5-1 無機材料輔助雷射脫附游離質譜法之發展歷程
以無機材料做為輔助雷射脫附游離的發展歷程可以追溯到1987年由
K. Tanaka以鈷金屬粉末 (~300Å) 混以甘油為基質所發展的軟性雷射脫
附質譜法 (Soft laser desorption, SLD)。5然而，由於奈米級的鈷金屬粉末 不易取得且具有易吸入肺部的危險性存在，因此在1995 年Sunner等人提 出以微米大小的碳粉末當作吸收雷射能量及傳遞能量的媒介，可以取代 鈷金屬在基質中所扮演的角色，並命名為表面輔助雷射脫附游離質譜法 (Surface-assisted laser desorption/ionization, SALDI)，具有低基質干擾、樣 品製備簡易等優點。78而 1999年，Siuzdak等人在Nature 期刊上發表了 以具有UV吸收的多孔性矽基材作為基質而發展的 DIOS (Desorption/
ionization on silicon)，79在不需傳統基質 (Matrix-free) 的條件下仍然具有 十分良好的脫附游離效果。DIOS的發展開啟了無機材料輔助雷射脫附游 離質譜法的新時代，許多相關的研究和應用也相繼發表，80-82後續的發展 十分令人期待。
5-2 溶膠凝膠材料輔助雷射脫附游離質譜法之研究
本實驗室最近發展了以溶膠凝膠材料做為輔助雷射脫附游離質譜法
的新質譜方法，83即利用含矽溶膠凝膠的無機高分子材料以共價鍵結傳統 的MALDI基質，如2,5-Dihydroxybenzoic acid (2,5-DHB)，能夠讓原本
在波長337 nm不具有吸光能力的溶膠凝膠材料，因為2,5-DHB的嵌入
而改變其性質，變成具有吸收雷射能量的材料。由於2,5-DHB是以共價
鍵結在溶膠凝膠材料的網狀結構中，不容易因雷射照射而脫附游離至氣 相，所以以此溶膠凝膠材料做為MALDI的基質，可以得到幾乎沒有基質 訊號干擾的質譜圖，且樣品的製備較傳統MALDI簡單，不需考慮基質與 樣品的互溶性以及共結晶化好壞的問題，對於小分子的分析是相當有幫 助的，目前可偵測質量上限約在16000 Da左右。
由於溶膠凝膠材料的應用範圍相當廣，因此本實驗室成功開發的溶
膠凝膠輔助雷射脫附游離質譜法 (Sol-gel assisted laser desorption/
ionization, SGALDI) 具有相當大的發展空間，例如結合固相微萃取法的
研究以及在MALDI分析DNA 分子中去除鹽類干擾的應用，也都證明其
可行性。84, 85然而，在本論文進行有關以質譜法進行分子辨識的研究過
程中，我們發現含矽溶膠凝膠與傳統基質形成的高分子材料在水相環境 中的性質並不是十分穩定，或者會因為額外的分子加入而影響其鍵結程 度，而失去其吸光特性，因此將其當成轉印分子的材料並不可行。因此，
合成本身即具有吸光性質的溶膠凝膠材料是發展分子辨識質譜法的關 鍵。在文獻中已顯示二氧化鈦溶膠凝膠在波長337 nm具有相當的吸收 率，86因此本論文嘗試合成具有吸光性質的二氧化鈦溶膠凝膠材料探討其 輔助雷射脫附游離質譜法的可行性及進行其做為分子轉印材料的研究。
5-3 二氧化鈦的簡介
鈦 (Ti)，是地球上含量居第四位的金屬元素，排名在鋁 (Al)、鐵
(Fe)、鎂 (Mg) 之後，是一種質輕、強度高，可抵抗化學腐蝕及生物侵害
的穩定優良金屬之一。因為鈦金屬的淬取生產成本很高，因此只見於在
航太工業及一些化學品的生產設備，而二氧化鈦化合物被廣泛使用在工 業產品上。
二氧化鈦可製成n型半導體，基本分子結構屬閃鋅晶格，係以鈦原 子為中心，周圍有6個氧原子形成配位數為6之八面體結構。二氧化鈦 常以銳鈦礦 (Anatase, A type)、金紅石 (Rutile, R type) 及板鈦礦
(Brookite) 三種結晶組態存在自然界中，其中銳鈦礦與金紅石結構最廣為
被使用，而後者極為罕見，表二為銳鈦礦與金紅石的基本物理性質。銳 鈦礦為低溫穩定相，具有吸收紫外光的特性，用於光觸媒及太陽能電池。
而金紅石則為高溫穩定相，俗稱鈦白粉，是一種具有優異遮蓋效果的白 色顏料，通常用於油漆、塗料、塑膠、橡膠、造紙、油墨、陶瓷等。87 由於其對光線的折射係數 (Refractive index) 遠較其他任何白色顏料為 高，因此被廣泛地使用在要求不透光效果的產品上。奈米級的金紅石利 用光散射作用具有阻絕紫外光之功用，是一種強而有效之美白聖品，目 前市售化妝品中有多種美白產品均以金紅石為主所衍生出來的。88
表二、銳鈦礦與金紅石的基本物理性質
性質 (Properties) Anatase Rutile
密度 (Density) (g/cm3) 3.9 4.2
折射係數 (Refractive index) 2.52 2.71
介電常數 (Dielectric constant) 31 114
熔點 (Melting point) (℃) 晶相轉移成rutile 1858
1972年Fujishima和Honda在Nature期刊上發表關於TiO2電極上光 分解水的論文，89也開啟了一個多相光催化的新時代。激發二氧化鈦所需 的能量間距為3.2 eV，相對所需光能量的波長相當於 388 nm。當波長小
於388 nm之紫外光照射在二氧化鈦奈米顆粒時，在價電帶的電子被紫外
線的能量激發而跳升至傳導帶，同時，在價電帶產生帶正電之電洞，進 而形成一組電子電洞對 (Electron-hole pair)，其反應時間僅數微秒
(μsec)。電子與電洞具有強大的還原能力，能夠與二氧化鈦表面的水分子
反應而形成具有強大氧化能力的氫氧自由基 (OH‧)，而具有光觸媒的特 性，其光催化反應可分為下列幾個步驟：
1. 反應物、氧氣及水分子吸附於二氧化鈦表面；
2. 經紫外線光照射後，二氧化鈦產生電子及電洞；
3. 電子和電洞被捕捉而分別存在二氧化鈦表面；
4. 電子電洞與氧及水分子形成氫氧自由基；
5. 氫氧自由基與反應物進行氧化反應；
6. 產物再由二氧化鈦表面脫離。
在上述的幾項反應式中，光照的強度、溶氧量及二氧化鈦觸媒本身 的性質等，均是影響光催化反應的因素。其中觸媒的特性，如顆粒的大 小、比表面積、孔洞大小、表面氫氧基的密度等，深深地影響著電子電 洞對的產生或再結合 (Recombination) 的速率以及表面吸脫附的過程。
5-4 鈦系化合物為基質的發展歷程
以鈦系無機化合物做為MALDI的基質在文獻中已被廣泛地討論，主
要是使用Titanium nitride (TiN) 或Titania (TiO2) 的粉末。例如 F.
Hillenkamp等人以TiN的奈米粉末 (35 nm) 與甘油混合做為基質並利用 波長為1064 nm的 Nd:YAG雷射可以成功地偵測到Carbonic anhydrase (~29 kDa) 的分子離子；8T. Kinumi等人利用TiO2的粉末 (1 μm) 與甘 油混合做為基質具有低背景干擾的優點，其偵測質量上限約為2500 Da， 適合用來做小分子的分析，9但都是以鈦粉末當成基質成分之一。
六、論文目標
傳統的MALDI基質，多以具有吸收雷射能量能力的有機酸小分子為
主，各種不同類型的無機材料也相繼被研究開發並嘗試以其為基質。而 本實驗室所發展的二氧化矽混成2,5-DHB為承載樣品及輔助樣品之雷射 脫附游離已證明其可行性，基於此基礎，將發展二氧化鈦溶膠凝膠材料 為輔助雷射脫附游離之基材。
本論文的主要目標，(1) 發展含鈦溶膠凝膠為輔助雷射脫附游離質譜 法的基材 (TiO2-sol-gel assisted laser desorption/ionization, TiO2-
SGALDI)：含鈦溶膠凝膠在波長337 nm具有相當的吸收率86，因此應可
做為輔助樣品在雷射照射下的脫附游離，因此將嘗試合成適當的含鈦溶 膠凝膠為輔助雷射脫附游離的方法。此外，也將合成不同表面性質的含 鈦溶膠凝膠薄膜，探討薄膜表面性質對於分析物在脫附游離中訊號強度 的影響。(2) 本論文的另一個目標在於結合TiO2溶膠凝膠的特點，發展 新的雷射脫附質譜法，並結合分子轉印技術及分子辨識的概念，研究以 質譜法直接當做分子辨識的偵測方法。