李明威教授 國立中興大學物理系 一、前言：
奈米(nm, nanometer）為長度單位，一奈米為1×10-9公尺，大約是 一根頭髮粗的千分之一。通稱尺度小於100nm的材料才稱為奈米材 料。奈米材料依維度可分為零維、一維與二維三種。零維材料所指的 是材料本身長、寬、高三個均在奈米尺度內，形狀為點狀。而一維材 料則指長、寬、高其中有兩個在奈米尺度內，形狀為線狀。同理二維 材料長、寬、高僅有一個在奈米尺度內，形狀為面狀。一維材料的結 構包括奈米線、奈米管、奈米柱等。其材料又包括金屬線，半導體線、
氧化物線等。奈米線在生醫方面的應用非常廣泛，已經開發成功的技 術包含診斷醫療工具、感測器、奈米鑷子、及作為植入性混合材料。
尚未開發出來但具有潛力則有奈米機械人、奈米手術工具等。未來在 生醫應用將扮演重要的角色。
本文將以目前研究最為廣泛的一維奈米結構－奈米碳管－為 例，來說明一維奈米結構在生醫方面的應用。首先我們將介紹奈米碳 管的發現，其基本物理性質，合成的方法，然後我們再介紹其各種已 經發展出來，或仍待開發的各種應用。
二、奈米碳管的發現：
奈米碳管首次發現歸功於NEC公司的飯島(S. Iijima)博士。繼碳60 被富勒烯(fullerence)被發現後，飯島決定用高解析度透射電子顯微鏡 (HRTEM)仔細研究由這一技術同時副產出的碳黑粉末，但並無所獲，
他轉而考查電弧蒸發後在石墨陰極上形成的硬質沉積物，觀察時發 現，陰極炭黑中含有一些針狀物，由直徑為4～30nm、長約1μm、由2 到50個同心管構成。該結果發表在Nature雜誌上[1]。1992年，Ebbesen 和Ajayan等人發現用氦代替氬作緩衝氣體，增加電弧蒸發室的氦壓 時，可改善奈米碳管在陰極炭黑中的收集率，每次生產的奈米碳管有 milligrams，大大促進全球奈米碳管的研究步伐。[2] 1993年，飯島[3]
和IBM公司的貝蘇(D. Bethune)[4]分別用Fe和Co混在石墨電極中，各自 獨立的合成了單壁奈米碳管，又一重大進展。
三、奈米碳管的幾何結構：
單壁奈米碳管可看成是石墨烯平面映射到圓柱體上，在映射過程 中保持石墨烯片層中的六邊形不變，因此在映射時石墨烯片層中六角 形網格和奈米碳管軸向之間可能會出現夾角。根據奈米碳管中碳六邊
扶手椅
鋸齒
形沿軸向的不同取向可將其分成鋸齒型(zigzag)、扶手椅型(armchair) 和螺旋型(helix)3種。
圖一、單壁奈米碳管參數的幾何意義
多壁奈米碳管一般認為是同心圓柱結構，其層與層之間的間距為 0.34nm。用密度函數理論(density function theory, DFT)研究多壁奈米 碳管層與層之間相互作用，計算結果顯示，層間距為0.339nm，層與 層發生滑移(slip)及旋轉(orient)所需能量分別為0.23eV及0.52eV，說明 在室溫條件下，多壁奈米碳管層間容易發生滑移和旋轉[5]，但存在的 缺陷會限制層間的滑移和旋轉。多壁奈米碳管結 構較複雜、不易確 定，需3個以上參數來表示(除直徑和螺旋角外，需考慮管壁間距及不 同片層間六邊形排列的關係)。
四、奈米碳管的能帶結構：
奈米碳管依其不同幾何排列，會呈現金屬，或半導體性質。圖二 顯示不同的扶手椅型(armchair)、鋸齒型(zigzag)結構，其能帶(energy dispersion)圖。(a)圖為扶手椅型，無energy gap，為金屬。(b)圖為鋸齒 型(9,0)，導帶與價帶相接，嚴格而言為semimetal。(c)圖為鋸齒型 (10,0)，為窄能階半導體。
圖二、能帶結構
(a)扶手椅型(5,5)，(b)鋸齒型(9,0)，半金屬，(c)鋸齒型(10,0)，半導體
五、奈米碳管的拉曼表徵：
拉曼光譜對碳質材料結構中的偏移對稱性反應很敏感，還具有所 需樣品量少、對樣品無損傷等優點，是一種理想的探測奈米碳質材料 微觀結構資訊的方法。
從拉曼光譜可判斷單壁奈米碳管的振動模式，可標定樣品中單壁 奈米碳管的直徑分佈，奈米碳管的結構特徵、取向(orientation)效應、
彈性模量等資訊。
六、奈米碳管的合成:
常用的合成方法有三種:
(一) 雷射蒸發法(Laser vaporization)：
裝置如下圖所示，在一個高溫真空爐內放置一個石墨靶(target)，
用脈衝雷射 ( 通常為excimer laser) 照射石墨靶，石墨經照射後蒸 發，其蒸汽會由承載氣體 (argon) 帶走，凝結在有水冷卻的銅極上，
經 過 收 集 ， 即 可 得 到 奈 米 碳 管 。 一 般 的 實 驗 參 數 是 真 空 爐 溫 度 1200℃，如果在石墨靶驂入少量的過度金屬(1.2% Co-Ni)，產生的碳 管即為單層奈米碳管。有時候也可以採用紅外線，Nd-YAG雷射(λ＝
1.064μm)。
圖三、Laser vaporization的裝置圖 (二)電弧放電法(Arc-discharge)：
使用裝置是在真空腔體內，裝置兩根直徑5mm以上之石墨棒作為 正負電極，在腔體中通入氬氣，壓力約500Torr，當碳棒電極通過 100~200A的電流時，石墨蒸發，並且形成電漿，當反應持續進行時，
奈米碳管會沉積在陰極碳棒上，最後變成一根圓柱狀的固體，中間部 份充滿奈米碳管。如果想要成長單層奈米碳管，可以在石墨棒靶驂入 少量的金屬，例如過度金屬Co、Ni、Fe，稀土金屬Y、Gd，或合金Fe/Ni、
Co/Ni、Co/Pt。電弧放電法的特點是可以產生大量的奈米碳管，每次 可以達到1公克以上。
圖四、Arc-discharge的裝置圖
(三)蒸氣成長法(Vapor Growth)：
裝置包括一個管狀高溫真空爐，溫度約～1000℃，通入碳氫化合 物氣體，例如CH4、C6H6、C2H2…；在基板上預先準備金屬催化劑：
Fe、Co、Ni，奈米碳管就會成長在基板上。蒸氣成長法的優點是只要 氣體的供應源源不絕，就可連續生長、因此可以產生大量的碳管、適 合大規模生產。
圖五、Vapor growth的裝置圖
七、奈米碳管的應用
奈米碳管在生醫的應用包含作為醫學診斷工具、以偵測腫瘤或量 測血壓，或作為生藥物傳輸的載具、或作為植入性材料，甚至細微的 手術工具。以下我們就各種不同的用途作更詳細的說明。
(一)醫學診斷工具(Diagnostic tools):
1.輻射腫瘤診斷(Radiation oncology)：目前最常用的輻射診斷工具 是X-ray攝影。其發光原理是以一鎢絲作為陰極。通電後鎢絲電 極溫度昇高，發射出熱游電子，隨後以加速電壓将電子朝正極加 速，電子撞擊金屬靶(例如銅靶)後產生X-ray，即可用來作X-ray 攝影，以便做於腫瘤之診斷。這種傳統的X-ray攝影的優點是不 需要高真空即可運作。缺點是：(1)反應時間慢、(2)耗電、(3)儀 器壽命短。最近的研究發現奈米碳管是優良的場發射電子源，可 以用來產生X-ray。奈米碳管的優良電子場發射特性原因有：(1) 碳管尖端為奈米級，電場強化因子大，尖端放電容易產生；(2) 碳管的功函數低；(3)可耐高溫。奈米碳管的場發射電流與電壓 可以Fowler-Nordheim公式來描述。
⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝⎛−
= V
exp b aV J 2
其中V為正負電極間之外加電壓，a、b為常數。目前實驗已經可 以在面積0.2cm2的碳管產生28mA的電子電流，而單根奈管的電 流也可以達到mA以上。以人體器官診斷而言，大約需要14kVp 與180mAs。最近Cheng已經開發出一套以奈米碳管為X光源的放 射攝影設備，可進行動態攝影。其裝置如圖所示，此系統可以產 生10-9 sec的X-光脈波。而且陰極的直徑只有1mm。CNT的X光源 的優點是：(1)快速反應時間；(2)可焦聚到小點；(3)低耗電；(4)
VV
CNT W gate Foucusing electrode
Electrons
Be window Target (Mo)
A Va 2.感測器(sensors)：
感測器的功能是當外在環境例如溫度、壓力等發生變化時，會產 生一個訊號。感測器依照用途有許多不同的種類。
A.壓力感測器(Pressure sensors):
目 前 醫 學 用 的 許 多 壓 力 感 測 器 是 以Si 晶 片 利 用 壓 電 阻
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式叫醒病患。還有病患使用人工呼吸器時，如果啟動的時間不 對，則吸入的藥劑量不足，利用壓力偵測器偵測病人呼吸的頻率 可以準確釋出正當藥量。在洗腎機中，血液中的廢物透過滲透膜 排除，壓力計可以精確的控制血液的流速。
B.DNA生物感測器:
奈米碳管製成之生物感測器可偵測某一特定的DNA種類，可用 於診斷跟DNA相關的疾病，每次測量只需用到幾個DNA分子，
而且無須抽血。目前所用的生物感測器體積較大，易造成傷口腫 大。奈米碳管感測器就不會有這些問題。
3.探針(probes)：奈米鑷子(nanotweezer)
探針的用途是從一個遠距處得到需要的訊息。奈米碳管已經被製 成許多種類的探針，其中最長見的是AFM(原子力顯微鏡)探針，
可用於偵測奈米尺寸的影像。另一種奈米碳管探針是奈米鎳子，
其結構是用一隻斜口的微米玻璃管(如圖八所示)，在其上鍍上金 電極，將奈米碳管黏接至其頂端。利用碳管尖端的靜電力與彈性 恢復力之平衡，可以控制鑷子張開或閉合。奈米鑷子可以用來夾 取DNA分子，測量其導電性質，或作為機電感測器，以量測壓 力、黏性(藉用測量共振頻率)。其應用的前景頗被看好。
圖八、奈米鑷子的基本原理 (二)生物藥學(Biopharmaceuties):
1.藥物傳輸(drug delivery)：藥物傳送的的基本要求是藥物的釋放速 率需適當，釋放太快會導致藥物吸收差，腸胃不適及其他副作 用。而且藥物在輸送過程中不能分解，因為某些藥物是具有毒性 的。因此目前藥物(在傳送過程中)都是包在容器內。奈米碳管是
一個適合作為藥物載體的材料。透過將奈米碳管功能化，即可使
(三)植入性材料及元件(Implantable materials and devices):
1.植入性奈米感測器及奈米機器人(Implantable nanosensors and nanorobots）：患有糖尿病的並病人經常需要定期自我檢測血糖以 控制血糖，這對小孩及老人有時無法做到。另一種情形是經常暴
2.致動器(人工肌肉)(actuators, artificial muscles)：致動器的功能是 將電能轉換成機械能，產生機械運動。這對許多生醫應用是很重
3.奈米流體系統(Nanofluidic systems）：生醫界常用流體系統來進行 藥物配方如果液體注射裝置體積太大對鄰邊的組織會造成傷 害，因此若能縮小液體裝置體機會有許多好處，包括微幫浦，奈 米流體，液體儲存槽等。使用微流體系統可以解決這個問題，但 是目前為止，有關奈米流體的開發還在起始階段，尚未有很多實 驗結果發表，這是一個未來有很大發展空間的領域。
(四)手術輔助設備(Surgical aids):
在外科開刀過程中，手術的刀具如果大，病人傷口自然大，手術 需要的時間長，傷口癒合時間久，更不用說病人的痛苦增加，而且大 型手術刀，也不適合用於心臟、腦、眼、耳等開刀。腹腔鏡手術解決 了一部分問題，但腹腔鏡手術需要有技術熟練的醫生進行。如果開發 以奈米碳管為基礎的奈米開刀設備，可以進行微小傷口的手術，進行
在外科開刀過程中，手術的刀具如果大，病人傷口自然大，手術 需要的時間長，傷口癒合時間久，更不用說病人的痛苦增加，而且大 型手術刀，也不適合用於心臟、腦、眼、耳等開刀。腹腔鏡手術解決 了一部分問題，但腹腔鏡手術需要有技術熟練的醫生進行。如果開發 以奈米碳管為基礎的奈米開刀設備，可以進行微小傷口的手術，進行