隨著時代的進步，人們所使用的材料也從微米(μm)進入了奈米(nm)的世代，
而奈米材料主要定義是三維空間中，其中一為須小於奈米尺寸稱之，然而，奈米 材料依緯度主要可分成零維結構(X,Y,Z 軸皆小於 100nm)、一維結構(X,Z 軸小於 100nm，Y 軸大於 100nm)、二維結構(Z 軸小於 100nm，X,Y 軸大於 100nm)和三 維結構(X,Y,Z 軸皆大於 100nm)。然而，當粒子小至奈米尺度時，會產生特殊的 物理及化學效應，其光學、電學、磁學、力學、熱學也有顯著的變化，因而具備 了一般材料所沒有之性質，因而能夠廣泛運用於醫學、光電、電子等眾多領域之 中。
2-1-1 小尺寸效應(Small Size Effect)
奈米材料具備極小之特性，而隨著材料尺寸量變，在特定條件下(當材料粒 徑小至和光波波長、德布羅衣波長(De broglie wavelength)、超導態的相位相干長 度(Phase coherent length)會產生性質的質變，造成晶體週期性之邊界條件被破 壞，使非晶態奈米粒子的顆粒表面原子密度產生變化，因而改變了奈米材料的 光、電、磁、熱、聲及化學特性，而此效應就稱之為小尺寸效應。
光學特性：
當尺寸小於光波波長尺寸時，因反射率變低，導致材料無法反射光波，因而 失去原有色澤，呈現黑色。利用此特性，可做為高效率光電轉換材料。
磁學特性：
奈米粒子因小尺寸效應，因而磁性和一般磁性塊材相比擁有較優越性能，當 粒子大小小至20nm，磁區由多磁區轉變成單磁區，矯頑力(coercive force)明顯增 加，這一類的材料可用來當作高密度的磁紀錄磁粉，當粒子大小進一步減到奈米
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M = χH ；χ 為物質磁化率(magnetic susceptibility)，其表示物質被磁化之難易程 度，物質依磁化率大小可分為五類。
2-2-1 順磁性(Paramagnetic)物質
順磁性物質在未受磁場影響下，每原子內部磁矩為散亂分佈，其淨磁矩為
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2-2-3 鐵磁性(Ferromagnetic)物質
鐵磁性材料在未受外加磁場影響之下，內部之原子磁矩排列整齊且方向一
2-2-4 反鐵磁(Anti-ferromagnetic)物質
反鐵磁性也屬弱磁性，與順磁性同樣顯示一小正磁化率，但溫度對磁化率的
2-2-5 陶鐵磁性(Ferrimagnetic)物質
陶鐵磁性物質在受外加磁場影響下，所表現出的巨觀磁性與鐵磁性物質相
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磁性有密切關係。陶鐵磁性物質中常見的有：Fe3O4、FeO、Fe2O3磁鐵礦。
2-2-6 超順磁性(superparamagnetic)物質[7]
有晶粒的鐵磁性的固體的磁性與其晶粒度有關。晶粒度越小，每個晶粒內的
隨著對於開發功能材料 (functional material) 的需求日漸增加，諸如：磁誘 導分離[8]、磁誘導熱交換[9]及核磁造影等。磁性奈米粒子的合成方法也日漸引起 研究人員的重視。物質的磁性與其晶體尺寸及缺陷分佈有顯著關係，當粒子尺度 與平均磁域相近時，每個磁性粒子可視為僅由單一磁域構成。未受強磁場誘導 時，順磁性材料粒子的磁域方向因隨機分佈。磁性的交互作用僅限於相鄰粒子間 而整體呈現類似軟磁材料，此一特性稱為超順磁性 (superpamagnetism)。[10] 氧 化鐵奈米粒子的另外一個優點是生物相容性，相較於其他磁性材料具有低毒性的 優點。以下簡單介紹幾種合成方法。
2-3-1 化學共沉澱法
共沉澱法為目前最為普遍使用的合成方法，其合成方法是將二價鐵離子或是 三價鐵離子溶於水或鹽酸溶液中，再加入鹼液調整溶液的酸鹼值，使鐵離子產生
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9 了許多方法。如下Figure2.1 表示。其中這些方法中，主要可分為三大類。(I)配 位體交換(ligand exchange):主要涉及到原本在粒子表面上的疏水性分子，被置換 成親水端分子，通常利用較強親和力的硫、磷鍵或其他功能性分子去做置換，使 得原本在表面的疏水分子還原出來，含有硫醇鍵分子有mercaptoacetic acid [11]、 dithiothreitol[12]及dihydrolipoic acid [13]，雙功能性的生物分子也能提供水溶性及 辨識性，例如oligomeric phosphines[14]、dendrons[15]和peptides[16]；(II)兩性高分 子包覆(encapsulation amphiphilic polymer):因兩性高分子本身具有疏水性分子及 親水性分子及長碳鏈的延伸，利用高分子間的凡得瓦爾力或化學反應，則高分子 上的非極性與在顆粒表面的非極性分子交互吸引、吸附，使得極性分子裸露表 面，讓顆粒能夠溶解於水溶液中。通常這種有機包覆的方法，皆利用高分子、微 胞(micelle)、硫醇作為與表面分子連接；另一種方法為(III)氧化矽包覆:利用無毒 性氧化矽做為表面介質，塗布於顆粒表面。內部可分為溶膠凝膠法(Stöber method) 以及逆微胞(reverse microemulsion)氧化矽修飾奈米顆粒兩種方法。
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Figure 2.1. 在生醫應用方面多種量子點的表面改質方法[17]
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二. 功能化必要性
磁性奈米微粒為了能進一步應用在生物體上，除了能夠具有水溶性的的表 面，與生物系統相容之外，通常需要與其他生物分子做特異性的共軛鍵結，這些 生物分子的功能最主要能夠賦予磁性奈米微粒本身之外的性質，例如:標識性、
藥物釋放、貼附性、照相及偵測性，如下Figure2.2.[18]所示，利用不同生物分子 提供顯影劑額外功能，圖中顯影劑B 利用 S.P 做為修飾表面的分子，讓顯影材料 B 可溶解於極性溶劑，當顯影劑 B 修飾 B、R 分子時，使得顯影劑 B 有標記作用，
藉由顯影劑B 散發磁性，顯影特定組織，DNA 序列標示或標靶腫瘤；則當顯影 劑B 嫁接上 Q 分子時，因 Q 分子具有吸收螢光性質，致使抑制顯影劑 B 所散發 的螢光，如果系統中有某些酵素存在，使得Q 分子與顯影劑 B 之間的鍵結斷裂，
此種機制類同於FERT，讓磁性奈米微粒具有偵測酵素或蛋白質的功能；而 D 分 子具有螯合同位素或釓的能力，由於此螯合分子就能提供此顯影劑B 具有放射 性或磁性的性質，就整體而言，可搭配其他醫學檢測方法，例如核磁共振儀(MRI) 或單光子放射顯微電腦度層掃描儀(single photon emission computed
tomography ,SPECT)等儀器偵測螯合分子 D 的磁性或放射性，達到具有雙功能造 影性的顯影劑。
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各種生物分子相一系列的工具一樣，藉由嫁接的技巧，賦予額外的功能在單 調的顯影劑，使得顯影劑更具靈活性。由此可見，表面化學工程在奈米生物科技 扮演一個關鍵的角色，不僅可改變材料表面之性質，提供奈米顆粒在不同環境中 的穩定性，亦協調生物分子與奈米顆粒結合的引導媒介，讓奈米顆粒可以參與生 物反應過程。現今，有幾種方式可以提供顯影劑跟生物分子做特異性鍵結，如下 Figure2.3.所示。
B:磁性材料 S:溶解(極性)分子 solubilization sequence P:聚乙二醇(PEG) B:生物素(biotin)
R:核酸辨識序列(peptide recognition sequence) Q:抑制分子(quencher) X:其他非特異性核酸序列
D: 雙官能基螯合物 ( 1,4,7,10‐tetraazacyclododecane‐1,4,7,10‐tetraacetic acid，DOTA) Figure 2.2. 奈米材料功能化意示圖[18]
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Figure2.3.A 為常見的特異性鍵結，通常生物分子表面官能基只要具有胺基 端，且欲交聯奈米材料表面官能基有羧酸端，利用NHS 與 EDC 活化羧酸官能基，
在與胺基產生反應，形成胜肽鍵，此形式胺基-羧酸配對，可能讓奈米材料表面 鍵結許多生物分子，甚至產生聚集；另一種型式胺基-硫醇交聯官能基型式，利 用SMCC，去做反應交聯，當胺基-硫醇之間的連結媒介[19]，與Figure2.3.A 不同 處，EDC 與 NHS 在反應之後，並不會存在於鍵結上面，如 Figure2.3.B；除了 A、
Figure 2.3. 一般常見奈米材料與生物分子生物鍵結示意圖
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B 所提供的在 Figure2.3.C 部分如前面文章表面改質必要性所提及的概念差不 多，利用polyhistidine (HIS)本身硫醇鍵對金屬原子的強親和性，取代掉原本在量 子點的配位體與表面殼層的金屬原子做鍵結；此外還有不需經過化學鍵結的破 壞，利用物理性質的觀念做鍵結，表面的有機殼層提供電荷與適體(adaptor)產生 電荷吸引力而形成鍵結，最後功能化的抗體藉由耦合於適體上，如Figure2.3.D 所示。
2-4-2 兩性高分子包覆法(Encapsulation amphiphilic polymer)
Figure 2.4. 嵌段式共聚高分子包覆法示意圖[20]。
兩性高分子同時具有疏水端及親水端之長鏈狀分子，此雙功能性之高分子與 材料表面做物理吸附或化學鍵結後，使材料被高分子包覆在內而外觀成為親水端 之分子，並不會如表面配體交換而喪失本身材料的性質，且可維持與保護物理及 化學特性的表現；目前對於高分子結構之包覆可分為兩種，一為磷脂質微胞法 (Phospholipid micelles)：如 Figure2.5 所示，磷脂質共聚物以甘油為主支架，帶有 兩個脂肪酸、一個磷酸及一個含氮鹼基所構成，其結構與三酸甘油脂相似，不同
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Figure2.5 (A)磷脂質高分子；(B)三酸甘油脂高分子。
另一則為長鏈狀的兩性高分子包覆，將量子點材料同樣包覆在內，形成類微胞 (micelle-like)結構而轉移至水相溶液中，依高分子結構上差異，可細分為(1)以親 水端為主鏈並疏水端為側鏈之多聚疏水性側鏈之兩性高分子(multiple
hydrophobic side chains amphiphilic polymer)，聚丙烯酸(poly(acrylic acid)， PAA) 為常見代表性結構，當PAA 上之羧酸基團與量子點表面的胺基酸反應轉變為醯 胺鍵結，此時PAA 之親水端則環繞著量子點表面，成為水溶性材料；因 PAA 聚 合物含有大量可功能化的羧酸基團，在量子點表面位置上所鍵結的每一個高分子 側鏈都提供高空間密度，使得高分子完全覆蓋在量子點周邊，因此材料不會因束 縛力不足而脫落且提高穩定度，加上本身的多功能性，可用於修飾或鍵結上其他
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功能性分子[21]。(2)順丁烯二酸酐基團之兩性高分子(maleic anhydride moieties amphiphilic polymer)，顧名思義，含有此基團之高分子，如聚馬來酸酐-十八烯 (Poly(maleic anhydride–alt -1-octadecene)，PMAO)與聚苯乙烯-馬來酸酐
(Poly(styrene-co-maleic anhydride)，PSMA)，當加入
EDC(ethyl(dimethylaminop-ropyl) carbodiimide) 使量子點表面功能化後，並與順 丁烯二酸酐基團的高分子耦合，而形成順丁烯二酸酐在量子點外圍的結構，此時 加入鹼液與順丁烯二酸酐產生反應，將酸酐結構上的環氧基團展開，產生兩個羧 基而能溶解於水相中；順丁烯二酸酐基團的高分子改質具有幾項特點，對於具有 氨基(amino terminal)或胺基酸修飾的側鏈(如烷氧基)有高度的自發性反應，且只 需加入EDC 進行功能化耦合，無需再加額外的交聯劑進行反應[22]。(3)三嵌段兩 性高分子(tri-block amphiphilic polymer)，由兩種或兩種以上不同類型的高分子所 組成，由主鏈區分成兩區塊，一側為具有親水端的高分子基團，另一端則為疏水 性的高分子碳鏈，在經過EDC、NHS 與量子點材料相互交聯反應後，側鏈為疏
EDC(ethyl(dimethylaminop-ropyl) carbodiimide) 使量子點表面功能化後，並與順 丁烯二酸酐基團的高分子耦合，而形成順丁烯二酸酐在量子點外圍的結構，此時 加入鹼液與順丁烯二酸酐產生反應，將酸酐結構上的環氧基團展開，產生兩個羧 基而能溶解於水相中；順丁烯二酸酐基團的高分子改質具有幾項特點，對於具有 氨基(amino terminal)或胺基酸修飾的側鏈(如烷氧基)有高度的自發性反應，且只 需加入EDC 進行功能化耦合，無需再加額外的交聯劑進行反應[22]。(3)三嵌段兩 性高分子(tri-block amphiphilic polymer)，由兩種或兩種以上不同類型的高分子所 組成，由主鏈區分成兩區塊，一側為具有親水端的高分子基團，另一端則為疏水 性的高分子碳鏈，在經過EDC、NHS 與量子點材料相互交聯反應後，側鏈為疏