淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-1307201515591000
中文論文名稱 生物晶片基材表面修飾分子之合成研究
英文論文名稱 Synthesis of modified anchoring molecules for biochip substrate
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 謝信賢
研究生英文姓名 Hsin-Hsien Hsieh
學號 602160052
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-06-23
論文頁數 126頁
口試委員 指導教授-李世元
委員-林志成
委員-吳榮信
中文關鍵字 生物晶片  自我組裝單層膜  有機硫醇化合物 
英文關鍵字 Bithiophene  Biochip  SAMs 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 有機化合物之硫醇官能基能與金金屬反應生成共價鍵,在金表面會進行自發性排列,形成自我組裝單層膜( Self-Assembled Monolayer,SAM )。利用此一SAM特性,此類有機硫醇化合物被廣泛應用於生物晶片( Biochip )的研究。
由於蛋白質為胺基酸的聚合物,所以用來偵測蛋白質的最佳反應分子即本身具有可參與反應的胺基( -NH2 )或羧酸基( -CO2H )。因此,我們使用具有絕佳導電性之2,2’-雙噻吩分子作為主要結構,再將其一端修飾上具有可與胺基酸分子參與反應之羧酸官能基;而另一端則接上硫醇官能基,因此設計可與待檢測生物分子作用且能與生物晶片表面穩定鍵結之單體分子( Linker ) A與B。
本研究主要探討利用硫醇官能基的保護與去保護反應策略合成下列兩種硫醇目標化合物。目標化合物A利用新丁烷基( -tBu )對硫醇官能基進行保護後,再與經溴化之2,2’-雙噻吩分子進行Suzuki耦合反應而合成。目標化合物B則是利用雙硫鍵作為對苯胺分子4-位置硫醇官能基之保護機制,再與2,2’-雙噻吩的5-位置之羧酸官能基進行反應而合成。

英文摘要 Our laboratory has developed and reported a series of thiophene-based compounds which were synthesized and employed as biolinkers of biochip. Due to π-electron conjugation property of mutiple thiophene rings, bis-thiophene-based compounds display planar structure and conjugation which possess some great electron conductivity. The introduction of thiol functionality on thiophene can provide the covalent bond on gold metal surface to generate Self-Assembled Monolayer (SAM) by a spontaneously chemical reaction. This SAM can improve the detection sensitivity when it was introduced on the biochip application.
Therefore, we synthesized two kinds of mercapto-bis-thiophene-based molecules, and also modified carboxylic acid group on another terminal site of thiophene ring.
These new organic compounds may be able to apply on the biochip research and act as the linkers between substrate and detecting probe .

論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖表目錄 V
光譜目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 生物晶片 2
1-1-1 生物晶片之簡介 2
1-1-2 生物晶片之種類 15
1-1-3 生物晶片之應用 20
1-1-4 生物晶片之製成 24
1-2 自我組裝單層膜 28
1-2-1 自我組裝單層膜之架構 29
1-2-2 自我組裝單層膜之製備與機制 35
1-2-3 以芳香族化合物為主架構之SAMs 40
第二章 結果與討論 48
2-1 生物晶片基材分子合成之策略與研究 49
2-2 生物晶片基材分子之合成 57
第三章 實驗與儀器 76
3-1 實驗方法 76
3-2 溶劑之乾燥 92
3-3 實驗儀器與測試方法 94
第四章 結論 97
第五章 光譜 100
第六章 參考資料 125

圖表目錄
圖一、聚合酶鏈鎖反應簡圖 3
圖二、生物感測器之界面:晶片載體表面進行生物辨識元件之固定化方式 5
圖三、生物晶片結構圖 7
圖四、在金金屬表面進行分子共價偶合的例子 9
圖五、抗原/抗體結合示意圖 11
圖六、青黴素與氨苄青黴素之結構 12
圖七、三(1,10-菲咯口林)氯化釕之結構12
圖八、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鳥嘌呤之結構13
圖九、DNA微陣列偵測路徑與實際檢測結果圖像舉例16
圖十、組織晶片圖例17
圖十一、蛋白質晶片之分析原理示意圖18
圖十二、實驗室晶片圖例20
圖十三、適體篩選技術之流程21
圖十四、光引導原位合成法示意圖25
圖十五、噴墨式點様法示意圖 26
圖十六、SAMs結構示意圖29
圖十七、脂肪酸在氧化銀( AgO )、氧化鋁( Al2O3 )上形成之SAMs 31
圖十八、聚矽氧烷( Polysiloxane ) 32
圖十九、有機矽化物形成SAMs之反應機制示意圖32
圖二十、文獻中常被探討之硫化物33
圖二十一、芳香族有機硫化物34
圖二十二、有機薄膜製備方式示意圖36
圖二十三、UHV裝置架構圖37
圖二十四、液相沉積法製備SAMs 38
圖二十五、吸附形式改變示意圖39
圖二十六、有機硫化物與金之反應機制示意圖40
圖二十七、硫醇化合物在金表面之構型41
圖二十八、烷基直鏈偏離表面法線30∘ 41
圖二十九、噻吩為主體架構之硫醇化合物 42
圖三十、硫醇化合物在金屬表面形成SAMs的傾斜角度示意圖42
圖三十一、多噻吩雙硫化合物在金表面形成SAMs二維結構示意圖42
圖三十二、多噻吩硫醇化合物( SAM-Modified )之電化學性質43
圖三十三、芳香硫化物在金上形成的SAMs . 44
圖三十四、4’-Chloro-4-mercaptobiphenyl和金Au(111)之SAM二維結構圖 45
圖三十五、二聯苯硫醇化合物之SAMs傾角46
圖三十六、目標化合物A及目標化合物B’之結構49
圖三十七、Heck Reaction 50
圖三十八、Kharasch Reaction 50
圖三十九、Negishi Reaction 51
圖四十、Ullmann Reaction 51
圖四十一、Sonogashira Reaction 52
圖四十二、Stille Reaction 52
圖四十三、Hiyama Reaction 53
圖四十四、Suzuki耦合反應 53
圖四十五、傳統肽鍵之合成方法54
圖四十六、由CDI為反應試劑之合成方式55
圖四十七、由SOCl2進行羧酸基之鹵化反應55
圖四十八、硫醇之保護與肽鍵之合成實驗測試56
圖四十九、5’-(4-巰基苯基)-2,2’-雙噻吩-5-羧酸之結構式57
圖五十、化合物A之逆合成推導57
圖五十一、化合物b之合成反應式58
圖五十二、化合物c之合成反應式58
圖五十三、有機硼化合物e之合成反應式60
圖五十四、修改之化合物A逆合成流程圖62
圖五十五、化合物g之合成反應式62
圖五十六、有機硼酸化合物之合成63
圖五十七、修改之化合物h合成策略64
圖五十八、化合物c之溴化反應64
圖五十九、化合物j之合成65
圖六十、以Suzuki耦合反應合成化合物h 65
圖六十一、對化合物h進行還原反應之實驗 66
圖六十二、以還原方式將化合物h還原為目標化合物A 66
圖六十三、完整合成化合物A之逆合成圖 67
圖六十四、5’-(4-巰基苯基氨基甲酰基)-2,2’-雙噻吩-5-羧酸之結構式 68
圖六十五、化合物B’之逆合成推導 68
圖六十六、2,2’-bithiophene-5,5’-dicarboxylic acid之合成 69
圖六十七、化合物B’之合成實驗 70
圖六十八、雙硫鍵結化合物之合成 70
圖六十九、以雙硫化合物進行目標物之合成 71
圖七十、合成化合物B’之逆合成圖 72
圖七十一、化合物m之合成73
圖七十二、化合物n之合成73
圖七十三、化合物B’之合成74
圖七十四、5’-(4-Mercaptophenyl)-2,2’-bithiophene-5-carboxylic acid化合物之逆合成圖 76
圖七十五、5',5'-(4,4'-Disulfanediyl-bis(4,1-phenylene)bis(azanediyl))bis(oxomethylene)di-2,2'-bithiophene-5-carboxylic acid 化合物之逆合成圖85

表一、正丁基鋰及氯甲酸乙酯之用量對產物c及產物d之產率實驗 59
表二、反應時間對化合物c產率之影響 59
表三、化合物A之合成實驗 61
表四、化合物h之合成 63
表五、化合物B’之合成實驗 69
表六、化合物B之合成 74

光譜目錄
Ethyl [2,2'-bithiophene]-5-carboxylate
(1H-NMR, 13C-NMR)
Ethyl 5'-bromo-[2,2'-bithiophene]-5-carboxylate
(1H-NMR, 13C-NMR)
(4-Bromophenyl)(tert-butyl)sulfane
1H-NMR, 13C-NMR)
4-(tert-Butylthio)phenylboronic acid
(1H-NMR, 13C-NMR)
Ethyl 5'-(4-(tert-butylthio)phenyl)-[2,2'-bithiophene]-5-carboxylate
(1H-NMR, 13C-NMR, UV, IR)
Ethyl 5'-(4-(acetylthio)phenyl)-[2,2'-bithiophene]-5-carboxylate
(1H-NMR, 13C-NMR, UV, IR)
5'-(4-Mercaptophenyl)-[2,2'-bithiophene]-5-carboxylic acid
(1H-NMR, 13C-NMR, Mass, UV, IR)
Diethyl [2,2'-bithiophene]-5,5'-dicarboxylate
(1H-NMR, 13C-NMR)
5'-(Ethoxycarbonyl)-[2,2'-bithiophene]-5-carboxylic acid
(1H-NMR, 13C-NMR)
4,4'-Disulfanediyldianiline
(1H-NMR, 13C-NMR)
Diethyl 5',5'-(4,4'-disulfanediylbis(4,1-phenylene)bis(azanediyl))bis(oxomethylene)di-[2,2'-bithiophene]-5-carboxylate
(1H-NMR, 13C-NMR, UV, IR)
5',5'-(4,4'-Disulfanediyl-bis(4,1-phenylene)bis(azanediyl))bis(oxomethylene)di-[2,2'-bithiophene]-5-carboxylic acid
(1H-NMR, 13C-NMR, Mass, UV, IR)
參考文獻 參考資料
1. Hughes, W. S. J.Am.Chem.Soc. 1922, 44, 2860.
2. Watson, J. D.; Crick, F. H. C. Nature, 1953, 171, 737.
3. Maxam, A. M.; Gilbert, W. Proc. Nat. Acad. Sci. 1977, 74, 560.
4. Sanger, F.; Nicklen, S.; Coulson, A. R. Proc. Nat. Acad. Sci. 1977, 74, 5463.
5. Nuzzo, R. G.; Allara, D. L. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 4483.
6. Tobias, M. L.; Viswanathan, S. S.; Kelley, D. B. Proc Natl Acad Sci. 1988, 95, 1870.
7. Weiss, B.; Davidkova, G.; Zhou, L. W.; Zhang, S. P.; Morabito, M. Neurochemistry international, 1997 31, 571.
8. Manz, A.; Graber, N.; Widmer, H. Á. Sensors and actuators B: Chemical, 1990, 1, 244.
9. Gpel, W.; Heiduschka, P. Biosens. Bioelectron, 1994, 9, 3.
10. Gpel, W. Biosens. Bioelectron, 1995, 10, 35.
11. Allara, D. L. Biosens. Bioelectron, 1995, 10, 771.
12. Chaudhury, M. K. Biosens. Bioelectron, 1995, 10, 785.
13. Lofas, S.; Johnsson, B.; Edstrom, A.; Hansson, A.; Lindquist, G.; Muller Hillgren, R. M.; Stigh, L. Biosens. Bioelectron, 1995, 10, 813
14. Ratner, B. D. Biosens. Bioelectron, 1995, 10, 794.
15. Morales, P.; Pavone, A.; Speranedei, M.; Leter, G.; Mosiello, L. Nencine, L. Biosens. Bioelectron, 1995, 10, 847.
16. Bartlett, P. N.; Cooper, J. M. Electroanal. Chem. 1993, 362, 1.
17. Geckeler, K. E.; Muller, B. Naturwissenschaften, 1993, 80, 18.
18. Schena, M.; Shalon, D.; Davis, R. W.; Brown, P. O. Science, 1995, 270, 467.
19. Kirkland, J. J.; Glajch, J. C.; Farlee, R. D. Anal. Chem. 1989, 61, 2.
20. Trulson, M.; Sywe, B. S.; Mcgall, G. H.; Kajisa, L.; Truong, D. Synthesis, 1990, 1027.
21. Glazer, M.; Franck, C.; Vinci, R. P.; McGall, G. H.; Fidanza, J.; Beecher, J. High surface area substrates for DNA arrays, Organic/Inorganic Hybrid Materials II, Material Research, 1999, 576, 371.
22. Hardin, S. H.; Gao, X. L.; Briggs, J.; Willson, R.; Tu, S. C. “Porous silica substrates for polymer synthesis and assays, Submitted as conference proceedings to Nucleoside and Nucleotides.”, US Patent US 2014/8648179 B2 ( Feb. 11. 2014).
23. Lindsley, C. W.; Wisnoski, D. D. “Synthesis of functional polymers for use in organic synthesis and combinatorial chemistry” US Patent WO 2004/089857 A3 (Sep. 22. 2009).
24. Frank, C. W. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 8766.
25. Guschin, D.; Yershov, G.; Zaslavsk, A.; Gemmell, A.; Schick, V.; Prudnikov, D.; Mirzabekov, A. Anal. Biochem. 1997, 250, 203.
26. Yershov, G.; Barsky, V.; Belgovsky, A.; Kirillow, E.; Ivanov, I.; Parinov, S.; Guschin, D.; Dubiley, S.; Mirzabekov, A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1996, 93, 4913.
27. Vo-Dinh, T. Center for Advanced Biomedical Photonics, Oak Ridge National Laboratory, Bethel Valley Road, MS-6101, P.O. Box 2008, Oak Ridge, TN 37831-6101, U.S.A.
28. Vo-Dinh, T.; Tromberg, B. G.; Griffin, G. D.; Ambrose, K. R.; Sepaniak, M. J.; Gardenhire, E. M. Suppl. Spectrosc. 1987, 41, 735.
29. Tromberg, B. G.; Sepaniak, M. J.; Vo-Dinh, T.; Griffin, G. D. Anal. Chem. 1987, 59, 1226.
30. Polster, J.; Prestel, G.; Wollenweber, M.; Kraus, G.; Gauglitz, G. Talanta, 1995, 42, 2065.
31. Rosenzweig, Z.; Kopelman, R. Anal. Chem. 1996, 68, 1408.
32. Sawata, S.; Kai, E.; Ikebukuro, K.; Iida, T.; Honda, T.; Karube, I. Biosens. Bioelectron, 1999, 14, 397.
33. http://www.bio-drchip.com.tw/chip.asp 晶宇生物科技公司。
34. Pawell, R. S.; Inglis, D. W.; Barber, T. J.; Taylor, R. A. Biomicrofluidics, 2013, 7, 056501.
35. http://mbl.pme.nthu.edu.tw/study/Intro/MBL_intro.php
36. Olayioye, M. A.; Beuvink, I.; Horsch, K.; Daly J. M.; Hynes, N. E. J. Biol. Chem. 1999, 274, 17209
37. Coussens, L. Science, 1985, 230, 1132.
38. Lipshutz, R. J. Nature genetics, 1999, 21, 20.
39. Schena, M. DNA Microarrays: A Practical Approach, Oxford University Press, Oxford, 1999.
40. http://www.libnet.sh.cn:82/gate/big5/www.istis.sh.cn/hykjqb/wenzhang/list_n.asp?id=1559&sid=1
41. Ulman, A. “An Introduction to Ultrathin Organic Films from Langmuir-Blodgett to Self-Assembly”, Academic Press: Boston, 1991.
42. Stratmann, M. Adv. Mater. 1990, 2, 191.
43. Sigal, H. O.; Bamdad, C.; Barveris, A.; Strominger, J.; Whitesides, G. M. Anal. Chem. 1996, 68, 490.
44. Gennes, P. G. Rev. Mod. Phys. 1985. 57. 827.
45. Leatherman, G.; Durantini, E. N.; Gust, D.; Moore, T. A.; Stone, S.; Zhou, Z.; Rez, P.; Liu, Y. Z.; Lindsay, S. M. J. Phys. Chem. B. 1999, 103, 4006.
46. Ulman, A. Chem. Rev. 1996, 96, 1533.
47. Sagiv, J. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 92.
48. Brandriss, S.; Margel, S. Langmuir, 1993, 9, 1232.
49. Gun, J.; Sagiv, J. J. Colloid Interface Sci. 1986, 112, 457.
50. Kessel, C. R.; Granick, S. Langmuir, 1991, 7, 532.
51. Koide, Y.; Such, M. W.; Basu, R.; Evmenenko, G,; Cui, J.; Dutta, P.; Hersam, M. C.; Marks, T. J. Langmuir, 2003, 19, 86.
52. Long, Y. T.; Herrworth, S.; Eck, W.; Grunze, M. Phys. Chem. Phys. 2002, 4, 522.
53. Fadeev, A. Y.; Helmy, R.; Marcinko, S. Langmuir, 2002, 18, 7521.
54. Marcinko, S.; Helmy, R.; Fadeev, A. Y. Langmuir, 2003, 19. 2752.
55. Gun, J.; Iscovici, R.; Sagiv, J. J. Colloid Interface Sci. 1984, 101, 201.
56. Ogawa, H.; Chihera, T.; Taya, K. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 1365.
57. Schlotter, N. E.; Porter, M. D.; Bright, T. B.; Allara, D. L. Chem. Phys. Lett. 1986, 132, 93.
58. Shnidman, Y.; Ulman, A.; Eilers, J. E. Langmuir, 1993, 9, 1071.
59. Thompson, W. R.; Pemberton, J. E. Langmuir, 1995, 11, 1720.
60. Ulman, A. J. Mater, Educ. 1989, 11, 205.
61. Walczak, M. W.; Chung, C.; Stole, S. M.; Widrig, C. A.; Porter, M. D. J. Am. Chem. Soc. 1991, 13, 1046.
62. Shimazu, K.; Sato, Y.; Yagi, I.; Uosaki, K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1994, 67, 86.
63. Demoz, A.; Harrison, D. J. Langmuir, 1993, 9, 1046.
64. Troughton, E. B.; Bain, C. D.; Whitesides, G. M.; Allara, D. L.; Porter, M. D. Langmuir, 1988, 4, 365.
65. Nuzzo, R. G.; Allara, D. L. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 4481.
66. Sabatani, E.; Cohen-Boulakia, J.; Bruening, M.; Tubinstein, I. Langmuir, 1993, 9, 2974.
67. Cooper, J. M.; Greenough, K. R.; McNeil, C. J. J. Electroanal. Chem. 1993, 347, 267.
68. Ihs, A.; Uvdal, K.; Liedberg, B. Langmuir, 1993, 9, 733.
69. Mielczarski, J A.; Yoon, R. H. Langmuir, 1991, 7, 101.
70. Edwards, T. R. G.; Cunnane, V. J.; Parsons, R.; Gani, D. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1989, 1041.
71. Xue, G.; Huang, X. Y.; Dong, J.; Zhang, J. J. Electroanal. Chem. 1991, 310, 139.
72. Tour, J. M.; Jones, L.; Pearson, D. L.; Lamba, J. J. S.; Burgin, T. P.; Whitesides, G. M.; Allara, D. L.; Parikh, A. N.; Atre, S. V. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 9592.
73. Schreiber, F. Progress in Surface Science, 2000, 65, 151.
74. Bain, C. D.; Troughtonm, E. B.; Tao, Y. T.; Evall, J.; Whitesides, G. M.; Nuzzo R. G. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 321.
75. Biebuyck, H. A.; Bain, C. D.; Whitesides, G. M. Langmuir, 1994, 10, 1825.
76. Ulman, A. Acc. Chem. Res. 2001, 34, 855-863
77. Self-Assembled Monolayers; http://www.uweb.engr.washington.edu/
-research/tutorials/sam.html.
78. Liedberg, B.; Yang, Z.; Engquist, I.; Wirde, M.; Gelius, U.; Götz, G.; Bäuerle, P.; Rummel, R. M.; Ziegler, C.; Gopel, W. J. Phys. Chem. B. 1997, 101, 5951.
79. Frey, S.; Stadler, V.; Heister, K.; Eck, W.; Zharnikov, M.; Grunze, M.; Zeysing, B.; Terfort, A. Langmuir, 2001, 17, 2408.
80. Heck, R. F. Acc. Chem. Res. 1979, 12, 146.
81. Alonso, D. A.; Najera, C. F.; Pacheco, M. C. Org. Lett. 2000, 2, 1823.
82. Stanforth, S. P. Tetrahedron, 1998, 54, 263.
83. Danishefsky, S.; Yan, C. F.; McCurry, P. M. J. Org. Chem. 1977, 42, 1821.
84. Chowdhury, S.; Georghiou, P. E. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 7599.
85. Sonoda, M.; Inaba, A.; Itahashi, K.; Tobe, Y. Org. Lett. 2001, 3, 2419.
86. Zhou, J.; Fu, G. C. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 12527.
87. Fanta, P. E. Synthesis, 1974, 10, 9.
88. Hassan, J.; Penalva, V.; Lavenot, L.; Gozzi, C.; Lemaire, M. Tetrahedron, 1998, 54, 13793.
89. Elangovan, A.; Wang, Y. H.; Ho, T. I. Org. Lett. 2003, 5, 1841.
90. Miyaura, N.; Suzuki, A. Chem. Rev. 1995, 95, 2457.
91. Li, W. C.; Seth, C. Rasmussen. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 7231.
92. Lei, Z.; Nicholas, S. C.; Benjamin, P. C.; Stefan, C. B.; Alejandro, L. B. ACS appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 5317.
93. Al-Hourani, B. J. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2012, 22, 2235.
94. Vomasta, D.; Hogner, C.; Branda, N. R.; Konig, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7644.
95. Daiane, M. L. C.; Francieli, M. L.; Diego, A.; Gelson, P.; Eder, J. L.; Raquel, G. J. Green Chemistry Letters and Reviews, 2012, 5, 329.
96. Lee, A. S.-Y.; Chen, P.-L.; Chang, Y.-T.; Tsai, H.-T. J. Chin. Chem. Soc. 2012, 59, 452
97. Alan, Hornsby, Stephen, John, Moffat, David, Festus, Charles, “QUINOLINE AND QUINOXALINE DERIVATIVES AS INHIBTORS OF KINASE ENZYMATIC ACTIVITY”, WIPO Patent WO 2006/117552A1 (May, 4, 2006)
98. R. T. Coutts; D. F. Biggs; S. M. A. D. Zayed; Z. Eckstein, “HYDROXAMIC AND CARBOXYLIC ACID DERIVATIVES HAVING MMP AND TNF INHIBITORY ACITIVITY”, WIPO Patent WO 98/05635 (Feb, 12, 1998)
99. He, X. M.; Vivian Yam, W. W. Norg.Chem. 2010, 49, 2273.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2015-07-27公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2015-07-27起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2486 或 來信