1-1 前言-奈米科技
「底下還有廣大空間」(There’s plenty of room at the bottom)是物理 學家理查．費曼(Richard P. Feynman)在1959 年美國加州理工學院物理學年 會的所發表的專題演講，他預言人類將製造出微小尺寸的元件和機器，可 以將二十四大本的大英百科全書全寫在一個針尖上，甚至可達到操縱原子 的可能，發展出新的科學領域，至此開啟了人們對於奈米科技的興趣，而 在一九八二年， G. Binin g和H. Rochrer發明了可觀測原子尺度的掃描穿隧 顯微儀(Scanning Tunneling Microscope, STM)，使人類的觀察視野更進一步 到達原子等級的物質，也更加促進了奈米科技的發展。
「奈米」(nanometer)為十的負九次方米(10-9 m)，約為人類頭髮直徑的八 萬分之一，相當於十個氫原子之直徑長(10-10 m)[1]。當一物質結構的特徵尺 寸介於1-100 nm 時，定義為奈米材料，此時已不能再用巨觀現象來解釋，
物質會受到表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、量子侷限效應(quantum confinement effect)、量子穿隧效應等影響，而產生許多新的特性，例如熔 點、磁性、光性、導熱性、導電性以及化學性質等皆不同於傳統材料，且 具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，
以此為基礎，操作、控制原子或分子組合成新的奈米尺度結構，以展現新 功能和用途，並加以應用，此即為奈米科技的意義，而有別於傳統科技由
大縮小(top down)的製程，奈米科技則是由小作大(bottom up)。
奈米科技包含的領域非常廣泛，從基礎科學乃至應用科學，包括物理、
化學、材料、光電、生物、微電子、環境及醫藥等，其對產業衝擊之大，
也被視為是第四波的工業革命，妥善應用奈米科技，將大幅增進人類生活 福祉和科技水平。
1-2 實驗室晶片
近年來微機電(Micro-electro-mechanical systems，簡稱MEMS)製程技術 蓬勃發展，利用小尺寸效應等現象製造出來的產品，具有縮小化、高效率
故PDMS翻製法廣泛應用在實驗室晶片的製程上[3]，微流道的製作過程見圖 桿菌到滯留點來進行快速偵測[10]。此外，Katrin R. strehle等人製造了一種 分段式的微流道系統，可得到具有高再現性的結晶紫的表面增顯拉曼光
譜，並且成功解決常見的記憶效應(memory effect)的問題[11]。南韓的 Sangyeop Lee團隊用PDMS建構了鋸齒形的微流道，可以有效的混和孔雀綠 (malachite green)和膠狀的奈米銀粒子，最後再用表面增顯拉曼光譜進行定 量分析[12]。而Ly Xuan Quang等人打造了一種微陣列柱狀晶片即時感測系 統，並分別對孔雀綠和啶二羧酸(dipicolinic acid)作定量偵測，這種方法可以 有效的解決再現性差和訊號靈敏度低等問題[13]。
圖 1.1 微流道的製作過程[3]。
圖1.2 Katrin R. strehle 等人設計的微流道示意圖[11]
圖1.3 Sangyeop Lee 等人設計的鋸齒形微流道示意圖[12]
圖1.4 Ly Xuan Quang 等人設計的微陣列柱狀微流道示意圖[13]
1-3 奈米金粒子
泌一種特殊的荷爾蒙hCG（human Chorionic Gonadotropin，人類絨毛膜促性 腺激素），把懷孕女性的尿液滴在含有奈米金試劑的驗孕棒上， hCG 荷爾 蒙便會與奈米金結合反應呈紅色，如此一來就可得知是否懷孕[15]。Hua 等 人 的 研 究 團 隊 測 量 了 38nm 大 小 奈 米 金 球 的 放 光 光 譜 ， 見 圖
1.5[16]，並利用金球不具有光漂白(photobleaching)特性，經過5分鐘以上的 照光，使癌細胞的自體螢光消失，但金球螢光仍存在的情況下，當作子宮 頸癌細胞的生物探針。
由於奈米金的表面電漿共振(surface plasma resonance)特性，目前也有許 多科學家用奈米金吸附奈米粒子，增加其拉曼訊號的強度，以得到高品質 的光譜，或用奈米金結合特殊抗體來標定癌細胞。例如Ximei Qian等人[17]
使 用 孔 雀 綠 (malachite green) 吸 附 60nm 尺 寸 的 奈 米 金 ， 再 加 入 thiol-polyethyleneglycol(thiol-PEG)當作保護基，見圖1.6[17]，利用ScFv抗體 和EGFR可專一性鍵接在頭頸癌細胞Tu686的方式，見圖1.7[17]，偵測小白 鼠體內的癌細胞。
圖1.5 38nm奈米金粒子的螢光光譜[16]
圖1.6 奈米金連接孔雀綠和保護基之示意圖[17]
圖1.7 金球連接上頭頸癌細胞示意圖[17]
1-4 奈米鑽石
大部分的生物分子不能自己發螢光，故無法以光學方式偵測，因此找 尋一種能夠與生物分子結合的材料，並以光學方式量測分析，對生物系統 的檢測是一種相當大的突破。有機染料和螢光分子(fluorophores)是目前最為 廣泛使用的生物分子螢光標定物，但它們在連續放光下會產生光漂白 (photobleach)現象，光學穩定度低[18]。近年來，量子點(quantum dots, QDs) 也常被用來當作生物標記的材料，因其具有較好的光學穩定度和低光漂白 性，此外，量子點會隨著尺寸的不同，而被激發出不同顏色的螢光，且螢 光強度高[19]。然而，量子點也具有致命性的缺陷，像是生物毒性(cytotoxicity) 和光閃爍性(photoblinking)[20],[21]。
和以上這些奈米粒子相比，奈米鑽石(nanodiamonds, NDs)是一種較為優 越的生物標定材料，因其不具生物毒性、生物相容性佳、表面官能基化容 易、光穩定度好以及化學活性低。此外，在製作奈米鑽石的過程中，會產 生晶格缺陷(defects)，使其被激發後易產生螢光[22],[23]。而奈米鑽石的表 面一般覆蓋著一層疏水性的C-H 鍵結，在強氧化酸性處理下(H2SO4 : HNO3
= 3 : 1)，鑽石表面生成羧基-COOH(carboxyl groups）或其他含氧的官能基(例 如 C=O、C-O-C等），因而產生親水性，並且可與核酸(nucleic acids)、蛋 白質(protein)和DNA等鍵結，產生良好的吸附性[24],[25]。
奈米鑽石和生物分子之間的交互作用可以藉由拉曼光譜來量測並研究，
目前已經有許多的研究團隊觀察得知鑽石的sp3結構會導致在1332 cm-1的位 置產生一根尖銳且高強度的峰值，如圖1.8[26],[27]所示，此峰值不會受到表 面改質或連接的生物分子所影響，並且通常伴隨著兩根由鑽石表面的sp2石 墨結構所造成的峰一起出現(1355 cm-1的D-band和1575 cm-1的G-band)，幸運 的是，D-band和G-band通常可藉由酸化的步驟移除，因此1332 cm-1峰可獨 立出現並可當作鑽石位置的指標。然而，當鑽石尺寸慢慢減少，表面石墨 結構便會成為優勢，故1332 cm-1的峰值強度也隨之下降[28]。已有團隊針對 不同大小的鑽石作量測，並發現當鑽石大小為5nm或50nm時，同時在1600 cm-1的位置也會產生拉曼訊號，見圖1.9[29]。此外，May團隊也發現用不同 雷射光源量測鑽石薄膜會在500 cm-1的位置有拉曼訊號，如圖1.10[30]。
圖1.14[33]。而台灣的團隊Wee等人利用高能質子束撞擊製造出具有高濃度 缺陷的奈米鑽石，在488 nm雷射激發下，會放出高強度的綠色螢光，利用 螢光影像來當作子宮頸癌細胞的生物標定[34]。Lim等人則是將奈米鑽石沈 積在銀薄膜上，以增加其螢光強度[35]。
圖1.8 天然鑽石的拉曼譜線峰值 [27]
圖1.9 在533nm激發波長下，不同大小奈米鑽石的拉曼光譜[29]
圖1.10 不同雷射激發光源下量測2 µm鑽石薄膜的拉曼光譜[30]
圖1.11 奈米鑽石進入細胞的過程[32]。
圖1.12 酸化後的奈米鑽石在A549(人類肺上皮細胞)的細胞毒性測試[28]。
圖1.13 單一酸化奈米鑽石聚集在A549細胞裡的x、y軸掃描式共軛焦拉曼光 譜圖[28]。
圖1.14 具磁性的奈米鑽石表面官能基改變示意圖[33]。
1-5 研究動機與目的
將奈米技術和生物科技結合是現今很受歡迎的議題，奈米粒子可用來當 作生物體的探針或感測器，為了達到這個目的，具有生物相容性和不具細 胞毒性是不可或缺的條件，此外，表面易官能基化和修飾，以利於和生物 體連接也是極為重要的因子。
本實驗室對於奈米鑽石的光性量測上具有相當程度的探討與瞭解，並 期望能在生醫領域有更深入的應用。故我們以具有拉曼訊號的奈米粒子結 合生物體做為標定，量測其訊號並觀察奈米粒子的分佈情形。另一方面，
我們嘗試用PDMS翻製法建構出微流道系統。接著，把奈米粒子注入流道，
定點偵測奈米粒子的拉曼訊號。這種方法的優點有減少樣品使用量、即時 獲得偵測訊號、低偵測極限以及不會破壞樣品。在未來，希望能夠建構一 整套全自動化的光學即時偵測系統，並能發展成為實際可應用的晶片。