盧陽明教授 國立台南大學光電工程研究所 蕭俊龍 國立台南大學光電工程研究所 吳信毅 國立台南大學光電工程研究所 一、新穎的微奈米生物醫學技術
人類歷經18世紀的工業革命，逐漸使用機械取代人力，使得科技 一日千里。早在1959年諾貝爾物理獎得主Prof. Richard P. Feynman 就曾發表“There is Plenty of Room at the Bottom＂的演講中，
早已預言奈米科技發展的可能性。1970年代末期以來，美國、日本、
西歐、俄國等先進國家早已開始致力於超微粒子的研究，並觀察到一 些異於傳統物理化學的奈米現象。到了1980年代以後原子力顯微鏡
（ Atomic Force Microscope, AFM ； 圖 一 ）、 近 場 光 學 顯 微 鏡
（Near-Field Microscope, NFM；圖二）、掃描穿隧顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM；圖三）等分析儀器陸續的被發明、應 用與普及化，提供了奈米尺度下的觀察、分析、物理化學性質的研究 及原子、分子的操控工具與能力。到廿一世紀的今天，人們逐漸具備 可以著手研究近分子尺度的設計和製造條件或原子等級的物質操 控，未來在此原子、分子尺寸等級科技的衝擊下，相信將引發下一次 重大的工業革命。
圖一 原子力顯微鏡 圖二 近場光學顯微鏡 (Atomic Force Microscope) (Near-Field Microscope
【圖片節錄自國立虎尾科技大學光電工程系】 【圖片節錄自工研院奈米共同實驗室】
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圖三 掃描穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope) 【圖片節錄自東海大學物理系】
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近幾年來「奈米科技」逐漸與我們的生活產生密切的關係，何謂 奈米(nano)？所謂奈米(nanometer)為一量測單位，等於十億分之一 米(10-9m)，具體比喻說明此概念，如果一個人是一公尺高，那一奈米 就像是人體內DNA的大小，又或大約等於人類頭髮的八萬分之一，嚴 緊 定 義 為 尺 度 在 1-100nm 的 介 觀 範 圍 。 而 何 謂 奈 米 科 技 (nanotechnology)呢？學者專家有不同看法，簡單的說，奈米科技係 指在奈米尺度下之製程技術；而奈米科技之所以受到如此矚目，一為 在實體的製造上要較從前縮小許多，更重要的是，在奈米尺寸下，物 質之性質(諸如熔點、磁性、導電性等)將迥異於傳統普通尺寸時之性 質，會產生新的特性和現象，例如：金在奈米尺寸大小時，熔點大幅 下降；在奈米尺寸下的二氧化鈦其導電性倍增等，這些特殊現象將對 產業創造了應用上的新契機，其關係如圖四所示。
圖四 奈米尺度與產業關係圖
奈米科技技術是依靠構想決勝負的智慧型技術產業，且著重於企 業獨特之高科技領域，因此，若能有效掌控奈米技術，將可引發新一 波的材料革命。此二十一世紀的新紀元，影響本世紀科技之主流為何?
一般認為：生物科技、奈米科技及資訊科技三者為首，而所發展的奈 米生醫技術(nano-biomedics)已在現實世界逐漸實踐，例如可以利用 奈米磁性顆粒與藥劑或DNA結合，從事目標導彈的治療。麻省理工學 院的研究團隊過去在一段去氧核醣核酸(DNA)上接金奈米晶體做的天 線，當無線電頻率傳送至這個小天線時，這段DNA就會受驅動等。利 用微機電及分子馬達技術來製作奈米機器，進入人體去修復有疾病的 器官、去除癌細胞、清除受阻的血管、更換有缺陷基因等都已可能實 現。
隨著人類基因圖譜初步解碼工作的完成，「個人醫學」(Personal Medicine)的願景將可能逐步的實現，而接著面臨的挑戰在於，為能 達到蛋白質體學、基因體學與藥物作用篩選等重要領域，大量樣本檢 測與分析的要求，必須發展高敏度、高通量、與微量樣本消耗等特性 之檢測方法及針對個體差異所須之奈米藥物與組織結構的設計與製 作 ， 而 在 臨 床 上 的 應 用 更 須 針 對 奈 米 科 技 的 生 物 安 全 性 (Nano Biosafety)作為深入的探討與及早因應。
微觀 尺寸:<1nm
介觀 尺寸:<1~100nm
新型的材料 新的改善特性
新興的產業應用
宏觀 尺寸:>100nm
韓、比利時、印度、保加利亞、俄羅斯、新加坡、芬蘭、西班牙、法 國、瑞典、德國、瑞士、荷蘭、台灣、中國大陸、日本、以色列、英 國等。西元1998年，歐洲和日本對奈米科技的政府支出都分別超越美 國政府。美國在人造合成、組合和高表面積材料（high surface-area material）等方面領先各國；在生物方法、應用和傳播、覆層等方面 則和歐洲不相上下。日本則在奈米設備和整合式奈米材料居領導地 位。整體來說，全球開始愈來愈注意奈米科技知識，使許多國家紛紛 投入這個新興產業。
台灣過去廿年來，積極投入半導體的研發與製造，創造了經濟奇 蹟，也成功帶動半導體產業躋身全球第三的佳績。過去的矽導產業的 發展是從上而下（Top-down）、由大做到小，也就是線寬愈做愈細，
往0.1微米以下的製程發展；而奈米科技則是由下往上（Bottom-up）， 改變以往產業的發展模式，也改變研發人員對物質材料結構的思維。
因為當物質小到奈米尺寸時，會產生新的特性，包括量子效應及表面 效應等。
奈米結構一方面是一個令所有科學家們充滿了無限想像的空 間，其整體的發展使我們得以踏上解開大自然及生物的奧秘。另一方 面，電子元件微小化所面臨的材料及技術瓶頸，也將因奈米科技的應 用研發而有所突破。在奈米尺度下，由於光子、電子、聲子自身與彼 此之交互作用，材料、元件及系統會展現出顯著改善或全然不同的物 理、化學及生物特性和現象。奈米技術主要目標即是藉由掌控原子、
分子、或巨分子尺度的結構或裝置來探討這些特性，並且有效率的製 造或使用這些裝置。因此，奈米科技正在逐步創造新一波的技術革命 與產業，它不僅將改變我們製作事物的方法，也對人類的生活將有全 面性的改變，同時也會改變我們所能製作事物的本質。預測未來奈米 科技所產生的新材料、新特性及其衍生之新裝置、新應用及所建立之 精確量測技術的影響，將遍及儲能、記錄媒體、光電、電腦、機械工 具、基因工程、醫學醫藥、化學工業、環境與資源等產業，對我們日 常生活影響甚鉅。如何將奈米科技的特性，轉成實際應用進而產生具 體經濟成效，是今日所有科技發展先進國家重視奈米科技最主要因 素。
從以上的一些論述我們可以了解隨著奈米技術不斷的研究發 展，以及在各方面的應用，人類的生活將會產生革命性的變化。奈米 科技不僅是最尖端的技術，也是最尖端的思考，當人類可以操控原子 及分子，理論上就能做出任何東西，甚至可以「操控」生命，只要下 指令就可以要生物按照人類的旨意來進行。
二、生物晶片的種類與在醫學上的應用
微機電系統（Micro-Electro- Mechanical-System, MEMS）為一 跨領域整合技術，被視為下世代重要的核心科技，美、日、歐洲等先
點。若能配合開發出低成本和可大量生產的製程，將可成為未來的新 興產業。目前微流體晶片技術在生物醫學方面應用的主要領域包括基 因表現分析、疾病診斷、藥物篩選、基因定序、蛋白質分析等相關應 用，圖五為商用表面電漿共振流道晶片量測儀。
圖五 Biacore®3000 之表面電漿共振流道晶片量測儀
【圖片節錄自BIACore AB公司】
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生醫技術的研發重點在於蛋白質體（proteomics）之研究，此一 研究隨著人類基因體解碼完成，生物技術開發人員開始把焦點轉向蛋 白質體的研究，方向上大致為蛋白質的辨識工作及與蛋白質之功能分 析。與基因體研究相比，蛋白質體學的研究更加困難，因人體內這些 化合物有數十萬甚至數百萬之多，而且在研究過程中將會產生大量的 資料。蛋白質體學發展的目的在於瞭解基因與蛋白質表現、功能和疾 病三者之間的關係，並用來研發新藥物以治療疾病。
蛋白質體的研究重點是去分析了解蛋白質在生物發育的各時 期，於各組織器官、正常細胞與腫瘤細胞間的表現程度，以及蛋白質 在細胞內的表現位置，譬如說，在細胞核或在細胞質之不同，是否會 影 響 其 功 能 。 目 前 主 要 的 技 術 為 利 用 雙 向 電 泳 （ 2D gel electrophoresis），在找到特定之蛋白質後，利用質譜儀來分析。但 目前有些重大的瓶頸，在許多狀況下，不是有DNA的表現，RNA就一定 表示會有表現，而且RNA的表現也不一定完全能代表蛋白質的表現。
因此解析蛋白質之間相互結合之關係作用，也成為蛋白質體研究的重 點之一。
隨著基因體研究與蛋白質體研究的發展，生物晶片、生物資訊與 生物微機電也逐漸興起。在生物晶片的產業領域，包括有晶片製程、
生物晶片定性與量測、生物晶片製程、生物晶片診斷應用、生物晶片 偵測系統，以及生物晶片的生物資訊等，此些發展為標準的科技整 合。若單以生物晶片之產值而言，於巿場的規模不大。但若將生物晶 片定位為具有衍生性價值之產業，並利用生物晶片之開發加以縮短生 命科學之研究、新藥開發之時程以及改變現有的醫療檢驗方式，在人 類基因組定序完成後，用以了解大量的基因序列中所具有之意義，以 及如何應用生物晶片技術在基因和蛋白質結構與功能的解釋，仍有努 力空間。
生物資訊是有系統地收集、分類、比對、整理、歸納生物資料，
來加以了解生物分子的基因序列與生物各層次的構造間之互動機 制。因此，生物資訊可將生物基因解碼後的核酸序列及其胺基酸序列 做關連、歸類及比較，使解碼之核酸序列具有生物意義。生物晶片則 應用生物資訊所得的資訊來進一步分析，進而了解基因—蛋白質—疾
來加以了解生物分子的基因序列與生物各層次的構造間之互動機 制。因此，生物資訊可將生物基因解碼後的核酸序列及其胺基酸序列 做關連、歸類及比較，使解碼之核酸序列具有生物意義。生物晶片則 應用生物資訊所得的資訊來進一步分析，進而了解基因—蛋白質—疾