金属, 半导体奈米晶体在生物检测及分析上的应用
杨正义 陈吉峰 叶怡均
*
陈正龙
陈家俊*
国立台湾师范大学化学研究所 e-mail: t42005@cc.ntnu.edu.tw
摘
要
奈米科技(Nanotechnology)的发展使得一些新的物理及化学性质陆续被发现,对於材料的研 发也开启了一个新的方向.本文将概要地介绍金属及半导体奈米材料与生物分子结合,分别介绍应 用上的实例.最后将简单地叙述奈米晶体未来在生物科技上的发展趋势及潜力.
材料大致可分成三类: (一)直接由碳簇分子合成 , 一,前言 随著科技高速发展,日常生活用品将朝更微 小,精细化的方向前进,半导体工业已进步到现今 的 0.13 微米(μm)制程.因此,在半导体材料的 研发上 ,奈米科技可以说是目前的趋势,除了在半 导体的应用外,举凡光电,通讯,医学仪器等 ,都 试图将元件及仪器缩小至奈米大小,以增加其应用 性.此外金属,半导体奈米晶体材料本身的物理及 化学性质,提供了另一个新的应用方向:因此如何 将金属或半导体奈米粒子应用至生物疾病检测或药 物筛选(screening)已是科学家现今几年重要的研 究目标. 近几年来奈米粒子与生物科技的研究工作 ,最 受注目的是利用碳簇衍生物.自从 C60 的发现及大量 制备法的不断发展以来,材料科学家一直对於利用 碳簇分子合成各式新材料抱著很高的兴趣. 事实 上,许多碳簇分子的物理及化学性质都非常新颖, 特殊,对於新材料的开发有很大的挑战空间.碳簇 其衍生物制成薄膜. (二)碳簇分子被包埋或接在有 机高分子,例如:PVK,PPV,PC 等. (三)将碳簇 及其衍生物结合在无机化合物上 .各种不同的化 合物在应用上可当作超导体 ,光导体 ,半导体 ,强 磁性物质及新的光学材料 .(四)除了材料的应用 外,将碳奈米管柱(carbon nanotube)或 C60 应用 在生物技术上极受科学家的青睐.例如 MER 公司就 生产一系列包含有机官能基的碳簇化合物 ,有些公 司则致力於生物奈米材料,如基因晶片,生物探针 在药物发现 ,筛选,及诊断上的应用,有些则把焦 点放在药物传递的研发. 目前科学家已将生物材料应用的研究领域扩展 到生物感测器 ,药物开发 ,蛋白质基组(Proteomics) 和环境检测 .生物感测器若结合灵敏度强 ,特异性 高的生物系统和微电子电路系统可以量测到分子尺 度的讯号.当分析物与生物接受器发生作用时 ,结 构上的变化将会转换成有测量效果的电流讯号
(3,4) (2) (1)
,再经由电脑的输出来读取.一般讯号转换的方
■ 667 ■ 物理双月刊(廿三卷六期)2001 年 12 月
的稳定性及多样性.研究发现表面包覆一层高子当 外壳的奈米粒子可藉由将药物封入内部,使水溶性 的药物不易遗漏在血液中 ,同时携带到特定位置 后,再将其释出 ,有效地使其穿透过细胞膜 ,如 此便可大大地提升疗效,同时也降低副作用.如图 1
(6,7) (5)
奈米粒子除了近几年在生物医学上的研究日渐
倍受重视外 ,光学上独特的优异性也是不容忽视的. 目前市面上有 Nanoprobes , Yaphank , N.Y 公 司生产的金粒子表面包覆一层银为壳 的奈米粒子及 1.4 nm 的奈米粒子衍生物.这些奈米粒子可用作化 学上特定的标定剂,免疫分析探针,分子生物的研 究.金的奈米粒子现在已广泛地应用在生化材料 上,主要因为它的表面与带电的配位子,硫基能以 微弱的键结而稳定,使得粒子表面很容易修饰
(9,10)
.
银奈米粒子因两个重要理由在 "生物标定" 块材中 图1 图中方形为细胞膜 (A)为药物自由扩散 , 到细胞膜而通过 ,(B)为药物藉由奈米 粒子承载至细胞膜 ,经生物分解作用而 释出粒子并大大地促使药物分子通过 细胞膜.取材於文献(6,7) 将 是 个 理 想 材 料 . ( 一 ) 表 面 电 浆 带 (Surface plasmon band) 的吸收在 390 nm 到 400nm 之间, (二)银粒子表面薄膜带的吸收系数比金的大 4 倍. 因此,在光学侦测系统(例如 SPR 及 SERS)的运用上 比 金 粒 子 会 更 加 适 合 .经 研 究 发 现 , 以 Ag/Au 式有两种:可转换成电化学讯号 ,光学讯号.电化 学讯号可以利用导电度(conductivity)的改变或 电位(electric potential)的变化来表现;光学 讯 号 则 有 颜 色 变 化 , 莫 尔 吸 光 系 数 ( molar absorption coefficient ) 的 改 变 , 萤 光 强 度 (fluorescence intensity)增减或波长移动.几 十年来,科学家对於设计 "生物可分解的奈米粒子 " 当作药物传递媒介有极大的兴趣 ,奈米晶体药物的 开发是当前热门的一项研究. Elan 药厂所属的 NanoSystems 利用其在非水溶性药物的技术,藉著 在药物奈米粒子的表面包覆一层高分子以增加表面 core/shell 为材料的奈米探针中比金奈米粒子在 颜色讯号的改变较为明显,在基因分析应用上将是 非常重要的新材料. 在应用上,另一家公司 Quantum Dot 便利用半 导体量子点粒子具有独特,高期望的特性制造含有 亲水基表面 ,可溶在水相的发光粒子 ,这些高萤光 性的粒子结合到生物分子做为灵敏的生物检测器. 与传统的有机染料分子相比 ,量子点的萤光标记亮 度强,光稳定性佳及能发射多种不同的波长,这些 特性使得生物学家在细胞的研究工作上,只要将量 子点附著在特定分子上,当它在特定位置时,激发

下一页