王國禎教授 國立中興大學機械系
奈米科技與生物及醫學之整合將對醫學診斷、治療、分子生物、
生物工程等領域帶來巨大之影響。[1,2] 近年來，相關研究人員在功能 性奈米顆粒(電子、光學、磁性)之研發已有相當大之進展[3-14]，此些 功能性奈米顆粒能以共價方式與蛋白質、核酸、peptides等生物分子 相連結。由於顆粒之尺寸大小與生物巨分子相似，加上隨粒徑大小不 同而改變之光電特性，功能性奈米顆粒已被公認最適合做為磁振造影 (magnetic resonance imaging, MRI)之對比標誌[15-17]、藥物輸送(drug delivery) 載 體 、 醫 學 植 入 與 組 織 工 程 之 奈 米 結 構 塗 層 與 支 架 (scaffold)。[18, 19]在本章中，我們將進一步探討奈米量子點(quantum dots)在奈米生醫之應用。
一、奈米量子點
奈米量子點為乃是一種奈米晶體(nanocrystals)，由於受到能量屏 障之作用，其三個維度皆被限制在100 nm以下(零維奈米材料)，電子 與電洞會被侷限在微小晶體內，再結合之機率大，發光效率亦相對增 加。
對單一原子而言，最外層電子與最內層電子佔據軌域間之能量差 即是原子之能隙(band gap)，當塊材大幅減小至奈米尺度時，其所含 原子數大幅減少，能階密度(density of states)降低，能階間隔增大，有 效能帶增大。半導體量子點在光之激發能超過其能隙時會吸收光子，
電子由共價帶(valence band)跳至導電帶(conduction band)，當導電帶 之電子回到共價帶時，則會放出螢光。有效能帶增大之奈米粒子，其 相對應之吸收光譜與螢光光譜會發生藍移(blue-shift)，因而在能帶中 形成一系列分離之能階，顆粒變小能隙變寬，其吸收光往短波長移動
[20, 21]，如圖一所示。
圖一、CdSe顆粒尺寸變小，能隙變寬，螢光光譜朝短波長移動
量子點能隙與其顆粒尺寸之線性關係可以“被侷限於盒中之單 一粒子＂來進一步說明。盒外之位能接近無限大，因此，可移動之帶 電質點(類似盒中之粒子)將被侷限於奈米晶格(類似盒子)中，而具有 離散之波函數與能階，當盒子縮小後，其能隙將增加，例如大小為 2.5nm與5.5nm之CdSe顆粒，其激發螢光波長分別為500nm與620nm。
材料不同其螢光激發波長亦不同，例如InP與InAs之激發螢光為遠紅 外光與近紅外光[22-25]，CdS與ZnSe之激發螢光為藍光與近紫外光。
二、量子點製備
半導體量子點(例如CdSe、CdTe、CdS、ZnSe、InP、InAs)基本上 是週期表中I-VII、II-VI、III-V等不同族元素之組合，其製程與一般奈 米材料相似，分述如下。
(一)氣相凝結法(Vapor phase epitaxy, VPE)
此法乃是目前最常被使用之方法，其原理乃是於充滿惰性氣體之 反應腔中將材料加熱至沸點之上而蒸發，材料之蒸汽與惰性氣體碰撞 而損失能量，凝結聚集並生長，進而由液態氮冷卻陷阱(cold trap)所 捕捉，形成3-20 nm之量子點，量子點之大小由惰性氣體之氣壓決定，
壓力愈大則尺寸愈大，故小壓力可製備尺寸小且均勻分佈之量子點。
(二)分子束磊晶成長法(Molecular beam epitaxy, MBE)
在超高真空腔體中，材料之氣態分子自蒸發後至基板之行進過 程，較少與其他分子碰撞，能量損失較小，到達基板後先形成薄膜，
在於基板上形成寬約20-50 nm，高約4-6 nm之島狀或金字塔狀之量子 點結構。
(三)液相化學反應合成法
液相化學反應合成之設備如下圖所示，其粒子結晶、成長、最終 顆粒大小及分佈均由反應動力學控制，優點乃是產率與尺寸均勻度可 由精確之濃度與溫度控制來達成，缺點則是量子點表面會吸附未反應 之單體或溶劑分子，使得純化較為繁瑣，而一次反應容量少亦是待克 服之問題。
圖二、液相化學反應合成設備示意圖
為改善量子點之光學特性，通常會在其表面塗佈一層高能隙材料 之薄膜，例如於CdSe表面塗佈一層至二層之Zns時，其量子轉換效率 (quantum yields)可由5%提升至50%。[26-28]ZnS與CdS乃是最常應用於 CdSe之塗佈材料，CdS塊材之能隙約較CdSe塊材高約0.9eV，而CdS 與CdSe之分子鍵長相似，以致能在CdSe表面長出平滑之CdS層。
三、奈米量子點於生物分子螢光標示之應用
如前述，奈米量子點能以共價化學鍵結方式與蛋白質、核酸、
peptides等生物分子相連結，用於追蹤特定蛋白質在細胞內之活動。
然而以有機螢光染料進行單一染色，仍是目前最常用於做為生物分子 標定之方法。與有機染料及螢光蛋白質相較，半導體量子點乃是新穎 且具有獨特優點與應用面之螢光標定工具。例如量子點之光電特性由 分子之大小決定，單一波長之光源即可用來同時激發不同大小之量子 點，表面鈍化之量子點在光漂白(photobleaching)作用下相當穩定，且 具有夾窄對稱之光譜頻寬(full width half maximum, FWHM)，其大小 約為25-30 nm。以硒化鎘(CdSe)為例，其亮度與穩定度分別是紅色染 劑若丹明(Rhodamine 6G)分子之20與100倍[5]，外包ZnS之CdSe奈米量 子點可持續發光4小時，而Rhodamine 6G卻僅能維持6分鐘。[29] 此外；
因光源與反射光之光譜重疊限制，以致不能同時使用不同顏色之染 劑，而不同有機染料需以不同波長之雷射光激發。奈米量子點只要在 單一光源激發下，即可因大小差異而被激發出不同顏色之螢光，而可 用於區分不同之生物分子。若能精確掌控奈米粒子大小與螢光顏色之 關係，則奈米量子點可用於標示大量之蛋白質或基因序列。
奈米量子點能提供及時而長期之生物分子追蹤，對於醫療診斷與 治療有極大之應用空間[30, 31]，例如腫瘤細胞標定、DNA 轉植(DNA
hybridization) 、 免 疫 分 析 (immunoassay) 、 receptor-mediated endocytosis、纖維囊化(cystic fibrosis)分析、阿茲海默症(Alzheimer’s disease) 追蹤。
四、奈米量子點於組織工程上之應用
組織工程之定義乃是：應用生物與工程原理發展活組織取代物，
用以修復、維持或改善人體組織之功能。組織工程之基本步驟是：由 人體取出細胞；在體外將細胞培養至足夠數量；將細胞注入人工支架 中培養成組織或器官；最後將人工組織或器官移植至體內。由於人工 組 織 最 終 需 移 植 至 體 內 ， 故 用 以 生 長 組 織 之 人 工 支 架 需 以 諸 如 PLA(poly(L-Lactic)) 、 PGA(poly(glycolide)) 、 PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid))等生物可降解材料來製造，生物可 降解材料在培養液中因水解而變成澎潤狀，不易以顯微鏡觀察細胞生 長與貼附情形。半導體量子點即可用來標定人工支架中生長之細胞。
圖三乃是以半導體量子點標定PLGA人工微血管支架中之牛頸動脈內 皮細胞(BEC)貼附情形。
圖三、量子點標定PLGA人工微血管支架中之牛頸動脈內皮細胞貼附 情形
五、奈米量子點做為光敏材料(Quantum dots as photosensitizers)[32,33]
除了於生物標定之應用外，奈米量子點亦有極大潛力當作光動力 治療(photodynamic therapy)之光敏材料。由於奈米量子點為能量捐輸 者 ， 其 與 細 胞 分 子 間 可 能 之 能 量 傳 輸(做 為 triplet oxygen， 減 少 equivalents與pigment)極可能導致reactive oxygen specie之產生，進而 在細胞中產生一個poptosis。奈米量子點之光誘導毒化(light-mediated cytotoxicity)與能量捐輸特性使其有極佳之潛力成為光動力治療之光 敏材料，或者是做為傳統光敏介質(photosensitizeing agents)之輔助材 料。
所謂光動力治療乃是將光、氧氣、光敏介質(例如porfirmer sodium 與temporfin)結合，用以選擇性破壞組織之一部分，通常是特定區域
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