二氧化鈦溶膠凝膠材料輔助雷射脫附游離質譜法之研究

國

立

交

通

大

學

應用化學學系

碩

士

論

文

二氧化鈦溶膠凝膠材料輔助雷射脫附游離質譜法之研究

Study of TiO

2

-sol-gel assisted laser desorption/ionization

mass spectrometry

指導教授：陳月枝 博士

研 究 生：陳振泰

二氧化鈦溶膠凝膠材料輔助雷射脫附游離質譜法之研究

學生：陳振泰 指導教授：陳月枝 博士 國立交通大學應用化學系研究所 碩士班 摘 要 基質輔助雷射脫附游離質譜法已被廣泛地使用於各類型樣品的分析，而用 以輔助樣品脫附游離之基質的選擇，常常決定了分析結果的好壞。而使用傳統 基質輔助樣品之分析時，需要考慮到基質是否可和分析物具有很好的互溶性， 及基質是否和分析物形成良好的共同結晶。為了改善傳統基質之使用可能衍生 出的問題，本論文嘗試以溶膠凝膠法合成的無機二氧化鈦薄膜，當做輔助樣品 在雷射脫附游離中的基材，此無機基材並不需要和樣品互溶及進行共結晶化， 所以可以改善傳統基質使用上的缺點，並且可以簡化樣品的處理程序。目前本 論文發展的這個方法質量上限可達8.5 kDa 左右，但在低分子量範圍仍有二氧 化鈦薄膜自身產生的背景離子，故較適合用於分子量大於500 Da 分析物的分 析。 為了改善此方法之偵測靈敏度，本論文也探討二氧化鈦薄膜表面性質對輔 助樣品脫附游離的影響，結果發現添加聚乙二醇於二氧化鈦薄膜中並經過高溫 500℃處理後，會使得薄膜表面粗糙度增加，並且使得薄膜在波長 337 nm 的吸 收率上升，在質譜中的分析物的訊號強度因而得以增強。 除此之外，因為二氧化鈦溶膠凝膠材料是一良好的分子轉印材料，所以本 論文也嘗試使用二氧化鈦輔助溶膠凝膠雷射脫附游離質譜法，用以發展分子辨 識質譜法。在論文中以α 型環糊精分子為轉印分子，即將 α 型環糊精分子混入 二氧化鈦溶膠凝膠材料中，並將此混成材料塗佈在玻璃片上形成薄膜後，再利 用水洗法將 α 型環糊精分子洗去，而留下具有 α 型環糊精分子結構孔洞的薄 膜，用以當做辨識α 型環糊精之模板。利用此模板為探針親合萃取 α 型環糊精， 並直接以質譜法為偵測方法，實驗結果顯示具有α 型環糊精分子結構孔洞的二 氧化鈦薄膜可專一選擇水中微量的α 型環糊精分子。除了孔洞結構可讓 α 型環 糊精嵌入外，孔洞表面的羥基可能可以藉由氫鍵作用力親和固定α 型環糊精分 子於孔洞中，此方法對α 型環糊精的辨識最低濃度為 50 ppb (18ml)。

Study of TiO2-Sol-Gel Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry

Student: Cheng-Tai Chen Advisor: Dr. Yu-Chie Chen

Department of Applied Chemistry, National Chiao Tung University Hsinchu 300, Taiwan

ABSTRACT

Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS) has been widely used in the analysis for various types of analytes. The analysis results mainly rely on the selections of MALDI matrices. The solubility and co-crystallization between analytes and matrices are the major concerns in MALDI analysis. A new matrix system was developed to replace the usage of conventional MALDI matrix to avoid these problems. The TiO2

sol-gel-deposited thin film was employed as the sample substrate to assist the UV laser

desorption/ionization of analytes in laser desorption/ionization mass spectrometric analysis. Only one step of sample preparation by simply depositing the analytes on the TiO2 film was required before sending the sample into the mass spectrometer. Thus, the concerns about the solubility and co-crystallization between analytes with matrices do not arise in this approach. The detectable molecule with the greatest molecular weight was about 8.5 kDa. Owing to the strong interference contributed by the TiO2 film in the low-mass region, this approach is only suitable for molecular sizes with masses larger than 500 Da.

It was also found that the roughness on the surface of the TiO2 film might affect the

detection limit in the analysis. Various amounts of polyethylene glycol (PEG) were added into the TiO2 sol during sol-gel process. The TiO2 sol-gel/PEG hybrid material was spin-coated on a glass slide. PEG in the TiO2 film was removed during heated at a temperature of 500℃, which resulted in generating a rough surface for the TiO2 film. Furthermore, the absorption capacities of the TiO2 films were increased as the degree of the roughness increased at a wavelength of 337 nm. The intensities of analytes signals in the MALDI mass spectra were enhanced when the analytes was desorbed from a TiO2 film with a rougher surface.

Additionally, owing to the characteristic of TiO2-sol-gel being a good molecularly imprinted material, a molecular recognition-based mass spectrometry based on using TiO2-sol-gel as the molecular-imprinting material was developed. α-Cyclodextrin (CD) was selected as the template molecule and doped into the TiO2-sol-gels in a sol-gel reaction. The molecularly imprinted TiO2 sol was spin-coated on a glass slide, and appropriate template cavities in the TiO2 sol-gel material were formed after the template molecules were removed. This modified glass slide can be used to select α-CD from a sample solution; α-CD was directly detected from the modified glass slide by TiO2 sol-gel assisted laser desorption/ionization mass spectrometry. In addition to size

complementarity between α-CD and the cavities imprinted in the TiO2 film, it is believed that the hydroxyl groups located around the binding pocket are involved in discriminating between analytes through significant hydrogen bonding interactions, The detectable concentration for α-CD was about 50 ppb for an 18mL of sample solution.

誌

謝

看著螢幕發呆，思緒卻空白了好久，這篇論文寫到這裡，是該結束的 時候了。努力回想過往的歲月，剛退伍的徬徨、考進交大的欣喜、無法畢 業的挫折與壓力，竟是如此雲淡風清。 人生似乎有做不完的選擇題，得與失卻像是無解的是非題。很慶幸也 很感謝 陳月枝 老師，在我失意無助的時候，願意提供這樣的機會給沒有 分析化學背景的我，並且在生活和實驗中熱心地給予我許多幫助和指導， 也才有這篇論文的誕生。同時也要衷心感謝 余艇 老師、 李積琛 老師及 陳俊顯 老師對本論文的悉心指正與建議，使得本論文更趨正確與完善。 對於家人，除了滿心的感謝之外，還有許多的抱歉。謝謝我的父親， 在人生轉彎的地方，給我全心的支持與鼓勵；謝謝我的母親，能夠諒解我 的忙碌與壓力，沒有太多的時間陪陪您；謝謝我一對可愛又貼心的妹妹， 都能夠陪在爸媽身邊分憂解勞，讓我沒有後顧之憂，可以全心全意在實驗 室裡打拼。 三百多個日夜晨昏裏，感謝實驗室的夥伴們給我許許多多的幫助。亞 玄、阿雄、威佑、小建、坤展、蕙筠、阿伯、茂峰和逸婷，因為有你們點 點滴滴的累積，才能匯集成這篇論文的字字句句。特別要謝謝的是逸婷， 一直陪在我身邊，幫我加油打氣，否則也許在許多關頭，我早就放棄了， 真的謝謝妳！ 實驗總是難以想像，總是會有許多的挑戰，總是會讓我有一種想要去 一探究竟的欲望。僅以此篇論文，獻給我所愛的和愛我的人。

目

錄

中文摘要 ……… Ⅰ 英文摘要 ……… Ⅱ 誌謝 ……… Ⅲ 目錄 ……… Ⅳ 圖表目錄 ……… Ⅸ 壹、緒論 ……… 1 一、 前言……… 1 二、 MALDI-TOF MS 的背景介紹……… 3 2-1 MALDI 的發展歷史……… 3 2-2 基質的特性與功能……… 4 2-3 樣品在 MALDI 中的脫附游離機制……… 8 2-4 MALDI 中形成的離子特徵……… 11 2-5 飛行時間質量分析儀 (TOF) 的原理……… 12 2-6 MALDI-TOF 的優點……… 13 2-7 影響分析物訊號的因素……… 14 三、 溶膠凝膠材料……… 16 3-1 溶膠凝膠材料的發展歷程與現況……… 16 3-2 溶膠凝膠材料的合成……… 17 3-2-1 酸性條件下 (pH＜3) 的水解縮合反應機構…… 18 3-2-2 中性及鹼性條件下的水解縮合反應機構……… 18 3-2-3 聚合反應機構……… 19 3-2-4 催化與反應速率……… 19

3-2-5 影響溶膠凝膠反應的因素……… 20 四、 分子轉印技術與分子辨識……… 22 4-1 分子轉印技術與分子辨識的概念……… 22 4-2 分子辨識的原理……… 23 4-3 分子轉印技術的類型……… 24 4-3-1 分子轉印高分子……… 24 4-3-2 溶膠凝膠分子轉印材料……… 26 4-4 分子轉印技術的應用與發展……… 28 4-4-1 感測器應用……… 28 4-4-2 配位基鍵結分析……… 29 4-4-3 分離方法……… 29 4-4-4 樣品預濃縮……… 30 4-5 分子辨識的方法與盲點……… 30 4-6 分子轉印技術發展的挑戰……… 31 五、 無機材料輔助雷射脫附游離的發展……… 33 5-1 無機材料輔助雷射脫附游離質譜法之發展歷程… 33 5-2 溶膠凝膠材料輔助雷射脫附游離質譜法之研究… 33 5-3 二氧化鈦的簡介……… 34 5-4 鈦系化合物為基質的發展歷程……… 36 六、 論文目標……… 38 貳、實驗 ……… 39 一、 實驗藥品及材料……… 39 二、 實驗儀器……… 40

三、 實驗步驟與流程……… 40 3-1 二氧化鈦溶膠凝膠材料……… 40 (1) 二氧化鈦溶液的合成……… 41 (2) 二氧化鈦溶膠凝膠薄膜的製備……… 41 (3) 測試二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為輔助雷射脫附質譜 法的基材……… 41 3-2 二氧化鈦溶膠凝膠材料混摻 Polyethylene glycol (PEG) 之實驗設計……… 42 (1) 二氧化鈦溶液混摻 PEG……… 42 (2) 薄膜的製備……… 43 (3) 高溫處理……… 43 (4) 二氧化鈦薄膜的吸光性質及厚度的偵測………… 43 (5) 測試二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為輔助雷射脫附質譜 法的基材……… 43 3-3 二氧化鈦溶膠凝膠材料混摻環糊精模板分子實驗 設計……… 44 (1) 二氧化鈦溶液混摻環糊精……… 44 (2) 薄膜的製備……… 45 (3) 利用水洗法移除在二氧化鈦溶膠凝膠上的 α 型環 糊精……… 45 (4) 直接點樣偵測……… 45 (5) 進行分子辨識的程序，並以雷射脫附質譜法為偵 測方法……… 45 3-4 MALDI 質譜儀的操作條件……… 46

參、結果 與討論……… 47 一、 二氧化鈦溶膠凝膠材料……… 47 (1) 二氧化鈦薄膜做為基質的可行性……… 47 (2) 二氧化鈦薄膜的特性……… 52 (3) 以二氧化鈦薄膜為乘載 MALDI 樣品的基材在 MALDI 的偵測極限……… 52 二、 二氧化鈦溶膠凝膠混摻PEG 所製造之薄膜表面性質探 討……… 55 (1) 二氧化鈦溶膠凝膠材料混摻 PEG 的特性………… 55 (2) 二氧化鈦溶膠凝膠材料混摻 PEG 後的薄膜表面型 態……… 55 (3) 二氧化鈦溶膠凝膠薄膜經過高溫處理後的 UV 吸 收……… 56 (4) 二氧化鈦溶膠凝膠混摻 PEG 之薄膜經過高溫處理 後的 UV 吸收……… 57 (5) 薄膜的性質對分析物訊號強度的影響……… 63 三、 二氧化鈦溶膠凝膠材料分子辨識模板之製造………… 73 (1) 以二氧化鈦溶膠凝膠材料轉印 α 型環糊精分子… 73 (2) 以環糊精為分析物直接以已洗去 α 型環糊精的二 氧化鈦為MALDI 基質分析之偵測極限探討……… 74 (3) 以洗去 α 型環糊精的二氧化鈦薄膜為分子辨識探 針親和萃取水中微量之α 型環糊精……… 74 (4) 以二氧化鈦薄膜為萃取探針對環糊精分子萃取能 力之探討……… 84

(5) 混合溶液的辨識能力……… 84 (6) 萃取時間對分子辨識效果的影響……… 85 (7) 分子構形大小對分子辨識效果的影響……… 85 肆、結論 ……… 97 伍、未來 展望……… 99 參考文獻 ……… 100

圖 表 目 錄

表一、 常用的 MALDI 基質及適用的分析物……… 7 表二、 銳鈦礦與金紅石的基本物理性質……… 35 表三、 不同二氧化鈦薄膜在波長 337 nm 的吸收率比較……… 65 圖1、 分子轉印高分子原理示意圖……… 25 圖2、 分子轉印高分子錯合物的形成方式……… 26 圖3、 以二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為 MALDI 之基質的實驗流程圖…… 42 圖4、 製作不同表面粗糙度二氧化鈦薄膜之實驗流程圖……… 44 圖5、 以二氧化鈦溶膠凝膠材料轉印 α-CD 分子的實驗流程圖……… 46 圖6、 TiO2薄膜的UV-vis 吸收光譜圖……… 49

圖7、 以TiO2-sol-gel 為輔助 Bradykinin (1000 ppm, 0.2μl) 脫附游離基 材的MALDI 質譜圖……… 49

圖8、 以PP 為容器合成之 TiO2-sol-gel 為輔助 Bradykinin (1000 ppm, 0.2 μl) 脫附游離基材的 MALDI 質譜圖……… 50

圖9、 以TiO2-sol-gel 為輔助 Insulin (1000 ppm, 0.2μl) 脫附游離基材在 Linear 模式下操作所得的 MALDI 質譜圖……… ₅₀

圖10、 以TiO2-sol-gel 為輔助 Insulin (3000 ppm, 0.2 μl) 脫附游離基材在 Reflectron 模式下操作所得的 MALDI 質譜圖……… 51

圖11、 以TiO2-sol-gel 為輔助 Ubiquitin (1000 ppm, 0.2μl) 脫附游離基材 的MALDI 質譜圖……… 51

圖12、 以 TiO2薄膜為輔助 MALDI 分析在 MALDI 質譜圖中之背景圖 53 圖13、 以TiO2-sol-gel 為輔助 Bradakinin (190 fmol) 脫附游離基材的 MALDI 質譜圖……… 53

圖14、 以TiO2-sol-gel 為輔助 Insulin (340 fmol) 脫附游離基材的

MALDI 質譜圖……… 54

圖15、 以TiO2-sol-gel 為輔助 Ubiquitin (11.6 pmol) 脫附游離基材的

MALDI 質譜圖……… 54

圖16、 組成為TiO2:PEG2000=100:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的

SEM 圖……… ₅₈

圖17、 組成為TiO2:PEG2000=100:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的

SEM 圖……… ₅₈

圖18、 組成為TiO2:PEG400=1:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的 SEM

圖……… ₅₉

圖19、 組成為TiO2:PEG400=1:1 (Molar ratio) 的二氧化鈦薄膜的 SEM

圖……… ₅₉

圖20、 二氧化鈦薄膜之 AFM 圖……… 60

圖21、 以 TiO2:PEG400=1:2 為溶膠凝膠組成之薄膜表面 AFM 圖……… 60

圖22、 二氧化鈦溶膠凝膠薄膜經過高溫處理後的 UV 吸收圖………… 61

圖23、 二氧化鈦溶膠凝膠粉末經過高溫處理後的 x 光繞射圖………… 61

圖24、 二氧化鈦溶膠凝膠混摻PEG 之薄膜經過高溫處理後的 UV 吸收

圖……… ₆₂

圖25、 以Prometryn (1000 ppm, 0.2μl) 為分析樣品、二氧化鈦混摻不同

莫耳比例的PEG 之薄膜 (a) TiO2 (b) TiO2:PEG400=1:0.5 (c)

TiO2:PEG400=1:1 (d) TiO2:PEG400=1:1.5 (e) TiO2:PEG400=1:2

經過高溫處理後為MALDI 基質，在 MALDI 分析下所得之質譜

圖26、 以Bradykinin (1000 ppm, 0.2μl) 為分析樣品，二氧化鈦混摻不同 莫耳比例的PEG 之薄膜 (a) TiO2 (b) TiO2:PEG400=1:0.5 (c)

TiO2:PEG400=1:1 (d) TiO2:PEG400=1:1.5 (e) TiO2:PEG400=1:2

經過高溫處理後為MALDI 基質，在 MALDI 分析下所得之質譜

圖……… 67

圖27、 以Melittin (1000 ppm, 0.2μl) 為分析樣品，二氧化鈦混摻不同莫

耳比例的PEG 之薄膜 (a) TiO2 (b) TiO2:PEG400=1:0.5 (c) TiO2:

PEG400=1:1 (d) TiO2:PEG400=1:1.5 (e) TiO2:PEG400=1:2 經過高

溫處理後為MALDI 基質，在 MALDI 分析下所得之質譜圖…… 68

圖28、 二氧化鈦薄膜厚度的 SEM 圖……… 69

圖29、 經過高溫處理後的 TiO2薄膜的 MALDI 背景質譜圖……… 70

圖30、 以Bradykinin (1000 ppm, 0.2 μl) 為分析樣品，組成為 TiO2: PEG

400= 1:2（莫耳比）經過高溫處理後的二氧化鈦薄膜並添加 15% 的甘油溶液 (0.2 μl) 為 MALDI 基質，在 MALDI 分析下所得之

質譜圖……… 70

圖31、 以Melittin (1000 ppm, 0.2 μl) 為分析樣品，組成為 TiO2:PEG400=

1:2（莫耳比）經過高溫處理後的二氧化鈦薄膜並添加 15%的甘 油溶液 (0.2 μl) 為 MALDI 基質，在 MALDI 分析下所得之質譜

圖……… 71

圖32、 以Insulin (1000 ppm, 0.2 μl) 為分析樣品，組成為 TiO2:PEG400=

1:2（莫耳比）經過高溫處理後的二氧化鈦薄膜並添加 15%的甘 油溶液 (0.2 μl) 為 MALDI 基質，在 MALDI 分析下所得之質譜

圖33、 以Ubiquitin (1000 ppm, 0.2 μl) 為分析樣品，組成為 TiO2:PEG400 =1:2（莫耳比）經過高溫處理後的二氧化鈦薄膜並添加 15%的甘 油溶液 (0.2 μl) 為 MALDI 基質，在 MALDI 分析下所得之質譜 圖……… 72 圖34、 以Cytochrome c (1000 ppm, 0.2 μl) 為分析樣品，組成為 TiO2: PEG400= 1:2（莫耳比）經過高溫處理後的二氧化鈦薄膜並添加 15%的甘油溶液 (0.2 μl) 為 MALDI 基質，在 MALDI 分析下所 得之質譜圖……… 72 圖35、 以TiO2: α-CD=300:1(莫耳比)為組成之溶膠凝膠薄膜直接進行 MALDI 分析之質譜圖……… 76 圖36、 以TiO2: α-CD=300:1(莫耳比)為組成之溶膠凝膠薄膜，在水洗後 直接進行MALDI 分析之質譜圖……… 76 圖37、 α, β, γ 型環糊精分子的大小結構示意圖……… 77 (a) 二氧化鈦薄膜混摻 α 型環糊精示意圖……… 圖38、 (b) 以水洗去 α 型環糊精的二氧化鈦薄膜示意圖……… 77 圖39、 水洗3 片塗佈有二氧化鈦薄膜(組成為 TiO2: α-CD=300:1(莫耳 比))蓋玻片，取其水洗液 (0.2 μl) 以純二氧化鈦薄膜為 MALDI 分析之基質進行MALDI 分析所得之質譜圖……… 78 圖40、 以與圖34 相同水量 (15 ml) 水洗 7 片塗佈有二氧化鈦薄膜(組 成為 TiO2: α-CD=300:1 (莫耳比))蓋玻片，取其水洗液 (0.2 μl) 以純二氧化鈦薄膜為MALDI 分析之基質進行 MALDI 分析所得 之質譜圖……… 78

圖41、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以α-CD 1000 ppm (0.2 μl) 為樣品進行分析的 MALDI 質譜 圖……… 79 圖42、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以β-CD 1000 ppm (0.2 μl) 為樣品進行分析的 MALDI 質譜 圖……… 79 圖43、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以γ-CD 1000 ppm (0.2μl) 為樣品進行分析所得的 MALDI 質譜圖……… 80 圖44、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以α-CD 100 ppm (0.2 μl) 為樣品進行分析所得的 MALDI 質譜圖……… 80 圖45、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以β-CD 50 ppm (0.2 μl) 為樣品進行分析所得的 MALDI 質 譜圖……… 81 圖46、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以γ-CD 100 ppm (0.2 μl) 為樣品進行分析所得的 MALDI 質 譜圖……… 81 圖47、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為分 子辨識模板，對水中微量α-CD (100 ppm, 18 ml) 進行萃取辨識 （萃取時間2 小時），萃取模板再以 MALDI 進行分析所得之質 譜圖……… 82

圖48、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為分 子辨識模板，對水中微量α-CD (10 ppb, 18 ml) 進行萃取辨識 （萃取時間2 小時），萃取模板再以 MALDI 進行分析所得之質 譜圖……… 82 圖49、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為分 子辨識模板，對水中微量β-CD (50 ppm, 18 ml) 進行萃取辨識 （萃取時間2 小時），萃取模板再以 MALDI 進行分析所得之質 譜圖……… 83 圖50、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為分 子辨識模板，對水中微量γ-CD (50 ppm, 18 ml) 進行萃取辨識 （萃取時間2 小時），萃取模板再以 MALDI 進行分析所得之質 譜圖……… 83 圖51、 以水洗後的TiO2薄膜為基質，以α-CD 50 ppm (0.2 μl) 為樣品進 行MALDI 分析的質譜圖……… ₈₇ 圖52、 以水洗後的TiO2薄膜為萃取之探針，萃取 α-CD 10 ppm (18 ml) 2 小時所得的 MALDI 質譜圖……… 87 圖53、 以水洗後的TiO2薄膜為 MALDI 基質，以 β-CD 50 ppm (0.2 μl) 為樣品進行MALDI 分析的質譜圖……… 88 圖54、 以水洗後的TiO2薄膜為萃取之探針及MALDI 基質，萃取 β-CD 10 ppm (18 ml) 2 小時所得的 MALDI 質譜圖……… 88 圖55、 以水洗後的TiO2薄膜為 MALDI 基質，以 γ-CD 100 ppm (0.2 μl) 為樣品進行MALDI 分析的質譜圖……… 89 圖56、 以水洗後的TiO2薄膜為萃取之探針及MALDI 基質，萃取 γ-CD 50 ppm (18 ml) 2 小時所得的 MALDI 質譜圖……… 89

圖57、 以二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基質，以α, β, γ-CD 10 ppm (0.2 μl) 為樣品進行分析的MALDI 質譜圖……… 90 圖58、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以α, β, γ-CD 100 ppm (0.2 μl) 為樣品進行分析的 MALDI 質 譜圖……… 90 圖59、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (50 ppm) 之樣品溶液經萃取2 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 91 圖60、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (10 ppm) 之樣品溶液經萃取2 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 91 圖61、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (1 ppm) 之樣品溶液經萃取2 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 92 圖62、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (100 ppb) 之樣品溶液經萃取2 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 92 圖63、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (5 ppm) 之樣品溶液經萃取3 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 93 圖64、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (1 ppm) 之樣品溶液經萃取3 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 93

圖65、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (100 ppb) 之樣品溶液經萃取3 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 94 圖66、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 18 ml 含等濃度 α, β, γ-CD (50 ppb) 之樣品溶液經萃取3 hrs 的 MALDI 質譜圖……… 94 圖67、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為基 質，以3,5-DABA (500 ppm ,0.2 μl) 為分析物之 MALDI 質譜 圖……… 95 圖68、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取探針及MALDI 基質，進行 2 小時含 3,5-DABA (500 ppm, 18 ml) 的溶液之萃取，以 MALDI 為分析方法所得之質譜圖……… 95 圖69、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取之探針及MALDI 基質，進行 2 小時含 3,5-DABA (500 ppm) 與 α 型環糊精 (50 ppm) 的混合溶液 (18 ml) 之萃取，以 MALDI 為偵測方法所得之質譜圖……… 96 圖70、 以具有α 型環糊精分子結構孔洞的二氧化鈦溶膠凝膠薄膜為萃 取之探針及MALDI 基質，進行 2 小時含 3,5-DABA (50 ppm) 與 α 型環糊精 (5 ppm) 的混合溶液 (18 ml) 之萃取，以 MALDI 為 偵測方法所得之質譜圖……… 96

壹、緒論

一、前言

質譜儀 (Mass spectrometer) 在 20 世紀初由 J.J. Thomson 發明之後，

1_{至今已有一世紀之久，而質譜法在經過不斷的創新與發展後，已經成為} 分析化學中最重要的分析方法之一。 雷射脫附質譜儀 (Laser desorption) 在 1960 年初期發展出來，2-4主 要是使用在無機、有機小分子的分析研究上。1987 年，田中耕一 (K. Tanaka) 發表了利用鈷金屬的奈米粉末混合甘油為基質的軟性雷射脫附 游離法，並且能夠用以偵測到分子量約在34000 Da Carboxypeptdiase A 的分子離子。5Hillenkamp 和 Karas 在 1988 年提出了在雷射脫附質譜法的 樣品中，添加具有吸收雷射能量 (266 nm) 的有機物-尼古丁酸，可以測 得如牛血清蛋白 (Bovine serum albumin) 和溶菌酶 (Lysozyme) 等大分 子的離子訊號，並將這種方法稱做基質輔助雷射脫附游離質譜法 (Matrix-assisted laser desorption/ionization，簡稱 MALDI)。6而由於 MALDI 非常適合用於分析生化分子，因此在近幾年蛋白體學的快速發 展，MALDI 扮演著舉足輕重的角色，K. Tanaka 更因此而獲得了 2002 年 諾貝爾化學獎。 傳統的 MALDI 基質，多屬於具有芳香環的有機酸小分子，除此之 外，各種不同的無機材料也相繼被研究開發並成為適用於MALDI 的基 質。7-11使用無機材料做為 MALDI 基質有相當多的優點，如不需考慮基 質與樣品的互溶性及結晶好壞等問題。本論文主要的研究方向，在以四

丁氧基鈦 (Titanium n-butoxide) 無機材料作為前驅物，利用溶膠凝膠法 (Sol-gel) 合成的二氧化鈦薄膜做為 MALDI 的基質，研究其可用性，並在

二氧化鈦溶液中添加不同比例Polyethylene glycol (PEG)，討論薄膜性質

對改善分析物訊號強度的研究。另外本論文也嘗試在二氧化鈦溶液中混 摻環糊精作為轉印分子，以水洗法洗去環糊精並利用此模板為探針，用 以親和萃取水中微量的環糊精，而以雷射脫附游離質譜法為偵測方式，

藉以發展分子辨識的分析方法。以下將針對MALDI 的背景及相關資料做

二、MALDI-TOF MS 的背景介紹

一般 MALDI 以配備飛行時間 (Time-of-Flight, TOF) 質量分析儀為

主，而MALDI-TOF 主要組成元件為雷射、樣品游離室、TOF 質量分析 儀、離子偵測器及訊號處理系統。而MALDI 的樣品製備方法，是將約 0.5 μl 的基質 (10~30 mg/ml) 以特定莫耳比例與待測分析物混合後，取 約1 μl 置於樣品探針上，待有機溶劑揮發後，樣品會形成類似結晶狀的 固體，即可將此探針送入質譜儀進行分析。當雷射照射在樣品與基質的 混合物上，基質可以吸收雷射能量並扮演能量傳遞的媒介，將所吸收的 能量傳給周圍的樣品分子，使樣品分子得到足夠的能量而在瞬間脫附游 離至氣相，並在外加固定高電壓下，獲得特定的加速動能而進入固定長 度的飛行管，依據到達偵測器時間的不同而達到質量分析的目的。

2-1 MALDI 的發展歷史

早在 1960 年代，就有研究學者利用高能量的雷射光束照射在固體表 面上，可從表面脫附出完整的氣相分子離子，並由質譜儀直接進行偵測。 2-4_{1978 年 M. A. Posthumus 等人利用雷射脫附質譜法成功地分析核苷} 酸、胺基酸、胜肽、醣類等生化小分子。12直到 1985 年，利用雷射脫附 質譜法所能得到的質量上限均侷限在2000 Da 以下。13 在1987年的一項學術會議中，5日本Shimadzu公司的研發部門工程師 田中耕一 (K. Tanaka) 發現了當蛋白質分子混以金屬奈米級粉末 (~300Å) 與甘油組合的基質，利用波長337 nm的氮雷射進行照射可將完整蛋白質

分子離子脫附游離而被質譜偵測。次年，田中正式在期刊上發表了以鈷

金屬粉末 (~300Å) 混以甘油的系統做為基質，14再加入樣品溶液充分混

合，利用波長337 nm的氮雷射進行脫附游離質譜分析的方法，可以偵測 到Chymotrypsinogen (25,717 Da)、Carboxypeptidase A (34,472 Da) 以及 Cytochrome c (12,360 Da) 的分子離子訊號，這是使用無機材料輔助樣品 在雷射脫附游離的肇始。而在同年，德國的研究學者M. Karas和F. Hillenkamp也發表了一種稱為基質輔助雷射脫附游離質譜法的技術，即 MALDI。6利用波長在266 nm的Nd-YAG雷射為照射光源，而在樣品中混 入在266 nm波長有相當吸收率的尼古丁酸 (Nicotinic acid)，一舉將所能偵 測質量範圍擴展至100 kDa左右。由於尼古丁酸能夠吸收並傳遞雷射能量 以提供足夠能量來輔助蛋白質分子從凝相態過渡至氣相離子，便將這種 具有輔助性質的有機小分子稱為基質 (Matrix)。自此之後，許多的研究 學者陸陸續續加入此一研究領域，而開發出各種適合不同樣品的基質，15 以下將簡介目前常用的MALDI基質。

2-2 基質的特性與功能

MALDI 和直接雷射脫附 (Laser desorption, LD) 質譜法的主要不同

點在於MALDI 的樣品中添加了可吸收特定雷射波長能量的基質，藉以輔 助樣品分子的脫附游離。一般商業化的MALDI-TOF 主要以配備波長在 337 nm 的氮雷射為主，也有在波長 355 nm 產生自三倍頻的釹釔鋁石榴 石雷射或2.94 μm 的 IR 雷射可供選擇。一般而言，適合 UV-MALDI 的 基質均具有共軛雙鍵或芳香族環的小分子，而IR-MALDI 的基質取得較 方便，凡是具有特定IR 波長吸收率的化合物如水皆可用來當做 MALDI

基質。一般來說，良好的MALDI 基質必須具備兩個要件：(1) 基質和分 析物分子需有良好的互溶性；(2) 基質對在 MALDI 所使用的雷射波長需 有相當的吸收率 (500~15000 Lmol-1cm-1)。16 一般基質和待測樣品的莫耳比例通常需調整在 100：1 到 50000：1 之間，且會隨著待測樣品分子愈大，所需比例也愈高，如此基質才可提 供足夠能量給分析物以進行脫附。綜合上述，基質主要有三個功能：17 (1) 防止分析物聚集 (Aggregation) 基質在樣品的比例通常遠高於分析物，目的是以基質隔離分析物分 子並防止分析物聚集在一起。如此可使得分析物和基質有較好的共同結 晶化而能加強雷射能量的傳遞及樣品分子的脫附游離化率。 (2) 具有吸收特定雷射波長能量的能力 基質需具有吸收雷射能量的能力，並且能夠將能量傳遞至鄰近分析 物的分子，以提供足夠的能量而將樣品瞬間從凝相態轉換成氣態。 (3) 幫助分析物游離化 基質大多為具有酸性官能基的芳香族有機物，能夠有效提供氫離子 給分析物，因此分析物在過渡至氣相時，可經一連串的離子-分子反應由 基質得到氫離子而被離子化。 因為基質與分析物形成共同結晶化的好壞，會影響能量傳遞給分析 物的效率，因此針對不同極性的分析物分子所選用的基質也應作適當調 整。不同類型的分析物，其適用的基質也不同。如Sinapinic acid 常用於 分析蛋白質、胜肽；醌茜 (1,4-Dihydroxyanthraquinone) 適用於高分子的

分析；而3-HPA (3-Hydroxypicolinic acid) 適用於核苷酸的分析。表一為

表一、常用的MALDI 基質及適用的分析物

基質名稱 分子量 結構式 型態 適用分析物

3-pyridine carboxylic acid

(Nicotinic acid) 123 Da 固體 蛋白質、胜肽核醣核酸 α-cyano-4-hydroxy- cinnamic acid (α-CHCA) 189 Da 固體 蛋白質、胜肽 3,5-dimethoxy-4-hydroxy- cinnamic acid

(Sinapinic acid, SA) 224 Da 固體 蛋白質、胜肽

2,5-dihydroxybenzoic acid (2,5-DHB) 154 Da 固體 蛋白質、胜肽碳水化合物 3-hydroxypicolinic acid (3-HPA) 139 Da 固體 去氧核醣核酸寡核苷酸 3-methoxy-4-hydroxy- cinnamic acid (Ferulic acid) 192 Da 固體 蛋白質、胜肽 trans-3-indoleacrylic acid (IAA) 187 Da 固體 蛋白質、胜肽高分子 3-nitrobenzyl alcohol 153 Da 液體 蛋白質、胜肽 3,4-dihydroxycinnamic acid (Caffeic acid) 180 Da 固體 蛋白質、胜肽 1,4-dihydroxyanthraquinone (醌茜) 240 Da 固體 高分子 3-aminoquinoline 144 Da 固體 多醣體 2-amino-5-nitropyridine 139 Da 固體 核苷酸 glycerol (甘油) 92 Da 液體 蛋白質、胜肽

2-3 樣品在 MALDI 中的脫附游離機制

在 MALDI 中，樣品從凝態相過渡至氣相形成氣相離子，主要包含兩 個過程：即脫附和游離。當固態或液態樣品分子在瞬間 (~ps) 受到雷射 照射吸收能量後，使得樣品分子有足夠能量進行相轉移，即由固相過渡 到氣相，且當此相轉移的速率大於受熱分解的速度時，仍能保持樣品分 子結構的完整性而能脫附游離至氣相，此現象稱為脫附 (Desorption)。而 在此過程中，電荷轉移的反應會同時進行，即一連串的離子-分子反應發 生，樣品分子因而可被游離化而帶上電荷，稱為游離化 (Ionization)。 事實上，基質如何輔助分析物脫附游離的機制，及分析物如何在高 能量的雷射照射下仍能維持其分子本身的完整性並能瞬間從凝相態過渡 成氣態離子，目前其作用機制尚未能夠被完全了解，但已有許多的 MALDI 機制被提出，例如相爆炸、21, 22多光子游離、23, 24激發態氫離子

轉移模型等，25, 26Zenobi 和 Knochenmuss 歸納目前所提出來有關 MALDI

的離子游離機制，將其歸納為兩大類：27即一次離子游離及二次離子游 離。一次游離即中性分子在經一次游離時即可形成離子；二次游離即指 分析物離子的形成，是先經由基質離子形成，再經由基質離子與分析物 碰撞反應才形成。如果能夠了解在MALDI 中形成氣相離子的機制，將有 助於樣品分析的進行，以下將對文獻中已提出之機制做一簡介：28 (1) 相爆炸 (Phase explosion) 模型 MALDI 中的凝相態分子如何能夠在高能量的雷射照射下，脫附游離 成為氣相離子？Sunner 等人針對液態二次離子質譜法 (Liquid Secondary

Ion Mass Spectrometry, LSIMS) 所提出的相爆炸模型應該可以解釋在 MALDI 過程中為何可以產生完整的氣相分子離子。此模型說明當高能量 束撞擊在凝態的樣品上時，樣品會被快速加熱至一相當高的溫度，當達 到所謂臨界超熱 (Critical superheat) 溫度以上時，樣品分子會變得相當 不穩定，而產生相爆炸的現象，此時能量用於將樣品分子從凝相轉移至 氣相，而此相轉移的速度大於熱分解的速率，因此樣品分子得以保持其 完整性。21, 22

(2) 多光子游離 (Multiphoton ionization, MPI) 模型

Ehring 等人所提出的多光子游離模型是目前最常用來解釋 UV- MALDI 的離子形成原因。23, 24 MPI 模型說明了離子的產生是由於具有吸 收雷射能量的基質，在吸收了多個光子後會激發至游離態，而產生了基 質自由基： − • + ₊ ⎯→ ⎯ M e M nhv (M 代表基質) 這個游離步驟被視為其他 MALDI 離子形成前的前驅反應，由於有基 質自由基離子的產生，才能進行後續的連鎖反應，並產生一系列的其他 離子。而波長為337 nm 的氮雷射只能提供約 3.7 eV 的能量，因此一般 的有機基質需吸收至少兩個光子 (7.5~9 eV) 的能量才能由基態激發至 激態而被游離。 (3) 能量聚集 (Energy pooling) 模型 能量聚集模型的提出在於解釋基質分子如何在光照射下由基態激發 至激態。29-32如果單一基質分子吸收兩個光子的能量不足以使其分子激 發，而連續吸收三個光子的發生機率又太低，那麼如果將好幾個已吸收

兩個光子的基質分子的能量加起來，應該足以將一個基質分子激發至激 態而游離成帶自由基之陽離子，下列的式子可以說明這個模型：

MM ⎯2⎯→hv M*M* →M +M+• +e− − • + ₊ + → +A MM A e M M* * (M 代表基質；A 代表分析物；*代表激發態)

(4) 激發態氫離子轉移 (Excited state proton transfer)

激發態氫離子轉移是另一個常用來解釋 MALDI 中游離化的機制。即 當基質分子吸收一個光子的能量之後，會導致此基質分子比在基態時還 樂於提供氫離子給周圍的分子，而扮演提供氫離子的供給者，使得周圍 的分析物分子更易得到氫離子而被游離化。25-27離子形成的過程可以假設 如下： * M hv M + →

(

₋

)

− ₊ + → +A M H AH M*

(

₋

)

− ₊ + → +M M H MH M* (5) 二相基質系統的離子形成機制 二相基質系統的離子形成機制不同於以有機酸為基質的 MALDI 離 子形成機制，由於液態基質不吸收雷射光，因此可能的機制為無機粒子 吸收雷射光能量之後以熱傳遞的方式將能量傳遞給分析物分子，進而導 致脫附游離的發生。23, 27因此所使用的無機粒子尺寸愈小時，會有愈大的 表面積，而使得能量的傳遞更有效率。 (6) 氫離子及陽離子加成物的形成 在二次離子游離機制的探討中，氫離子及金屬離子加成物的形成是

最常討論的兩種反應。27在氣相中，基質離子與分析物的碰撞反應是否會 進行，取決於基質與分析物的氣相鹼度，即質子親和力。Zenobi 等人根 據文獻中的報導整理出常用的基質其質子親和力約介於183-225 kcal/ mole 之間，27, 33而Harrison 等人測量一般的蛋白質及胜肽發現其質子親 和力約為240 kcal/mole 左右，34所以在碰撞反應中質子由基質離子轉移 到蛋白質或胜肽是一個較容易進行的放熱反應 (ΔG＜0)。 鹼金屬離子加成游離化的反應，常發生在具有羥基官能基的極性分 析物，而過渡金屬離子的加成反應則是一些偏非極性的分析物主要的游 離化方式。35, 36例如銅、銀離子其d 軌域和非極性分子中雙鍵的π鍵具有 相當強的引力，而可以與非極性分子形成鍵結，因此將這些過渡金屬添 加至非極性的樣品如高分子中，可以輔助高分子游離進而能夠被MALDI 分析。

2-4 MALDI 中形成的離子特徵

由於質譜法只能分析帶有電荷的離子，而大部分的基質為具有芳香 環的有機酸，為很好的氫離子 (Proton) 供給者，分析物分子藉此能夠得 到一氫離子而被游離化。因此當樣品分子 (M) 在正離子的偵測模式下， 我們主要觀察到的訊號為帶上一氫離子的假分子離子 (MH+)。如果在環 境中有鈉、鉀的存在，所形成的鈉加成物 (MNa+) 和鉀加成物 (MK+) 也會在圖譜中被發現。而MALDI 是一種軟性游離法，因此大部分以完整 的分子離子存在，離子碎裂程度並不嚴重。

2-5 飛行時間質量分析儀 (TOF) 的原理

當樣品在游離源室 (Ion source) 經由雷射照射而脫附游離時，會同 時被給予一相同的加速電壓 (20~30 kV)，離子因而可獲得足夠的動能進

入飛行時間管。根據eV=KE=mv2/2 (eV 是電場所提供的位能，KE 是動

能，m 代表分析物的質量，v 是飛行速度)，當離子得到相同的的動能時， 質量較小的離子會有較快的飛行速度，質量較大的則反之，在經過一定 長度的飛行管後，根據不同質量的離子到達偵測器時間的不同，可以區 分不同質量的離子，而將到達時間轉換成質荷比 (m/z) 即可得到質譜圖。 飛行管主要由一支長約 1~1.5 公尺的金屬管所組成，金屬管需維持在 一定的真空狀態 (＜10-6 torr)下，並且整支金屬管接地，即外加電壓為 零，處於無電場狀態。一般商業化的TOF 質量分析儀主要可分為線型式

(Linear) 和反射式 (Reflectron)。以往 TOF 質量分析儀被認為是低解析度

的質譜，這是因為有三種因素可能會導致低解析度的結果，即當樣品分 子受到雷射光照射而游離時，在游離源內質荷比相同的離子被游離化的 時間可能有些微的差異，並且可能在不同的空間被游離，所得到的起始 動能也可能有些微不同，因而造成相同質荷比的離子到達偵測器的時間 不同，使得線型飛行時間質譜儀的解析度 (m/△m) 僅約 200~300 左右。 為了改善線型飛行時間質譜儀的解析度過低的問題，許多方法陸續 被提出以降低時間、空間及動能分佈對質量解析度的影響。 目前一般商業化較常見用以提高解析度的方法有如下幾項： (1) 二階段式電場導出法37, 38

二階段式電場導出法的設計當樣品離子在游離源形成後，會經由一 較小的電位加速至第一階段 (V0至 V1) 然後再經由第二階段 (V1至0) 加速而進入TOF 管中。這個方法可以改善因相同離子在不同空間形成離 子化而造成到達偵測器的時間不同的差異，進而提高了解析度。 (2) 離子延遲導出游離源法 (Delayed extraction)38 離子延遲導出游離源法是在雷射脈衝啟動後經過數十至數百奈秒 (ns) 的延遲才開啟外加加速電壓，這個方法可以修正因樣品離子本身的 起始動能不同而造成解析度變差的影響。 (3) 反射式飛行時間質譜儀39 其設計是在線型飛行管末端加上一個減速反向電場，當離子進入這 一段電場後，會漸漸被減速而停止，而後因為電性相斥而使得離子被反 向加速再進入飛行管被另一端的偵測器所偵測。而利用此設計，也發展

出一種稱為游離源後碎裂的功能 (Post source decay(PSD))，40即分析物離

子在飛行過程中，因為本身內能過高導致碎裂產生的母離子與碎裂離 子，可經由反射式飛行時間質譜儀區分出來並可應用於分析物結構的判 定。

2-6 MALDI-TOF 的優點

(1) 高靈敏度 MALDI 是一種分析所需時間短且具有高靈敏度的質譜法，在適當的 基質與分析物比例下，其偵測極限可低至fmol 至 amol 左右，十分適用 於微量的生化樣品分子分析。

(2) 高質量範圍 如果選擇適當的基質，高分子量的樣品就有機會以完整的結構脫附 游離至氣態形成氣相離子，配合可偵測高分子量上限的飛行時間質譜儀 而被偵測到。根據文獻報導MALDI 可偵測到分子量在 500 kDa 左右的 生化大分子，17而分子量在 1500 kDa 的合成高分子已可被 MALDI 所分 析。41

2-7 影響分析物訊號的因素

因為 MALDI 能夠分析的樣品範圍十分廣泛，從生化分子到高分子， 從極性到非極性，均需要配合適當的樣品製備方法，才能得到最佳的結 果，有幾點在樣品製備需要特別注意的地方，詳述如下： (1) 基質的選擇 雖然選用的基質在 MALDI 所使用的雷射波長都具有一定的吸收 率，但同一種基質並非適用於所有的樣品，針對不同的樣品需使用不同 的基質才能得到較好的脫附游離效率。再者，傳統的基質需與分析物有 良好的互溶性並形成共結晶化才能得到不錯的結果，如果在共結晶化過 程中樣品在基質中分佈不均勻會形成所謂的訊號集中點 (Sweet spots)， 使得再現性降低而增加了分析上的困難。 (2) 基材的選擇 生化樣品中經常有一些鹽類、界面活性劑等污染物質，在進行質譜 分析時會干擾分析物的訊號，於是一些研究提出了使用不同的基材可以 改善這種情形。例如使用疏水性高分子PTFE (poly-tetrafluoroethylene)

為基材用以承載DNA 及蛋白質之類的樣品以進行 MALDI 分析可以提升 這些生化分子在MALDI 的靈敏度及降低鹽類對分析物訊號的影響。42而 之後更有研究指出使用親水性高分子如Polyacrylamides 及 Nafion 能夠得 到更好的效果。43此外，也有研究利用自組裝 (Self-assembly) 技術在金 的基材上修飾一層疏水性材料，並在點樣處修飾上一層親水性且帶負電 的高分子，可同時具備樣品濃縮、去除鹽類干擾的效果。44 (3) 基質的添加物 以傳統 MALDI 基質偵測 DNA 時，通常會有許多鹽類的加成物訊號 而使得判圖困難且影響可偵測極限，因此在樣品製備時通常需包含鹽類 的去除程序。一般鹽類的去除方式是在基質中直接添加四級銨鹽或多氨 鹽如Spermine，以達到抑制鹽類在 MALDI 形成加成物訊號的效果。45 此外有研究指出在基質中添加碳水化合物如Fucose，此混合物在受到高 能雷射照射時會迅速分解成CO2(g)及 H2O(g)，因而在脫附時能降低氣相離 子的溫度並減少碎片離子產生。46 (4) 基質與分析物的比例 依據分析物的分子量大小，需適當調整分析物與基質的莫耳比例才 能得到最佳的分析結果，通常分子尺寸愈大的分析物，在樣品製備中基 質所佔的莫耳比例也需相對提高。

三、溶膠凝膠材料

3-1 溶膠凝膠材料的發展歷程與現況

溶膠凝膠法首次被提出可以應用於無機光學材料，如氧化矽玻璃， 是由法國化學家M. Ebelmen 首先在 1845 年的研究論文中報導。47在實驗 中M. Ebelmen 發現矽酸酯可以被水氣緩緩水解而形成含氫氧基的化合 物，此氫氧化合物可以進一步反應而形成透明氧化矽聚合體，他當時即 認為此類反應過程可以用來製作氧化物光學材料。 雖然溶膠凝膠技術早在一百多年前就被提出，其發展卻十分緩慢。 1984 年，Avnir 等人才提出以溶膠凝膠技術包埋有機分子；48同年，Schmidt 以有機矽烷氧基前驅物發展有機修飾陶瓷 (Ormocer) 或有機修飾玻璃 (Ormosil)。491985 年 Wilkes 等人以溶膠凝膠技術合成無機修飾有機聚合 物 (Ceramer)，501990 年，Avnir 等人更發表了一系列論文，即以溶膠凝 膠材料包埋酵素，酵素仍能維持原有的性質，即可以獲得與自然狀態相 比接近100 %的活性。51經過這幾個階段的研究發展，具無機結構的溶膠 凝膠材料可經修飾後而可具有有機分子的物理及化學特性，因此而受到 科學界極大的重視。 所謂的有機-無機混成溶膠凝膠乃是具奈米級孔洞結構無機結構的溶 膠凝膠混合了有機的物質製備成有機-無機複合材料。溶膠凝膠技術具有 下述的優點：52-54 (1) 反應可直接在室溫下進行。 (2) 大部分的前驅物 (Precursors) 是液體，因此在製備上相當容易處理。

(3) 形成的產物的均勻度良好。 (4) 材料性質可塑性高，可藉修飾溶膠凝膠材料上的官能基或添加有機、 無機加成物即可達到改良材料機械性質的目的。 今天，以溶膠凝膠法製備光學元件，無論是在玻璃光纖、光學鍍膜、 模造光學鏡片上在目前均已佔有一席之地，以溶膠凝膠法來連結功能性 有機高分子與高穩定性無機化合物是最新的發展領域之一。根據1984～ 1999 年期間所公告之美國專利統計結果，發現與溶膠凝膠相關之專利申 請案，大約每年平均以18%之速度成長，而目前應用最多的領域依次為 觸媒應用、半導體鍍膜應用、有機-無機混成材料、記憶材料、與感測器 材料。55

3-2 溶膠凝膠材料的合成

基本的溶膠-凝膠反應起始物包含以下四種成分：金屬烷氧化物、溶 劑、催化劑和水，調配成均勻相溶液 (Homogeneous solution)，金屬烷氧 化物則在催化劑的催化下先進行水解 (Hydrolysis) 及縮合反應 (Condensation)，再進行高分子化 (Polymerization) 反應而形成無機高分 子。烷氧基矽的水解與縮合反應是同時進行的，以下分別就不同的催化 環境討論其水解及縮合之反應機構，以及影響溶膠凝膠反應的因素做一 說明：

3-2-1 酸性條件下 (pH＜3) 的水解縮合反應機構

(1) 水解反應機構 在酸性催化條件下，一般認為水解是以 SN1反應進行。56 Si OR H+ Si OR H + fast HOH + .. Si OH+H+ + Si+ +ROH Si+ Si OH H + (2) 縮合反應機構 在溶液中烷氧基矽水解產物先生成一質子化的矽醇 (Protonated silanol) 中間物，再進行親核取代反應。其反應如下： Si OH Si OH Si O Si H₃O+ H H₂O Si O Si +

..

+ + + + H

3-2-2 中性及鹼性條件下的水解縮合反應機構

(1) 水解反應機構 在中性或鹼性催化條件下，水解是 SN2反應進行。56羥基 (OH－) 攻 擊四配位的矽原子，形成五配位的過度狀態中間物，接著OR－ 基離開， 矽原子又回到四配位，於是矽醇生成。 Si OH- OR HO Si OR HO Si- OR HO Si OR - -Si HO +OR -+

(2) 縮合反應機構 矽酸表面可能為去質子的矽醇物 (Deprotonated silanol) 所覆蓋，再 進行親核的取代反應： Si OH-+ OH Si O-+H₂O Si HO OR O Si + +OR -Si O -OH Si

3-2-3 聚合反應機構

當縮合反應不斷發生時會使得溶膠逐漸形成二氧化矽網狀結構的聚 合物，最後生成具有多孔洞性、高比表面積的凝膠。 Si HO O Si OH OH OH OH OH n - n H₂O Si HO Si O O O O O Si O O O O Si O O Si O O O Si O OH HO

3-2-4 催化與反應速率

一般而言，Sol-gel反應在鹼性或酸性溶液中皆可以被催化水解，而 Sol-gel反應在鹼性溶液中水解速度慢，但是縮和聚合快，會造成聚合膠

體產物有不均勻的現象。因此，在特殊用途中Sol-gel才會利用鹼性溶液 來催化；而Sol-gel反應在酸性溶液中水解快，但縮和聚合慢，與在鹼性 溶液中反應相反，而若Sol-gel反應與高分子一起反應時，縮和聚合慢即 表示網狀結構慢慢生成，可將高分子緩緩架住，使高分子能貫穿在網狀 結構中，而若縮合反應過快，則高分子與矽氧化物溶液會有相分離現象 出現，故利用高分子與矽氧化合物進行Sol-gel反應時，在酸性溶液中為 佳。雖然矽氧化物與高分子溶液並不相容，但若高分子溶液具有酸性， 則可利用高分子所含的酸基來催化Sol-gel反應，如此可增加高分子與矽 氧化物之間的相容性，且提高其透明度。

3-2-5 影響溶膠凝膠反應的因素

溶膠凝膠反應經水解和縮合反應可形成高度交聯之網路，若控制在 適當的反應條件下，可得到性質更佳的混成材料，而反應常受下列因素 影響： (1) 起始物及溶劑效應 起始物及介質對溶膠凝膠反應產物有重大的影響。56低烷基烷氧化物 通常形成較大的高分子，它的凝膠有較高的氧化物組成；而溶劑對水及 部分水解物的擴散速率有較高的影響，所以在低級醇中得到的水解物有 較高的氧化物含量，亦即較大程度的聚合。 (2) 水與烷氧化物比例的效應 H2O/Si(OR)n的比例會影響聚合度和有機高分子的含量，也影響到混 成複合材料的結構，高含水量凝膠的交聯度較高，且有較多的烷氧基

(-OR) 被取代，所以凝膠的強度較好。561985年Brinker 等人發表利用

TEOS (Tetraethoxysilane) 在酸性催化下，高水量時聚合鏈 (Polymer

chains) 會重排導致小的緻密粒子；54反之，低水量實由於線性鏈的纏結，

減少自由體積 (Free volume) 在兩鏈之間的分子尺度 (Molecular scale)。

1986年Yoldas 在研究烷氧矽 (Siloxane) 的反應發現，在高水量的反應條 件下，其分子大小有明顯增加，相反的低水量溶液中則無此現象發生。57 (3) 濃度的影響 保持H2O/Si(OR)n的比例固定，以中性溶劑改變濃度，在稀濃度時水 解反應比縮合反應快，反之高濃度則有利縮合反應，因此聚合度隨濃度 的增加而增加。 (4) 催化劑效應 水解及縮合反應的速率會受加入之催化劑影響。在酸性溶液中，H+ 催化水解反應，所以殘留的未水解之-SiOR很少，且此時聚合的高分子， 有許多的支鏈。而鹼性溶液中，OH－ 催化聚合反應，亦在鏈端發生水解 反應，所以會得到較長鏈的高分子，故在酸性溶液中所得到的凝膠，其 強度會較鹼性溶液的凝膠來得強。 (5) 反應溫度的效應 在較高溫度能促進反應物的擴散，導致反應速率變快，縮合及聚合 速度因而加快。

四、分子轉印技術與分子辨識

4-1 分子轉印技術與分子辨識的概念

赤足踩在未乾的水泥地上，待水泥固化之後，地上便會留下一個腳 印；這個腳印無論在形狀或大小上，都會與原來的腳相合，而分子轉印

技術 (Molecular imprinting) 的概念與此十分相似。早在1940年，分子轉

印技術的概念就由Linus Pauling所提出，Pauling 假設生物體中的聚縮氨

酸 (Poly-peptide) 鏈會與抗原中的作用點產生作用，改變三度空間的結 構，因此抗體中的許多活性點將與抗原進行組合作用，而此抗原可被視 為一種模板，用來複製具有選擇性的人造抗體，雖然此想法現今已證明 並不完全正確，但Pauling 是第一位提出分子辨識概念的人。58西元 1966 年，第一個以分子轉印技術而成功商業化的產品出現，即在香菸濾嘴上 附上吸附有害的尼古丁模板濾嘴。1970-1980 年代，分子轉印的概念逐漸 被應用在材料合成方面，而應用有機高分子為分子轉印的材料。59具有多 樣化的官能基之有機高分子，在做為分子辨識轉印的模板基材之改善有 顯著的提升。 分子模板轉印的概念起源很早，但一直沒有被用來合成辨識材料， 直到近年來才大量被應用在分析化學方面。1894年時 Fischer提出一個有 名的「鎖和鑰匙」之間關係的理論，60這個理論有點像生化中受質 (Substrate) 與酵素 (Enzyme) 作用的概念，其原理是將鑰匙分子和鎖一同 建造混合，即酵素表面的活性點以幾何形狀互補的方式鎖住受質，接著 由鎖中將分子鑰匙取出，而鎖會具有辨識性的功能而只認得原來的分子

鑰匙。分子鑰匙可以是任何物質的分子，小如藥物物質、氨基酸或類固 醇荷爾蒙，大如核酸或蛋白質，不過若選擇之鑰匙分子過大，則會造成 轉印材料製作上的困難，但如細胞和濾過性病毒亦可使用為轉印模板。 分子轉印技術即是利用模板分子做為模印，將模板分子移除後的孔洞可 與原分子進行再鍵結。而由於孔洞大小與原來的模板分子契合度極高， 因此就算是在一群結構相近的混合物中，此孔洞也會優先與模板分子結 合，即達到「分子辨識」的效果。

4-2 分子辨識的原理

分子辨識 (Molecular recognition) 一直是化學家及分子生物學家等 相當有興趣的課題，自然界中早就存在著許多極佳分子辨識的範例。生 物體中有極完美的分子辨識系統，但是我們對它的了解在早期只有抽象 的概念；一直到進入分子尺度的研究後才逐漸對分子辨識有進一步的認 識。 分子間的辨識存在有兩個要素：一是分子間作用力 (Intermolecular

interaction) 及互補的結構 (Complementary structure)。而推動分子辨識的

主要動力是「分子間的作用」；受質與受體分子間具備愈多的作用力存 在，則分子辨識愈有效。然而，設計並製造一個分子辨識單元並不容易， 有大量研究者付出心力在設計具強親和力 (Strong affinity) 且具有專一 性 (Specificity) 的受體上。通常分子間作用力包含靜電作用、氫鍵、凡 得瓦力及疏水性作用。 具有愈好的辨識效果的受質-受體間，需要具有愈高的結合自由能

(Association free energy)，即愈高的結合常數 (Association constant, Ka)。 分子間的作用力，若相較於形成共價鍵或離子作用力，大部分只算是弱 的作用力 (Weak interaction)。除了考慮分子間的作用力外，在結構上還 需要具有互補單元，空間上剛好互相嵌入，才能達到最大的效果，即分 子間作用一定要有互相加成的空間排列。例如15-crown-5-ether 的環狀多 醚其孔洞 (Cavity) 對鈉離子 (Na+) 的親和力較好，61因此具有相當強的 結合能力，而未形成大環的多醚類，雖然有相似的分子作用力官能基， 當辨識基團在辨識時，需要額外付出「能量」引導它朝向正確的方位， 因此其對鈉離子的選擇性及親和力都是很差的。

4-3 分子轉印技術的類型

分子轉印技術依基材的性質不同可分為高分子及溶膠凝膠材料兩 類，目前使用最普遍的是高分子材料，而溶膠凝膠材料的應用也愈來愈 廣泛，現就兩種材料應用在分子轉印技術的原理及性質做一簡介：

4-3-1 分子轉印高分子

分子轉印高分子 (Molecular imprinting polymers, MIPs) 的轉印原

理是利用帶有特殊官能基的單體 (Functional monomer) 與模板分子

(Template) 作用，兩者之間以共價或非共價鍵結形成錯合物，再與交聯劑

作用產生聚合反應，經移除模板分子後，就可在高分子之結構中，形成 了轉印分子的形狀，最後此高分子便產生具有選擇性，而具有辨識轉印

圖1、分子轉印高分子原理示意圖62 分子轉印高分子除了有明顯的辨認模板分子之性質之外，它們的物 理和化學性質都頗理想。以此建構出的高分子，其辨識性亦不會隨著使 用次數或時間的多寡而消失。 目前分子轉印高分子依錯合物的的鍵結方式可分為兩種，如圖2所 示，一是共價鍵鍵結，其鍵結反應較慢但鍵結較強，以致模板移除較難， 可選用的單體也較少，目前最常見的是以具有硼酸官能基 (-B(OH)2) 化 合物為單體；63另一種是由非共價或金屬配位鍵所形成的自我組合方法， 其轉印的步驟較簡單，64首先根據分子模板的特性去選擇適當官能基單 體，加上能夠把單體聚合的交聯劑，再選擇一個可以溶解三者的溶劑， 使分子模板、單體及交聯劑形成均相的溶液，分子模板與單體中的官能 基會因為氫鍵、離子作用力、凡得瓦力及疏水性等作用力互相吸引，驅 使單體與模板分子移動而進行自我組合，形成一種複合體，此時模板與 單體具有空間位置互補的關係。

圖2、分子轉印高分子錯合物的形成方式65 在分子模板高分子形成後，必須再將分子模板移除，才能得到具有 記憶性的分子辨識高分子。通常分子模板與單體官能基的結合作用必須 是一種弱的結合鍵，例如非共價鍵結合或可逆的共價鍵結合，弱鍵結合 才能透過溶劑洗滌將分子模板從高分子包圍中移除。在轉印過程中，溶 劑的選擇扮演著舉足輕重的角色，因它除了會影響高分子的型態之外， 也會牽涉到非共價鍵的強度。極性愈大的溶劑會影響非共價鍵，使辨識 效果變弱，造成欲辨識分子較難接近辨識位置。通常所使用的溶劑為氯 仿、甲醇、乙醇、水等為清洗劑進行移除模板分子的步驟，最後可得到 具有分子孔洞的辨識物質，對特定形狀及尺寸的分子具有專一的選擇性。

4-3-2 溶膠凝膠分子轉印材料

無機單體的使用在分子模板的發展歷史上佔有十分重要的地位，最 初於1949年由Frank Dickey 報導使用。66典型以溶膠凝膠法合成分子轉 印材料在室溫下即可進行反應，即利用一選定的分子模板導入金屬烷氧

之前驅物中，利用金屬烷氧之羥基團與分子模板間產生氫鍵作用或離子 對作用力及凡得瓦力，經過水解縮合的步驟在分子模板周圍形成網狀結 構，再以鍛燒或溶劑萃取的步驟移除網狀結構中的分子模板，產生具分 子模板辨識位置的孔洞基材。根據溶膠凝膠合成產生的網狀結構上來 看，溶膠凝膠材料應可以提供很高的表面積、孔隙率及交聯密度，並且 其合成步驟較高分子來得簡單，分析物的擴散也較快，具有結構穩定性 高、剛性強、膨潤問題較小等優點。 目前溶膠凝膠材料應用在分子轉印技術可大略分為兩類，一是以矽

的烷氧化合物為前驅物，例如1997 年C.E. Barnes等人利用TMOS (Tetra-

methyl orthosilicate) 為前驅物的溶膠凝膠材料結合時間解析螢光光譜來

辨識鈾氧基 (Uranyl ions)，67之後陸續有研究指出此種溶膠凝膠材料可以

成功地應用在辨識神經傳導物質多巴胺 (Dopamine)、68殺蟲劑 (DDT)69

及具有構形選擇性的觸媒。另一種是以鈦的烷氧化合物為前驅物，例如

T. Kunitake等人利用TiO2薄膜並結合石英震盪感測天平 (Quartz crystal

microbalance, QCM) 可以辨識一些含有苯環的有機酸，70或者結合離子敏

感場效電晶體 (Ion-sensitive field effect transistor, ISFET) 來辨識除草劑

(Hebicides)。71近年來，TiO2薄膜在生化感測器上的應用引起了許多研究

學者的興趣，有文獻指出利用氨基酸或其衍生物做為分子模板的TiO2薄

膜可以達到分辨對掌異構物 (Enantiomers) 的效果，更有研究以TiO2薄

膜表面轉印酵母菌 (Yeast) 並結合QCM可以成功地達到辨識酵母菌的效

4-4 分子轉印技術的應用與發展

分子轉印技術是以選擇性的分子辨識為基礎，可應用在化學分析 上，並能夠提供如具選擇性、高專一性等的優點，主要可應用在下列四 類的分析方法：感測器應用、配位基鍵結分析、化學分離及樣品預濃縮， 茲分述如下：

4-4-1 感測器應用

化學感測技術是目前快速成長的研究領域之一，73許多研究學者嘗試 著將化學裡的基本概念導入分子轉印技術並製成感測元件，發展快速偵 測分析的方法。通常感應元件如酵素、抗體或受體是固定在感應器與分 析樣品之間的界面上，藉由分析物與辨認元件之結合程序產生對應之化 學訊號並將其轉換成電子訊號，經訊號放大處理轉換為可加以定量之輸 出訊號。感測元件可以被設計為針對任何分子的偵測，然而在這類感測 器中，模板或其類似物與接受器的結合後，必須產生可供偵測的反應或 訊號。目前成功發展中的系統是以修飾電極 (Electrode) 為分子辨識元件 的電化學分析方式居多。其他例如以溶膠凝膠材料塗佈在QCM 的表面， 可成功地應用在感測氣相及液相分析物中的特定分子，而利用一些獨特 的性質，如在分子轉印高分子上結合發射螢光的標幟基團、或結合表面

電漿共振 (Surface plasmon resonance, SPR) 及表面增強拉曼散射

(Surface enhanced raman spectroscopy, SERS) 可以增強所產生訊號的偵

4-4-2 配位基鍵結分析

配位基鍵結分析 (Ligand binding assays) 是利用分子轉印概念為基

礎的另一種技術，它的原理與酵素免疫分析法 (ELISA) 中抗體與抗原的

作用十分類似，即利用Ligand binder與Ligand之間的專一性和選擇性藉

此達到辨識的效果。73因其具有製備快速及成本低廉等優點，極有可能被 商業化並取代ELISA。英國的研究學者Turner 及其研究小組利用分子轉 印技術製成的高分子平板，其對小分析物如麻黃素或如蛋白質般的大分 子均具有良好的選擇性鍵結。而瑞典Kempe等人開發的辨識元件，可藉 由分子轉印技術製成辨識元件來選擇辨識Penicillin G，這種應用於生化 技術的特定吸附劑，具有相當的實用性。76

4-4-3 分離方法

將分子轉印技術應用在層析系統中，可增強層析管柱的解析度。利

用MIPs作為高效能液體層析儀的靜相 (Stationary phase) 是分子轉印高

分子在分析化學中應用最廣且被研究最多的主題，這主要是因為它提供 了一個可供定性 (Qualitative) 的檢驗方式，將合成好的MIPs過篩後填充 到管柱中，當帶有模板分子的溶液通過後，模板分子會被MIPs孔洞抓取 住而被留在管柱內，因此可以針對特定製程產出的轉印效率進行評估。 目前大部分的焦點集中於對掌性異構性 (Chiral) 化合物的解析 (Reso- lution)，這說明了「分離」這個步驟在分析與合成化學上的重要性，也顯 示這項技術可以用來進行專一的辨識。

在毛細管電泳系統裡，MIPs也具有相當良好的分離效果。73利用在 毛細管中填充MIPs 的顆粒或直接在毛細管壁上進行高分子反應做管壁 修飾或連續床，依據分析物在毛細管電泳中的移動速度不同以及和管壁 上MIPs之間所具有的交互作用力而達到分離的效果。由於對掌性異構化 合物 (Chiral compounds) 的藥理活性差異相當大，如果左旋結構是藥， 往往右旋結構就是對身體有害的毒化物。因此在製藥動力學領域中，對 於如何有效分離光學活性物質是一相當重要的研究主題，由於分子轉印 技術適用於開發具有量身訂做鏡像分離功能的功能性材料，因此可以在 以此目的的研究中扮演舉足輕重的角色。74

4-4-4 樣品預濃縮

對大部分的生物檢驗來說，當樣品分析物的濃度過低或是可容納樣 品的體積很小時，必須經過樣品預濃縮的前處理步驟，因此MIPs 可以當 做固相萃取中的靜相，藉此達到預濃縮特定分析物以及清除干擾物的效 果。

4-5 分子辨識的方法與盲點

簡單的分子辨識感測器必須要有兩個基本部分：一是分子辨識單 元、二是訊號轉換單元。分子辨識單元可藉由分子轉印技術製成辨識元 件，而訊號轉換單元則可將辨識訊息轉換為可供儀器偵測的訊號。通常 我們無法以肉眼看到受質是否被分子辨識單元「辨識」，因此感測器中應 具備感受訊號的讀出單元 (Readout unit)，即將分子的辨識行為直接轉換 為可被讀出的訊號。常用的轉換訊號方式有兩種：電化學訊號或光學訊

息。電化學訊號可以利用導電度 (Conductivity) 的改變或電位 (Electric- potential) 變化來表現；光學訊息則包括有顏色的改變，或是較靈敏的螢 光強度 (Fluorescence intensity) 的增減或波長的移動。77但無論是哪一種 訊號轉換方式，都是利用間接的偵測以達到辨識的目的，容易受到環境 的干擾且靈敏度不高，並非最佳的偵測方式，如何針對分析物分子作直 接而快速的辨認是發展分子辨識方法所必須解決的問題。

4-6 分子轉印技術發展的挑戰

雖然分子轉印技術及分子辨識在學理上可行且已有許多成功的應用 實例，特別是在層析分離方面，75, 76但是分子轉印技術仍舊面臨著許多 的限制與挑戰。例如分子模板與單體對溶劑的溶解度限制，在非極性及 有機溶劑中會導致有些生化分子產生結構的變形，對於分子轉印基材上 的辨識位點之官能基位置並無專一性，或者因為產生不可逆的共價鍵 結，造成模板分子清洗不易或者模板分子移除後導致喪失選擇性。另外 高分子本身材質也可能會因為吸水產生膨潤、選擇性不高、容積率無法 提高、鍵結位置不專一以及穩定性的問題。其次，轉印技術的溶劑極性 影響不容忽視，而生化分子有許多屬於水溶性，所以使用水為轉印之溶 劑是未來十分重要的趨勢，有幾個研究團體已證實，75使用於有機溶劑之 轉印高分子，在水介質中也能成功使用，但其中很少可在極性介質中完 成其轉印步驟，故仍舊需要加以改進。除了延伸轉印技術所能進行的溶 劑環境範圍，對於擴展模板分子進行轉印之尺寸則需要更多的研究，目 前只有針對小分子尺寸的設計 (藥物、氨基酸、殺蟲劑等) 有成功的例 子，較大的分子如胜肽、蛋白質及微生物細胞等此類報告很少，75部分問

題在於傳統轉印方式並不完全適用，而且尺寸較大的分子模板容易導致 模板產生變形崩潰，對於研究者而言，如何解決這些潛藏的問題是一個 很大的挑戰。

五、無機材料輔助雷射脫附游離的發展

5-1 無機材料輔助雷射脫附游離質譜法之發展歷程

以無機材料做為輔助雷射脫附游離的發展歷程可以追溯到1987年由

K. Tanaka以鈷金屬粉末 (~300Å) 混以甘油為基質所發展的軟性雷射脫

附質譜法 (Soft laser desorption, SLD)。5然而，由於奈米級的鈷金屬粉末

不易取得且具有易吸入肺部的危險性存在，因此在1995 年Sunner等人提

出以微米大小的碳粉末當作吸收雷射能量及傳遞能量的媒介，可以取代 鈷金屬在基質中所扮演的角色，並命名為表面輔助雷射脫附游離質譜法

(Surface-assisted laser desorption/ionization, SALDI)，具有低基質干擾、樣

品製備簡易等優點。78而 1999年，Siuzdak等人在Nature 期刊上發表了

以具有UV吸收的多孔性矽基材作為基質而發展的 DIOS (Desorption/

ionization on silicon)，79在不需傳統基質 (Matrix-free) 的條件下仍然具有

十分良好的脫附游離效果。DIOS的發展開啟了無機材料輔助雷射脫附游 離質譜法的新時代，許多相關的研究和應用也相繼發表，80-82後續的發展 十分令人期待。

5-2 溶膠凝膠材料輔助雷射脫附游離質譜法之研究

本實驗室最近發展了以溶膠凝膠材料做為輔助雷射脫附游離質譜法 的新質譜方法，83即利用含矽溶膠凝膠的無機高分子材料以共價鍵結傳統

的MALDI基質，如2,5-Dihydroxybenzoic acid (2,5-DHB)，能夠讓原本

在波長337 nm不具有吸光能力的溶膠凝膠材料，因為2,5-DHB的嵌入