磁性奈米顆粒應用

奈米磁鐵是屬於一超順磁材料，其磁化方向不固定在一個易磁化方 向，易磁化且無規律變化，國內已有學者使用磁性奈米顆粒進行試驗，

像是利用 MNP 吸附 CMP (Chemical mechanical polishing) 廢水之懸浮 顆粒，將 pH 固定約為 6 時，可以有效去除 95 ％以上的懸浮固體物，

藉此降低水中濁度 (陳和秦, 2005)。另外，國內也有學者利用磁性奈米級 四氧化三鐵 (Magnetic nano- Fe3O4，MN- Fe3O4) 為吸附劑，針對酸性染 料進行吸附特性探討，試驗初期針對 MNP 材料行界達電位測試，結果 發現等電位點約為 5.7，故當 pH 小於 5.7 時，表面帶負電荷，反之則帶 正電荷，故試驗過程使用 MN-Fe3O4 對兩種帶負電染料 (New coccine, NC and Indigo carmine, IC)，並於酸性環境下進行吸附試驗，已達未來處 理酸性 CMP 廢水之可行性。結果發現當 pH=2 時，去除率可達 82 ％ 及88 ％ (葉, 2008)。學者 (Saiyed et al., 2007) 曾利用 Fe3O4 來吸附血 液中的磷酸 (ALP)，實驗結果可使 ALP 穩定覆著在磁鐵顆粒上。由此可 利用 MNP 在不同環境下之表面帶電荷特性，針對不同污染物進行吸附 整治。

國外針對 Dendrimer 研究已經行之多年，目前已可有效將磁性奈米 顆粒表面複合上本論文所探討的樹狀高分子，並進行物理性的分離 (Gruttner et al., 2005)，但絕大部分領域偏向於生醫方面應用。像是有學者 首先利用共沉澱法製備出 (A) 磁性奈米顆粒 (MNP)，並利用 (B) 矽烷 氨 (amini-silane) 在 MNP 表面形成鍵結，隨後加入 (C) 丙烯酸甲脂結 合形成半世代及 (D) 乙二胺形成外部核心，重複上述步驟可以在 MNP

表面有效合成出 Dendrimer Gn，(E) 最後將製備好帶有 Dendrimer 的磁 性顆粒進行 (F) 吸附鍵結試驗，最終亦可達到 95 ％以上鍵結效率；此 外，在吸附達飽和後，可以藉由磁選分離原理，將吸附基材從溶液中有 效分離 (Pan et al., 2005)，其流程如圖 2.17 所示：

圖2.17 MNP 合成 Dendrimer Gn 及吸附鍵結流程 (Pan et al., 2005)

此外，學者 (Pan et al., 2005)也是利用共沈澱法製備出 Fe3O4，在表 面加入前驅物 (ATPS)、乙二胺和丙烯酸甲酯合成出 Dendrimer 後，進行 血液蛋白 (bovine serum albumin, BSA) 鍵結吸附亦有極佳效果。其他文 獻中發現，利用奈米顆粒表面合成不同世代的 Dendrimer (G1~G6)，並在 製備過程中加入 AEEA 作為 MNP 和 Dendrimer 之連接官能基，藉此確 保合成不會輕易分離，並於合成後進行 DNA 鍵結試驗，實驗結果發現 當世代越高，因表面官能基群越多，吸附鍵結效果越佳。此外，經由磁 選回收後可以重複再利用 (Yoza et al., 2003)。

除使用 AEEA 作為連接 MNP 及 Dendrimer 材料之外，另有利用丙 烯酸 (polyacrylic acid, PAA) 鍵結在磁性奈米顆粒上再藉此連接高分子 材料，製作出來之複合材料可以有效將酵素 (bromelain) 進行吸、脫附試 驗 (Chen and Huang, 2004)；另一方面，(Mak et al., 2004)也利用相同 PAA 材料進行 MNP 之合成，將此材料置於含 methylene blue (MB) 污染水溶 液中可以有效吸附 MB (最大吸附量 0.199 mg/mg)，並且實驗發現當溫 度及 pH 值提高，吸附效果亦有提昇之趨勢；另一方面，此種高分子材 料 (PAA) 複合 MNP 當吸附完 MB 後，只要加入乙酸 (4 Vol ％) 即可 有 80 ％脫附效果 (圖 2.18)。

圖2.18 加入乙酸脫附試驗 (Mak et al, 2004)

Jiang et al. (2007) 在 SBA-15 多孔矽顆粒上首先複合出不同世代的 Gn-Dendrimer PAMAM-SBA-15，利用 EDTA 與其再次複合成 EDTA

子材料，或是再複合 EDTA 的複合材料，針對不同金屬 (Cu²⁺、Pd²⁺、 Zn²⁺等) 於短時間 (15 min)內皆有 70 ％以上的去除效率，而且在吸附鍵 結後，將環境調整於酸性 (pH≦1.76) 下發現會有脫附之情況發生，其原 因是因為酸性環境下氫離子會和金屬離子行競爭吸附，氫離子較金屬離 子易鍵結於表面官能基上，故酸性條件下會不利於金屬離子吸附。

除上述所提及之磁性奈米顆粒去除污染物之介紹外，在表 2.6 統整出 使用 MNP 及 MNP 複合其他高分子材料之去除率及飽合吸附量，更可以 證實 MNP 在環境工程上的高運用性。

圖 2.19 製備 Gn-Dendrimer PAMAM-SBA-15 及 EDTA modified Gn-PAMAM-SBA-15 流程圖 (Jiang et al., 2007)

作者 材料 污染物 操作條件 結果 其他

葉, 2008 Fe3O4 new coccine indigo carmine

1. IC 5×10^-5 M 2. NC×10^-5 M

2005 Dendrimer

Gn /MNP Bovine serum

albumin (BSA) 1. BSA 5 ml

al., 2005 Dendrimer

Gn /MNP Streptavidin (SA)

1. 緩衝溶液(0.05 M pH=7.4) 2. SA 1ml (0.85 mg/mL) 3. Gn/MNP 1ml (2.5 mg/mL)

1. 最大吸附量約為 140 ug/mg.