cluster/domain)[3-7]。2006 年研究指出，螯合金屬後的 MT ，其 α-，β- metal cluster
形狀類似兩個環狀結構，當β-metal cluster 形成(Mn2CdS3)3-類似Zinc-Blende 結構時，可
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1-2“稀磁性半導體”(Diluted Magnetic Semiconducto DMS)
自從1980年左右開始，許多研究者注意到所謂的“稀磁性半導體”(DMS)，亦即在
半導體中摻雜少量的磁性元素。大多數磁性過渡金屬的價數與Ⅱ族陽離子的價數相同，
所以剛開始的焦點放在以Ⅱ-Ⅵ族化合物為主的DMS [9-10]，例如：(Cd,Mn)Te、
(Zn,Mn)Te、(Zn,Co)S、(Hg,Fe)Se等。雖然它們在製備方面比較容易達到高密度的磁性
原子以及量子結構的製作，但是卻不易摻雜為n型或p型的半導體。此外在磁性方面，由
於局域化自旋(localized spins)之間的反鐵磁超交換作用
(antiferromagneticsuper-exchange)，隨著磁性離子濃度與溫度的變化，它們僅表現出順磁
(paramagnetic)、自旋玻璃態(spin-glass)或是反鐵磁性(antiferromagnetic)的行為[11]。雖
然在1994年Ⅱ-Ⅵ族化合物DMS的摻雜技術(利用MBE方式)有所突破後，陸續在p型的
(Cd,Mn)Te、(Zn,Mn)Te以及(Be,Mn)Te中發現其具有鐵磁性[11-13]，然而它們的居禮溫
度Tc都低於10K，這對於元件室溫操作的必要條件而言，仍然是相當明顯不利的缺點
[14]。
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1-3 Zinc-Blende 結構
閃鋅礦(zincblende)的結構為面心立方晶體結構 (Face-Centered Cubic Crystal
Structure) FCC 型(如圖 1)，閃鋅礦(zincblende)的結構與許多金屬的晶體結構一樣具
有立方幾何 (cubic geometry) 的單位晶胞，其原子位置排列於每一個角和所有立方面的
中心位置，此種結構稱為面心立方(FCC)晶體結構，在閃鋅礦結構中其中 4 個陽離子位
在正常FCC 結構的格子點上，而 4 個陰離子佔據 8 個四面體位置的一半。由離子半徑
比預測出配位數為 4 之離子可有此種結構。
圖1 立方 ZnS “Zinc-Blende”結構示意圖 (a)晶體結構 (b) (001)面上投影圖 (本圖參考自網路” Prof. Dr. Helmut Föll Semiconductor Technology”
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semitech_en/index.html)
(a) (b)
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1-4超自旋互換作用(super exchange interaction)
以較簡單的例子來說，例如La1-xSrxMnO3的晶體結構為鈣鈦礦(perovskite)結構，如
hopping)，我們稱這種作用為超自旋互換作用(super exchange interaction) ，因此 LaMnO3
是反鐵磁材料[15]。
圖2 圖(a) La1-xSrxMnO3的晶體為鈣鈦礦結構圖[15]。圖(b)超自旋互換作用示意圖，Mn3+ 離子有四個3d 價電子，其中三個是t2g電子、一個是eg電子，當Mn3+ 的eg電子與鄰近Mn3+ 的eg電子具有反向的自旋 方向時，eg電子可以透過中間O 的 2p 軌道在極短時間內，跳至鄰近 Mn3+ 的eg軌道然後再跳回原來Mn3+
的eg軌道，我們稱這種作用為超自旋互換作用(super exchange interaction)。
(a) (b)
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1-5 雙自旋互換作用(double exchange interaction)
La1-xSrxMnO3是混合價化合物，由於掺雜作用，若某一定比例的Mn3+ 被Mn4+ 取代，
而Mn4+ 有三個3d 價電子，全部具有 t2g對稱性，並沒有eg電子，在某一定掺雜範圍內，
如果Mn3+ 的eg電子與鄰近Mn4+ 的eg電子具有同向的自旋方向時，eg電子可以透過中
間O 的 2p 軌道跳至鄰近 Mn4+ 的eg軌道，而降低整個系統的能量，因此La1-xSrxMnO3
是鐵磁材料而且也是導體，我們稱這種作用為雙自旋互換作用(double exchange
interaction) [15](如圖 3 所示)。此種現象普遍存在於“稀磁性半導體”(DMS)中，尤其更以
用錳做為摻雜離子所形成的“稀磁性半導體”(DMS)為主[16]。
圖 3La1-xSrxMnO3的價電子雙自旋互換作用原理示意圖 Mn3+ 的eg電子與鄰近Mn4+ 的 eg 電子具有同向 的自旋方向時，eg 電子可以透過中間 O 的 2p 軌道跳至鄰近 Mn4+ 的 eg 軌道，而降低整個系統的能量，
因此讓此材為鐵磁材料而且也是導體，我們稱這種作用為雙自旋互換作用(double exchange interaction) [15]。
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1-6 分子內超自旋互換作用(intramolecular superexchange interactions)
一般來說此現象是用來形容在低溫下有微小的分子團簇結構，因為在沒有熱擾動的
干擾下，分子內部的交互作用會就為明顯，使的分子內部的電子自旋方向相較於在一般
常溫下，較容易改變為同一方向，使的再分子團簇結構形成長程且有序的磁性序列（long
range magnetic order ,LRMO）。由於 LRMO 是形容長程有序的磁性序列，也就是說，當
分子團簇一旦形成LRMO 時，此分子團簇內部電子自旋方向在一定的範圍內有了相同
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且長程有序排列，導至分子產生鐵磁性。(本圖參考自網路”highwaydata.
com.cn”)
1-7綠色螢光蛋白(Green Fluorescence Protein,GFP)介紹
綠色螢光蛋白起源及發展
綠色螢光蛋白（green fluorescent protein），簡稱 GFP，這種蛋白質最早是由下村脩
等人在 1962 年在維多利亞多管發光水母中發現。其基因所產生的蛋白質，在藍色波長
的位置。由海腎(sea pansy)所得的綠色螢光蛋白，僅有在 498nm 有一個較高的激發峰點
[22-27]。
在細胞生物學與分子生物學領域中，綠色螢光蛋白基因常被用作為一個報導基因
(reporter gene)。一些經修飾過的型式可作為生物探針，綠色螢光蛋白基因也可以轉殖
到脊椎動物(例如:兔子上進行表現，並拿來映證某種假設的實驗方法。)2008 年 10 月 8
8
日，日本科學家下村脩、美國科學家馬丁·查爾菲和錢永健因為發現和改造綠色螢光蛋
白而獲得了當年的諾貝爾化學獎。[22-27]
Aequorin 這種會將化學能轉換形式成光能的冷光蛋白(Chemilluminescent protein)可
與鈣離子結合，將儲存於 Aequori 中的 ATP 化學能進行發生化學反應產生光能。此過
程為Aequorin 中的 coelenterazine 氧化成 coelentetramide，並釋出 470 nm 的藍光，而此
時GFP 吸收 Aequorin 釋出的藍光後，放出 508 nm 的綠光螢光[28-30] (圖 5)，後來發
展應用於偵測細胞體內鈣離子的濃度[31]。
圖5 Aequorin 的發光機制示意圖 ”Aequorin”在經過鈣離子的催化後，經過氧化反應，會釋放波長 470nm 的藍色螢光。此色螢光會傳遞能量激發GFP，使 GFP 釋放波長 508nm 的綠色螢光。
1980年華人化學家錢永健(Roger Y. Tsien)發展出能發出各種顏色的螢光蛋白質，錢
博士首先針對綠色螢光蛋白的發光機制進行研究。由過去的研究，已知發光基團來自於
65∼67號胺基酸分子的摺疊、環化和脫水。錢博士進一步證實這些分子還需經過最後的
氧化反應，才有辦法形成真正能產生螢光反應的發光基團。接著他利用點突變的技術改
變GFP的基因，進而產生不同胺基酸組合的GFP。研究結果證實藉由這種方法，可以使
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原本綠色的GFP轉變為發出青綠色、藍色、黃色等不同顏色的GFP類似物而獲得2008年
諾貝爾化學獎[22,23,26,32]。
綠色螢光蛋白結構及發光機制
結構
GFP 最早是在 Aequorea Victoria 中發現。GFP 的結構是三級結構的蛋白質，內含有
238 個胺基酸[33]。如圖 6 與圖 7 所示，其結構主要是由 4 條 alpha-helix 和 11 條 beta sheet
所構成一個桶狀型態（barrel）的結構並包圍著其發光基團(chromophore)，此種結構會
保護其chromophore 使其在高溫或強酸強鹼的情形下，仍能夠受到激發放光[34,35]。
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圖6:GFP 的結構示意圖 GFP 主要是由 4 條 alpha-helix 和 11 條 beta sheet 所構成一個罐狀型態（barrel）的 結構長約4nm 寬約 3nm 並在中間包圍著其發光基團(chromophore) [36]。
圖7:GFP 一維結構示意圖 把 GFP 的構造攤開，圖中綠色為十一條為 beta-sheet，紅色四條為 alpha-helix (本圖參考自網路”Green fiuorescent protein” http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/GFP-1.htm)
發光基團
GFP 的 chromophore 是由 Ser65-Tyr66-Gly67三個胺基酸組成(如圖 8)，需經過摺疊、
環化、脫水與氧化四個步驟的後轉譯修飾，使其成為可發光之集團。此反應不需要酵素
參與，稱為自催化反應（autocatalytic reaction）。
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圖8 GFP 的結構與其 chromophore，chromophore 是由 Ser65-Tyr66-Gly67三個胺基酸組成，並藉由鄰近Glu222 及Arg96 可以協助穩定 Ser65-Tyr66-Gly67結構[36]。
發光機制
如圖9 所示，首先 Tyr66 兩側的醯胺鍵互相靠近，接著 Ser65、Tyr66 之間的醯胺鍵
上的α-C (electrophile) 與 Tyr66、Gly67 之間上的 N (nucleophile) 互相吸引形成新共價
鍵，造成新的五碳環。形成新的五碳環後，五碳環上的-OH 與-H 並列，隨即進行脫水
反應脫去一分子的水，此時五碳環上的C、N 原子因此形成雙鍵。最後 Tyr66 側鏈上並
排的兩個H 與 O2反應，脫去H2O2並形成雙鍵。此雙鍵溝通了兩個圓環結構內的雙鍵，
形成完整可互相溝通的共軛雙鍵群。chromophore 的共軛雙鍵擁有足夠多的π鍵，堆疊
足夠多的bonding orbital 與 anti-bonding orbital，使 HOMO 和 LUMO 間能階差落在可見
光的能量範圍內[36]。
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點突變的胺基酸，隨著chrimophore 的序列有變化外，也有改變外殼 beta-sheet 的序
列。因為GFP 是三級的立體結構蛋白質，所以外面的 beta-barrel 的胺基酸會和中心
chromophore 的胺基酸產稱氫鍵或凡得瓦力，進而影響其分子之構型。Chromophore 裡
的Gly67 一直都沒被修改的原因是：他是構造最簡單的蛋白質，使得其發光反應可以持
續進行不受外在分子的影響[24,32,34,39-43]。
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圖10 GFP 衍生物的發光基團結構示意圖，藉由突變原本綠色螢光蛋白的核甘酸序列，製造出藍色 (EBFP)、青綠色(ECFP)、和黃色(EYFP)不同螢光放光蛋白的變種基因，以及胺基酸的轉譯後修飾形成的 增強綠色螢光蛋白(EGFP) (本圖引用自網路”OLYMPUS The Fluorescent Protein Color Palette”
http://www.olympusconfocal.com/applications/fpcolorpalette.html)
1-8金屬硫蛋白(Metallothionein, MT)介紹
金屬硫蛋白(Metallothionein，簡稱 MT)是一種廣泛存在於生物界中低分子量並富含
半胱氨酸的金屬結合蛋白，其分子量約6-7 kDa[44]，最早於馬腎臟中純化得到的鎘結合
蛋白質[5,7]，普遍存在於原核與真核生物中。
金屬硫蛋白(Metallothionein, MT) ，有 61-68 個氨基酸(amino acid)，有 20 個高度保
留的半胱胺酸(cysteine, Cys)約佔其 23-33％，其保守序列為 Cys-X-Y-Cys ( X 為任意的胺
基酸), Cys-X-Cys 或 Cys-Cys，半胱氨酸硫氫基與一價或二價的過渡金屬元素形成硫金屬
鍵結（金屬親合性為Zn2＋＜Pb2＋＜Cd2＋＜Cu＋＜Ag＋＝Hg2＋＜Bi3＋[45]），形成高金屬含
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量(4-12 atoms/mole)的金屬硫氫基團(metal thiolate cluster) [3-6]，造成兩個金屬鍵結團簇
(α-、β-Cluster) 如圖 11 所示。MT 可以與體內必須之重金屬（鋅、銅）做調節、在毒
性重金屬的解毒作用以及清除活性氧化物質中扮演相當重要之角色[46-50]。MT 為熱穩
定蛋白質, 無苯環(Aromatic)胺基酸、疏水性(hydrophobic )氨基酸、無α-helix 或β-sheet
等結構
金屬硫蛋白(Metallothionein, MT)形成兩個金屬鍵結團簇(α-、β-Cluster)，含 20 個
高度保留的半胱胺酸(cysteine,Cys)容易與與重金屬形成硫金屬鍵結。MT 的 C 端
(Carboxyl terminal) 由 31 到 61 個氨基酸組成含 11 個半胱胺酸，形成α-金屬鍵結團簇(α
-Cluster)，鍵結 4 個二價金屬離子的(M4S11)3-的團簇；MT 的 N 端(amino terminal)由 1
到30 個氨基酸組成含 9 個半胱胺酸，形成β-金屬鍵結團簇(β-Cluster)，鍵結 3 個二價
金屬離子，形成了(M3S9)3-的團簇。這兩個離子結合的團簇整體的大小約 3-4nm，其結
構如“metal semiconductor, MS”的複合結構[50-54]。
15
Metallothionein protein (MT) protein (MT)
S
Metallothionein protein (MT) protein (MT)
S
subfamilies）、MT 群（groups）及 MT 同分異構物（isoforms）[68]。舉例來說， MT 家
族 （families）分出的 16 個 MT 家族，其中 MT 家族 (Families)I 為脊椎動物的
MTs ，其親源遺傳特徵再分為 10 個亞家族 (subfamilies) ，分別是哺乳類 MT-1、
16
MT-2 、MT-3、MT-4[69-71]及哺乳類未區分之 MT ；鳥類 MT-1、MT-2 及鳥類未區
分之 MT ；兩棲類 MT 及硬骨魚類 MT [72,73]。 而 MT 家族 Ⅱ 為軟體動物類、 MT
家族 Ⅲ 為甲殼類、 MT 家族 Ⅳ 為棘皮動物類、 MT 家族 Ⅴ為雙翅類、 MT 家族
Ⅵ 為線蟲類、 MT 家族 Ⅷ 為纖毛蟲類、 MT 家族 Ⅸ ~ⅩⅢ 為黴菌類 MT 家族、
MT 家族 ⅩⅣ 為原核動物類、 MT 家族 ⅩⅤ 為植物類[68]。
哺乳類動物具有多MT 基因家族，泛稱 MT 異構型(iso-metallothionein)，可分成四
個次群: MT-1，MT-2，MT-3[58]，MT-4 [74-78]；MT-1 及 MT-2 被認為可能分別各在重
個次群: MT-1，MT-2，MT-3[58]，MT-4 [74-78]；MT-1 及 MT-2 被認為可能分別各在重