PAA 的已知應用

已知前置萃取濃縮效果與固相的結構以及表面組成關係密切，因 此選擇適當的材料作為濃縮蛋白質的固相組成，為本研究一重要的課 題。根據研究，在水溶液中的蛋白質常會自發性的吸附於固體材料表 面，例如:silica²⁰、latex²¹，而由silica 所組成的毛細管若無特殊處理，

也會在分析的過程中吸附蛋白質於管壁¹。因此在許多生醫器材和毛 細管電泳的分析為了避免吸附，必須修飾上適當的官能基²²。相反 的，修飾上適當的官能基則可以增加蛋白質的吸附。從相關的文獻上

發現以PAA 作為固相表面能夠有效增加蛋白質的吸附量，已應用在 生物晶片等方面作為蛋白質的分析工具¹⁰。例如 Wang²³等人在奈米 顆粒上修飾了PAA 後發現，相同條件下可較未修飾前增加 22 倍的蛋 白質吸附量；Ballauff²⁴等人則是在polystyrene(PS)的奈米顆粒上修飾 PAA 後，能使蛋白質的吸附量達到 1600 mg/g；Bajpai²⁵等人則使用較 簡單的物理吸附修飾法，在玻璃顆粒上修飾PAA，也對蛋白質提升了

在不同的溶液條件下，PAA分子中-COOH和-COO^-官能基的數目和位 置會有所不同，導致不同的分子內氫鍵和靜電排斥力，使得PAA分子 由完全伸展到捲曲具有不同的型態²⁴，例如若是在溶液中添加鹽類增 強離子強度，將會對-COO^-基產生遮蔽的效果²⁷降低分子內靜電排斥 力使得PAA分子捲曲。有效的利用PAA分子所具有的氫鍵、靜電力、

親水性特性之下，以PAA為材質的固相已經應用在水質的淨化、奈米

Morcellent³⁰等

yclodextrins 或澱粉，其中的醇基扮演了連結劑的角色，使原本直 線狀的PAA 分子形成網狀連結，而提升了單位體積內 PAA 的負載 量。將此PAA 包附聚酯纖維應用在廢水中金屬離子的回收上，能夠 達到0.5 mmol/g 的離子吸附量。

Taher和Chen²⁸則分別使用Al2O

水的淨化材料，PAA分子中羧基的氧原子，與過渡金屬會螯合產 生四環結構，由於靜電作用力和螯合兩種力量加強了過渡性金屬的結 合力，提升了金屬離子的移除效果。金屬離子的脫附則可以HCl(aq)作 為沖提液達成，使材料可重複使用，實驗並發現以PAA做成的淨化材 料其離子交換能力(ionic exchange capacity)為 1.64 mEq/g(每克材料可 交換毫當量數)，遠大於市售化的離子交換樹脂(< 0.1 mEq/g)，具有發 展的潛力。Chen²⁸等人除了以PAA做修飾分子外，也探討了以醯胺鍵 的方式連接上具有胺類的分子，研究不同的螯合力對於多價金屬的作 用力。

圖 1-9 聚酯纖維的表面包附 PAA 分子前後的 SEM 圖³⁰：(A) 包附前 的聚酯纖維；(B) 包附後的聚酯纖維。

生醫材料上的應用

荷聚合物形成錯合物以後，會提高其免疫性並 增加

部分蛋白質和多電

在活體內的穩定性，因此有許多的文獻討論帶電荷聚合物和蛋白 質之間的結合方式。Nam²⁶等人研究 PAA 分子和蛋白質 BSA 之間在 水溶中形成錯合物時的作用力關係，發現透過調整pH 值並無法使水 溶液中原本結合一起的PAA 和 BSA 完全分離，作者收集了無法分離 的錯合物和自行合成以共價鍵結的PAA 和 BSA 分子加以比對分析，

發現PAA 分子和蛋白質 BSA 之間於水溶液中 除了靜電力以外，還 存在有共價鍵的構造。

蛋白質在固體表面的吸附，常常是不可逆的過程，並且伴隨形態 的改變³¹，形態的改變會降低蛋白質的生物活性，以致於在應用性減 少，例如在蛋白質的生物晶片上，如果降低了生物活性，會減少晶片 的效率。Reichhart³²等人則提出以 PAA 修飾固體表面，再以 PAA 與 蛋白質作用(如圖 1-10)，研究發現蛋白質分子會穿透且深入 PAA 分子 間進行吸附，形成較穩定的結合力，ATR-FTIR 和 TIRF 光譜分析結 果顯示蛋白質的構形並無改變。

圖1-10 修飾 PAA 表面吸附蛋白質的示意圖³²。

形 性，Neumann³³等 人則

利用PAA 能增加蛋白質吸附量和維持構 的特

將PAA 與 PS 結合製成微小型奈米反應器(圖 1-11)。以 PAA 吸附 具有催化效果的酵素，由於PAA 能保持蛋白質的活性，因此吸附於 PAA 上的酵素也能發揮原有的功能。催化反應結束後利用離子強度控 制酵素的離去，材料又可以在重複使用，並且材料本身在吸附酵素前

後，沒有聚集影響到粒子的穩定性。

圖1-11 以修飾有 PAA 的顆粒吸附酵素後作為奈米反應器的示意圖 ³³。

4 PAA 於固相材質表面的修飾

上能與生物分子有良好的相容 性，

1.

PAA因具有大的離子交換能力，加

在生物化學和工業上被多方應用，於固相材質表面以PAA進行修 飾的方式已廣為探討，而以PAA修飾固相表面的方式可分為一步反應 和多步反應。一步合成的方式中，PAA和固相表面可以物理吸附或化 學鍵結的方式相連，而多步合成則只以化學鍵結的方式連結。物理吸 附主要利用PAA與材料表面的氫鍵作用力，產品穩定性較差。化學鍵 結則以PAA上的羧基與固相材質表面進行脫水反應形成ester bond或 amide bond，相較於amide bond的形成，形成ester bond所需的反應溫 度較低，但也容易在反應過程中發生水解的逆反應。

1.4.1 一步合成 物理吸附

Bajpai²⁵將玻璃顆粒經過HCl酸洗，使表面形成Si-OH呈現親水 性，將此玻璃顆粒與同樣具有親水官能基的聚合物如PAA或polyvinyl acetate(PVA)於常溫下混合四天後，可得到具有高分子披附的表面。

作者提出在電子顯微鏡的觀察下可以發現，經過披附以後，玻璃表面 原先尖銳的部分變的圓滑許多(圖1-12)，利用如此方式，得到經物理 吸附修飾的玻璃顆粒，不過這樣的方式是否能證實高分子於表面的修 飾仍有待商確。

圖1-12 物理吸附PAA於玻璃表面前後的SEM圖²⁵，上圖為吸附前下圖 為吸附後。

化學鍵

Carbodiimide是一種常見的脫水試劑，廣泛的用於酯化的合成反 應中，胜肽合成過程中需要用到carbodiimide來活化羧基，促使醯胺的 生成。Chen²⁸等人利用磁性Fe3O4粒子上羥基和PAA上的羧基在

carbodiimide協助下行進一步脫水反應生成ester bond；carbodiimide在 反應過程中會接上羧基的位置，使之變成好的離去基，在超音波下反 應一小時後，可得到表面修飾有PAA的磁性奈米粒子(圖1-13)。此種 表面鍵結PAA的磁性奈米粒子，一方面可以PAA吸附分析物，又可利 用其磁鐵性質將此顆粒從複雜的溶液中分離。

結

圖1-13 修飾有 PAA 的磁性 Fe₃O₄粒子的TEM 圖 ^28a。

1.4.2 二步合成

等，此類的organosilanes 分子在分子的一端有三個可離去的 methoxyl 或ethoxyl 基連接在矽原子上，和羥基在反應的過程中會脫去可離去

SiO2表面的化學鍵有 siloxane(Si–O–Si)和 silanol (Si–OH)兩種，官 能基化的過程可以透過siloxane 或 silanol 與修飾物反應將 SiO2表面

2

依不同需求加以官能化，比較常見的是經由silanol 與 organosilanes 反應得到官能基化的SiO2，反應的方程式如圖 1-14。Halasz 和

Sebastian³⁵則以thionyl chloride將SiO2表面先行氯化後再加入Grignard reagent將Si–Cl取代成為Si–C(圖 1-15)，但這一類的修飾方式會在過程 中產生有害的HCl、SO2 和Cl2CO。還有另一種官能基化的方式，是 混合欲修飾的官能基分子和矽的前驅物如TEOS(tetraethyl

orthosilicate)，進行反應而直接取得具有特殊官能基修飾的氧化矽顆 粒³⁴。

圖1-14 利用 organosilanes 與 SiO₂反應的方程式³⁶。

圖1-15 利用 thionyl chloride 修飾 SiO₂的方程式³⁶。

PAA的修飾

經APTMS類的化合物官能化後，就可以利用APTMS分子末端的 胺基與PAA的羧基來反應。Zengin³⁷利用APTES先官能化玻璃表面，

透過APTES分子末端的胺基和PAA的羧基約在140 ^oC直接脫水形成 amide bond。由於APTES分子末端的胺基比起材料表面的羥基有更強 的nucleophilicity，不容易形成水解的反應，所以先修飾APTES當連結 劑再修飾PAA的兩步合成方式，比起直接修飾PAA的方式不容易發生 逆反應。

除了直接使用已聚合完成的高分子和官能基化的材料反應，

Zaragoza³⁶等人則改以先使NiO奈米顆粒表面官能基化，再將acrylic acid聚合在NiO的表面，最後得到連接有PAA的NiO(圖1-16)。同樣的 Liao³⁸等人也利用表面聚合的方式，將PAA分子披附於SPME針上，作 為生化分子的萃取工具。

圖1-16 NiO顆粒表面聚合修飾PAA的示意圖³⁶。

PAA 也可與其他高分子形成共聚高分子作為修飾物，

Hollmann⁵等人以spin-coating 方式在晶圓片矽基板上先修飾上 poly(styrene)，再將 diblock copolymer poly(styrene)-poly(acrylic acid) 以spin-coating 塗上，將塗抹後材料置於高溫底下時，最底層的 poly(styrene)擴散進入 copolymer poly(styrene)-poly(acrylic acid)分子 間，並形成新的鍵結，而將PAA 固定於表面上。

經PAA修飾過材料可以不同的分析方法，探討修飾量的變化，例 如可以紅外光譜(IR)觀測PAA的特徵峰︰1710 cm^-1附近羧基的吸收 峰，2900 cm^-1、1300 cm^-1、1400 cm^-1附近碳氫鍵的吸收峰(圖1-17)，

藉由這幾個特定的吸收峰，可以了解是否表面已經存在了PAA的分 子，此外紅外光譜所呈現的相對訊號強度，也可以當作PAA存在量的

依據。經過修飾的表面經常呈現不同於原本材料的粗糙度，藉由電子 顯微鏡SEM或TEM的觀察²⁵，可以獲得修飾前後的變化，作為一種定 性的依據。經過EA元素分析儀和TGA熱重分析儀加熱過程中所得到 的元素比例和重量損失，是常見的定量方式，越多的PAA高分子在表 面上，在TGA的加熱過程中損失的重量越重，同樣的在EA上則會呈 現C、H元素重量比例的增加³⁷。

圖1-17 在玻璃上修飾PAA前後的IR圖³⁷：(A) 修飾前；(B) 修飾 APTMS後；(C) 修飾PAA後。

1.5 研究目的與方法

PAA 長度和加熱方式等對 SiO2表面PAA 修飾量的影響。其次針對最 佳PAA 修飾量的 SiO2顆粒，觀察其對lysozyme 吸附脫附現象與溶液 環境的關係，主要研究的參數為pH 值和離子強度的影響。研究最後，

乃是參考PAA 官能基化 SiO2粒子的研究結果，將毛細管柱內壁以 PAA 加以修飾，實際進行 lysozyme 的濃縮研究，並與未修飾的管柱 進行比較。

第二章 實驗材料與方法

Potassium dihydrogen

phosphate Merck 99% 136 Dipotassium hydrogen

phosphate Merck 99% 174 Poly(acrylic acid) Aldrich 35% 250000 Poly(acrylic acid) Aldrich 99% 1800 3-Aminopropyl-trimethoxy

silan(APTMS) Aldrich 97% 179

Lysozyme Sigma >95% 14300 Sodium chloride Showa 99% 58

Acetonitrile Mallinckrodt

Chemicals 99% 41 Dichloromethane Fluka 99% 84 N,N-Dimethylformamide Echo 99% 73

Silica gel (63 - 200 μm) Merk 99% 60 Silica gel (5 - 20 μm) Merk 99% 60

Silica gel (63 - 200 μm) Merk 99% 60 Silica gel (5 - 20 μm) Merk 99% 60

在文檔中 SiO2@PAA粒子的合成與其吸附脫附蛋白質能力的探討 (頁 21-0)