溶液 73 5.1.4 實驗步驟 74 5.1.5 實驗相關細節 75 5.1.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 76 5.1.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 76 5.1.8 實驗現象與探討 76 5.1.8.A 500Hz 76 5.1.8.B 1KHz 77 5.1.8.C 10KHz 77 5.1.8.D 100KHz 78 5.1.8.E 1MHz 78 5.1.8.F 10MHz 79 5.2 在相同頻率下改變電壓方式不同，觀察QD於週期性開關電場下的響應變化 79 5.2.1 QD的螢光濾片 79 5.2.2 實驗裝置組裝 79 5.2.3 工作溶液 80 5.2.4 實驗步驟 80 5.2.5 實驗相關細節 81 5.2.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 81 5.2.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 81 5.2.8 實驗現象與探討 82 5.2.8.A 以逐漸降低電壓方式，比較不同電壓下開關電場螢光強度的響應 82 5.2.8.B 以逐漸升高電壓方式，比較不同電壓下開關電場螢光強度的響應 82 5.2.8.C 以高低電壓來回切換方式，比較不同電壓下開關電場螢光強度的響應 82 5.3 散裝的QD於週期性開關電場下的響應 83 5.3.1 QD的螢光濾片 83 5.3.2 實驗裝置組裝 83 5.3.3 工作溶液 84 5.3.4 實驗步驟 85 5.3.5 實驗相關細節 85 5.3.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 86 5.3.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 86 5.3.8 實驗現象與探討 86 5.3.8.A QD均勻散佈吸附在ITO玻璃表面上 86 5.3.8.B觀察散裝的QD開關電場後螢光強度的響應 86 5.4 綜合討論與結論 87 第六章 螢光供受體光譜測試及不同濃度Alexa647-ssDNA下的FRET switch 100 6.1 螢光供受體光譜測試 101 6.1.1 實驗裝置組裝 101 6.1.2 工作溶液 101 6.1.3 實驗步驟 103 6.1.4 實驗相關細節 110 6.1.5 影像處理軟體(AR)的影像擷取參數條件設定 110 6.1.6 追蹤螢光強度對波長響應的量測方法 111 6.1.7 實驗現象與探討 112 6.1.7.A QD605光譜施測 112 6.1.7.B Alexa647-ssDNA光譜施測 112 6.1.7.C FRET光譜施測 113 6.1.7.D外加電場可能造成的效應 113 6.1.7.E 開關電場下QD的螢光生命週期與FRET實際效率 113 6.2 觀察不同濃度Alexa647-ssDNA下FRET訊號在週期性開關電場下的響應 114 6.2.1 FRET的螢光濾片與供受體選擇 114 6.2.2 實驗裝置組裝 114 6.2.3 工作溶液 115 6.2.4 實驗步驟 118 6.2.5 實驗相關細節 120 6.2.6 影像處理軟體(Image-Pro Plus)的影像擷取參數條件設定 120 6.2.7 追蹤螢光強度對時間響應的量測方法 120 6.2.8 實驗現象與探討 120 6.3 綜合討論與結論 121 第七章 結論及未來工作 133 參考文獻 136 附錄A ITO電極製程 139 A.1電極光罩設計 139 A.2光微影製程 139 A.2.1 ITO晶片清洗 139 A.2.2光阻塗佈 139 A.2.3軟烤 140 A.2.4曝光 140 A.2.5 顯影 141 A.2.6 蝕刻 141 A.2.7 去光阻 141 附錄B PDMS裝置製作 144 B.1 光罩設計 144 B.2 光微影製程 144 B.2.1 基板清洗 144 B.2.2 光阻塗佈 145 B.2.3 軟烤 145 B.2.4 曝光 146 B.2.5 曝後烤 146 B.2.6 顯影 146 B.3 微流道模型製作 147

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    下載圖示 校內：2023-06-08公開
    校外：2023-06-08公開
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