三功能性氧化釓摻雜銪結合核酸適體之奈米粒子應用於核磁共振/斷層掃描/螢光分子影像研究

全文

(1)國立臺國立臺灣大學師範大學化學系灣大學師範大學化學系碩士論文三功能性氧化釓摻雜銪結合核酸適體之三功能性氧化釓摻雜銪結合核酸適體之奈米粒子應用於核磁共振/ 奈米粒子應用於核磁共振/斷層掃描/ 斷層掃描/螢光分子影像研究分子影像研究 Studies of Gd2O3：Eu-AP Nanoparticles for Trimodal MRI/CT/Fluorescence Molecular Imaging. 研究生：研究生：溫延展指導教授：指導教授：陳家俊博士中華民國一百零一中華民國一百零一年一百零一年六月.

(2) 總目錄總目錄........................................................................................................I 圖目錄.....................................................................................................VII 表目錄......................................................................................................XI 中文摘要.................................................................................................XII 英文摘要...............................................................................................XIII 謝誌........................................................................................................XV 第一章緒論..............................................................................................1 1-1 磁性奈米粒子性質與其應用.............................................................1 1-1-1順磁性與超順磁性...................................................................1 1-1-2 磁性奈米材料的應用.............................................................2 1-2 多功能性奈米材料與其影像顯影方式.............................................4 1-2-1複合性奈米材料.......................................................................4 1-2-2 多功能性之奈米材料...............................................................5 1-2-3多功能性之奈米材料顯影方式...............................................8 1-3 稀土元素與其金屬氧化物發光、合成與應用.................................12 1-3-1 稀土元素的簡介...................................................................12 1-3-2 鑭系金屬的發光原理.............................................................14 1-3-3 鑭系金屬的合成方法與應用.................................................15 I.

(3) 1-3-4 鑭系金屬於 NCT 與 MRT 治療上的潛力............................17 1-4 螢光粉體之發光與影響因素............................................................20 1-4-1 螢光粉體的發光原理............................................................20 1-4-2 影響螢光效率的因素............................................................20 1-5 MRI 核磁共振造影原理與顯影劑..................................................23 1-5-1 MRI 的簡介............................................................................23 1-5-2 MRI 的原理............................................................................24 1-5-3 MRI 顯影劑............................................................................26 1-5-4 市售的 MRI 顯影劑................................................................27 1-5-5 結合 T1 與 T2 -weighted MRI 顯影劑...................................29 1-5-6 釓金屬氧化物粒徑大小對 MRI 的影響............................30 1-6 CT 高解析電腦斷層掃描原理與顯影劑..........................................31 1-6-1 CT 的簡介...............................................................................31 1-6-2 CT 的原理...............................................................................32 1-6-3 CT 含碘顯影劑......................................................................33 1-6-4 其它 CT 顯影劑.....................................................................35 1-7 aptamer 核酸適體與 antibody 抗體.................................................36 1-7-1 aptamer 之簡介.......................................................................36 1-7-2 aptamer 與 antibody 之比較..................................................37 II.

(4) 第二章實驗............................................................................................39 2-1 研究動機與目的...............................................................................39 2-2 實驗儀器...........................................................................................41 2-3 實驗藥品...........................................................................................45 2-4 實驗合成步驟...................................................................................46 2-4-1 製備氧化釓Gd2O3.................................................................46 2-4-2 製備氧化釓摻雜銪Gd2O3：Eu.............................................47 2-4-3 製備氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA...............48 2-4-4 製備氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基以醯胺鍵和核酸適體結合Gd2O3：Eu -CA -NH2 aptamer（Gd2O3：Eu -AP）...........49 2-5 細胞毒性測試...................................................................................50 2-6 核磁共振顯影檢測...........................................................................52 2-7 高通量即時螢光定量PCR (qPCR)檢測..........................................53 2-8 共軛焦螢光顯微鏡（confocal）細胞處理步驟...............................55 第三章結果與討論................................................................................56 3-1 氧化釓 Gd2O3 奈米粒子之合成、純化處理與鑑定...........................56 3-1-1 氧化釓 Gd2O3 奈米粒子的結構分析（XRD）......................58 3-1-2 氧化釓 Gd2O3 奈米粒子的外型形貌（TEM）......................59 3-1-3 氧化釓Gd2O3 奈米粒子的表面結構分析（FT-IR）.............60 III.

(5) 3-1-4 氧化釓Gd2O3 奈米粒子的元素組成分析（EDS）................61 3-1-5 以多元醇化學合成法來形成奈米粒子之簡單機構探討...62 3-2 氧化釓摻雜銪 Gd2O3：Eu 奈米粒子之合成與鑑定..........................64 3-2-1 氧化釓摻雜銪Gd2O3：Eu 奈米粒子結構分析（XRD）…....65 3-2-2 氧化釓摻雜銪Gd2O3：Eu 奈米粒子的外型形貌（TEM）....66 3-2-3 氧化釓摻雜銪Gd2O3：Eu奈米粒子元素分析(EDS) ..........67 3-2-4 氧化釓摻雜銪 Gd2O3：Eu 奈米粒子元素分析(ICP-MS) .....68 3-3氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA合成與鑑定..................69 3-3-1 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA結構分析 (XRD) ...................................................................................70 3-3-2 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA的外型形貌（TEM）..................................................................................71 3-3-3 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA粒徑分析（DLS）..................................................................................72 3-3-4 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA zeta potential 分析........................................................................................73 3-3-5 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA 官能基鑑定 (IR) .....................................................................................74 3-3-6 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA 官能基鑑定 IV.

(6) (TGA) .....................................................................................75 3-4 氧化釓Gd2O3、氧化釓摻雜銪Gd2O3：Eu與氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA的光學性質（UV-PL）................................76 3-4-1 氧化釓Gd2O3 奈米粒子的光學性質（UV-PL）...............76 3-4-2 氧化釓摻雜銪Gd2O3：Eu 奈米粒子與氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基的光學性質（UV-PL）............................................77 3-4-3 氧化釓摻雜不同比例銪 Gd2O3：Eu 的螢光表現與淬息80 3-5 氧化釓Gd2O3、氧化釓摻雜銪Gd2O3：Eu與氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基Gd2O3：Eu-CA的磁性質（SQUID）分析.............................81 3-6 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基以醯胺鍵和核酸適體結合 Gd2O3： Eu-AP 合成與鑑定...........................................................................83 3-6-1 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基以醯胺鍵和核酸適體結合 Gd2O3：Eu-AP......................................................................83 3-6-2 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基以醯胺鍵和核酸適體結合 Gd2O3：Eu-AP qPCR 分析..................................................84 3-7 氧化釓 Gd2O3 與氧化釓摻雜銪 Gd2O3：Eu 磁性奈米粒子之 in vitro MRI 應用..........................................................................................86 3-8 氧化釓 Gd2O3 與氧化釓摻雜銪 Gd2O3：Eu 之 in vitro CT 應用...89 3-9 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基 Gd2O3：Eu-CA 的細胞毒性測試.....91 V.

(7) 3-10 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基以醯胺鍵和核酸適體結合Gd2O3： Eu-AP confocal 分析....................................................................92 3-11 氧化釓摻雜銪修飾檸檬酸基以醯胺鍵和核酸適體結合 Gd2O3： Eu-AP 之老鼠毒性測試（in vivo）................................................94 第四章結論............................................................................................98 第五章未來展望....................................................................................99 參考文獻……........................................................................................100. VI.

(8) 圖目錄圖 1-1 功能性 core-shell 的排列組合......................................................5 圖 1-2 具有三重功能性 core-shell 的示意圖...........................................7 圖 1-3 可捕獲慢中子之元素與其中子捕獲截面值..............................17 圖 1-4 以 Gd@C82-PEG-b-PAMA 做 in vitro neutron irradiation..........19 圖 1-5 弛緩時間示意圖 (a)外加磁場 (b) T1 弛緩 (c) T2 弛緩.............26 圖 1-6. T、[C]與 R 關係圖.....................................................................25. 圖 1-7 商業化的 MRI 正增強顯影劑 Gd-DOTA 與 Gd-DTPA...............28 圖 1-8 Fe3O4 結合 Gd-DOTA.................................................................29 圖 1-9 NaGdF4 粒徑大小與 relaxivity 的關係.....................................30 圖 1-10 不同組織與元素對於 X-ray 的吸收........................................32 圖 1-11 改良後的斷層掃描儀................................................................33 圖 2-1 Gd2O3：Eu在螢光、MRI及CT上的應用示意圖.........................40 圖 2-2 製備 Gd2O3 流程圖..................................................................46 圖 2-3 製備 Gd2O3：Eu 合成圖............................................................47 圖 2-4 製備 Gd2O3：Eu-CA 合成圖...................................................48 圖 2-5 奈米粒子和核酸適體鍵結（Gd2O3：Eu -AP）示意圖.................49 圖 2-6 細胞毒性96-well孔盤配置圖.....................................................51 圖 2-7 qPCR總反應所使用之體積圖....................................................53 VII.

(9) 圖 2-8 qPCR 流程圖................................................................................54 圖 2-9 解離曲線流程圖.........................................................................54 圖 3-1 以丙酮離心之 Gd2O3 XRD 圖....................................................57 圖 3-2 以丙酮離心之 Gd2O3 TEM 圖....................................................57 圖 3-3 Gd2O3 XRD 圖...........................................................................58 圖 3-4 放大倍率 200K 之 Gd2O3 TEM 圖..............................................59 圖 3-5 放大倍率300K之 Gd2O3 TEM圖..............................................59 圖 3-6 Gd2O3 FT-IR 圖............................................................................60 圖 3-7 Gd2O3 的EDS圖..........................................................................61 圖 3-8 金屬鹽類水合物與二甘醇反應形成金屬氧化物示意圖.........63 圖 3-9 金屬氧化物外包覆二甘醇圖.....................................................63 圖 3-10 Gd2O3：Eu XRD 圖....................................................................65 圖 3-11 放大倍率 200K 之 Gd2O3：Eu TEM 圖......................................66 圖 3-12 放大倍率 300K 之 Gd2O3：Eu TEM 圖......................................66 圖 3-13 Gd2O3：Eu 的 EDS 圖...............................................................67 圖 3-14 Gd2O3：Eu-CA XRD 圖..............................................................70 圖 3-15 Gd2O3、Gd2O3：Eu、Gd2O3：Eu-CA XRD 疊圖...................70 圖 3-16 放大倍率各為 200K 和 300K 之 Gd2O3：Eu-CA TEM圖..71 圖 3-17 Gd2O3：Eu 的DLS圖.................................................................72 VIII.

(10) 圖 3-18 Gd2O3：Eu-CA 的DLS圖...........................................................72 圖 3-19 Gd2O3、Gd2O3：Eu 和 Gd2O3：Eu-CA zeta potential 圖...............73 圖 3-20 Gd2O3：Eu、CA 和 Gd2O3：Eu-CA FT-IR 圖.........................74 圖 3-21 Gd2O3：Eu-CA 的TGA圖..........................................................75 圖 3-22 Gd2O3 UV-PL 圖.......................................................................76 圖 3-23 Gd2O3：Eu 與 Gd2O3：Eu -CA 的 UV 圖...............................77 圖 3-24 二甘醇（DEG）的 UV 吸收圖..................................................78 圖 3-25 Gd2O3：Eu 與 Gd2O3：Eu -CA 的 PL 圖...................................79 圖 3-26 Gd2O3：Eu 的 PLE 圖..................................................................79 圖 3-27 不同摻雜比例 Gd2O3：Eu 的螢光強度圖.................................80 圖 3-28 Gd2O3、Gd2O3：Eu和Gd2O3：Eu-CA 300K下SQUID圖.............82 圖 3-29 Gd2O3、Gd2O3：Eu和Gd2O3：Eu-CA 5K下SQUID圖.................82 圖 3-30 理論與實際測得的 aptamer 濃度圖.........................................85 圖 3-31 Gd2O3 MRI image 圖..................................................................86 圖 3-32 Gd2O3 MRI relaxivity 圖........................................................87 圖 3-33 Gd2O3：Eu MRI image 圖...........................................................88 圖 3-34 Gd2O3：Eu MRI relaxivity 圖..................................................88 圖 3-35 Gd2O3、Gd2O3：Eu 和 IOHEXOL CT image 圖.........................90 圖 3-36 Gd2O3、Gd2O3：Eu 和 IOHEXOL CT HU 值濃度圖.................90 IX.

(11) 圖 3-37 Gd2O3：Eu-CA MTT 圖..............................................................91 圖 3-38 Gd2O3：Eu-CA confocal 圖.........................................................93 圖 3-39 Gd2O3：Eu-AP confocal 圖.........................................................93 圖 3-40 解剖老鼠與 UV 燈照射管裝之 Gd2O3：Eu-AP 圖....................95 圖 3-41 UV 燈照射管裝之 Gd2O3：Eu-AP 與解剖老鼠之器官圖.........95 圖 3-42 注入 Gd2O3：Eu-AP CT 圖.........................................................96 圖 3-43 注入 Gd2O3：Eu-AP 前後以 CT 對膀胱做積分圖.....................96 圖 3-44 不同 pH Gd2O3：Eu-AP 圖.......................................................96 圖 3-45 加入葡甲胺至 Gd2O3：Eu-AP 前、後與靜置一天圖...............97. X.

(12) 表目錄表 1-1 不同顯影方式之特性....................................................................8 表 1-2 鑭系元素的電子組態..................................................................13 表 1-3 鑭系金屬氧化物的合成方式比較.............................................15 表 1-4 aptamer 與 antibody 之比較.......................................................38 表 2-1 不同元素在X-ray強度為50keV時之吸收係數.........................40 表 3-1 由EDS分析測得Gd2O3的元素含量比.......................................61 表 3-2 由 EDS 分析測得 Gd2O3：Eu 的元素含量比..............................67 表 3-3 由 ICP-MS 分析測得Gd2O3：Eu的元素含量比.......................68 表 3-4 不同體積之 EDC/NHS 與 aptamer.............................................83 表 3-5 不同體積、數量與理論/實際測得濃度之 aptamer...................85 表 3-6 Gd2O3、Gd2O3：Eu、Gd-DOTA 與 Gd-DTPA relaxivity ratio…….88. XI.

(13) 中文摘要開發單一奈米材料兼具多功能之應用價值是目前奈米生醫領域研究與探討的課題。本文製備同時具有螢光、核磁共振訊號與 X-ray 吸收特性的多功能性奈米粒子-氧化釓摻雜銪，接著在奈米粒子外面包覆核酸適體（aptamer），希望透過其專一性的表現而能應用於分子影像顯影。首先經由多元醇法合成出氧化釓摻雜銪的奈米粒子，並且以 TEM、XRD、UV-PL、SQUID 與 EDS 等儀器來加以分析與鑑定。接著再以 FT-IR、TGA 和 zetasizer 來鑑定氧化釓摻雜銪奈米粒子表面修飾之檸檬酸基。最後則是透過 qPCR 和 confocal 來說明核酸適體的確有與我們所合成之奈米粒子結合。將氧化釓摻雜銪奈米粒子應用於 in vitro MRI 上，經由實驗可得其 r1 為 5.0199 s-1mM-1，相比於 T1-MRI 常用之釓金屬類錯合物顯影劑如 Gd-DOTA、Gd-DTPA（r1 皆為 4.1s-1mM-1）有較高的 relaxivity，表示其 MRI 對比顯影效果較佳；而在 in vitro CT 的應用上，在重量濃度為 350 毫克/每毫升時，氧化釓摻雜銪奈米粒子的 HU 值高於常用之 CT 含碘顯影劑 IOHEXOL，但低於 350 毫克/每毫升時，其 HU 值仍是低於含碘顯影劑 IOHEXOL。關鍵字：氧化釓摻雜銪、核磁共振、斷層掃描、螢光、核酸適體、分子影像. XII.

(14) Abstract Recent nano-biomedicine have devote to research the topics for the development of single nano-materials possessing multifunctional properties. In this thesis, we synthesized the multifunctional europiumdoped gadolinium oxide ( Gd2O3:Eu ) nanoparticles which equipped with fluorescence, magnetic resonance signal and X-ray absorption. Then we applied the specific targeting aptamer encapsulated outside the nanoparticles for molecular imaging.. First, Gd2O3:Eu nanoparticles were synthesized via the polyol method and were characterized based on TEM, XRD, UV-PL, SQUID and EDS. Then we identified the surface capping ligand citric acid of Gd2O3:Eu nanoparticles through FT-IR, TGA, and zetasizer. Ultimately, we employed qPCR and confocal to confirm the binding of Gd2O3:Eu-AP nanoparticles.. Gd2O3:Eu nanoparticles were applied on the in vitro MRI. Compared to the conventional T1 MRI gadolinium chelated complex such as Gd-DOTA、Gd-DTPA（r1 4.1s-1mM-1）, the relaxivity of Gd2O3:Eu XIII.

(15) nanoparticles（r1 5.0199s-1mM-1）was much higher. In other words, the effect of MRI enhanced contrast image by Gd2O3:Eu nanoparticles was better. On the in vitro CT, there was a much higher HU value of Gd2O3:Eu nanoparticles at the weight concentration of 350 mg/ml than the common CT iodine contrast agent IOHEXOL. But less than 350 mg/ml, the HU value of Gd2O3:Eu nanoparticles was still lower than IOHEXOL.. Keywords：Europium doped-gadolinium oxide、Magnetic Resonance Imaging、 Computed tomography imaging、 Fluorescence imaging、 Aptamer、Molecular imaging. XIV.

(16) 謝誌首先非常感謝陳家俊老師、張煥正老師和謝達斌老師撥冗參與我的口試並給予建議與指導，讓論文內容更加完備。. 在兩年的碩士生活裡，感謝帶領我的郭聰榮博士，在實驗的概念及方向上給我指導與建議，同時也讓我培養獨立思考、統整搜集文獻及整理分析數據的能力與訓練。接著要感謝迪彥學長與政宏學長在實驗上與生活上的幫助與指導，也要感謝中研院生醫所的薇云學姐與師大生科所的仁華學姐在生物相關的實驗上都能不吝惜地將他們的豐富學識傾囊相授，讓我在生物的領域上也學到很多。另外，要感謝實驗室的夥伴宥廷、瑀辰、新然、介孟、小黃和紀洋這兩年來不管是在實驗上或生活裡的幫助、討論與建議都讓我受益良多，以及學弟妹們的可愛與認真讓我在忙碌的日子裡也不會覺得疲憊，也謝謝學妹珈菱在實驗上與日常生活相處上給我的建議與包容。最後要感謝的是身邊朋友們像是家睿、冠緯、岳樺與瑞晨等的關心，讓我備感溫暖。. 最後要感謝我的家人對於這兩年碩士生涯的支持與鼓勵，還有實驗室裡的同學們在日常生活與實驗上的同甘共苦，當然以及最後要感謝的是陳老師的指導與領導，讓我在這兩年裡收穫匪淺。. XV.

(17) 第一章. 緒論. 1-1 磁性奈米粒子磁性奈米粒子性質與其應用 1-1-1順磁性與超順磁性順磁性與超順磁性磁性奈米微顆粒(magnetic nanoparticles）在生醫領域已被廣泛運用，物質產生磁性是因為量子效應的物理現象，一般應用中以鐵磁性 (Ferromagnetic)材料最具重要性，整個週期表上僅有 Fe、Co、Ni 三個元素及稀土元素 Gd 可在室溫時有鐵磁性之表現。磁性奈米粒子具備尺寸小於 100 nm 之優點，並有好的生物相容性與低毒性。隨著奈米技術的發展，當奈米的尺寸越做越小，對於磁性奈米粒子而言，是從塊材的鐵磁性進入到奈米尺寸時的順磁性，當尺寸在繼續縮小至數個或十幾奈米時，即出現所謂的「超順磁」性質。如四氧化三鐵在小於某一個尺寸時會開始擁有超順磁的性質，而產生超順磁的臨界尺寸是隨著不同材料而有所不同。其實超順磁與順磁的性質都很相近，最主要是超順磁是發生在尺寸更小的狀態下，因此其磁區幾乎是單一磁區，對於熱擾動的干擾比順磁性還敏感，即使溫度降低還是會受到熱擾動的影響。在磁滯曲線方面，超順磁物質幾乎沒有鐵磁性質，縱使在溫度接近絕對零度時，仍然表現出順磁的性質，這是超順磁與順磁較大的差別。. 1.

(18) 1-1-2 磁性奈米材料的應用磁性奈米材料的應用 1.藥物輸送(Drug delivery) 1 磁性顆粒與特定用途的藥物、抗體或蛋白結合形成複合粒子。此為「磁性靶向藥劑」（Magenetically targeted drug delivery），將這種載有高分子和蛋白的磁性奈米粒子做為藥物載體，注射入生物體內，透過循環系統輸送，在體外施以磁場，導航控制磁性微粒子在體內的移動，使藥物複合的微顆粒移至於病變部位，進行藥物釋放機制，在醫療臨床使用的優點是控制藥物在病變部位聚集，以提高醫療效率，並減少藥物的副作用。 2.細胞標記與細胞分離(Cellular labeling / cell separation) 磁性奈米顆粒藉由外部包覆物質結合特定抗體蛋白或分子，利用他們與目標細胞的特異性結合，在外加磁場的作用下，將細胞分離。 3.核磁共振造影（magnetic resonance imaging)2 超順磁性氧化鐵奈米粒子為新一代 FDA 所批准在核磁共振造影（magnetic resonance imaging ,MRI）應用之顯影劑，核磁共振造影對醫學領域而言是一個重大的突破，其最大的貢獻在於能在不同的組織和不同的環境下，呈現出有差異的顯影效果，因此被用來診斷組織的病變與否。 4.熱療法（Hyperthermia） 2.

(19) 磁性微顆粒可直接應用熱療法（Hyperthermia）於腫瘤醫治，將磁性微顆粒注射入癌腫瘤區，施以一個交變磁場，磁性顆粒吸收電磁波能量而升高局部區之溫度，ㄧ般熱療法最佳溫度約為 42 ℃至 46 ℃，因腫瘤細胞對高溫度承受程度較正常細胞為低，故會使腫瘤細胞受損但卻不影響正常細胞與組織，已在小老鼠和白兔等動物體內的臨床實驗，證實這種局部熱療的效果。 5.磁性轉染(Magnetofection)3 磁性轉染是將磁性奈米顆粒與欲轉殖之基因連接，在施以一外加磁場，利用磁場對磁性奈米顆粒之吸引力，驅使磁性奈米顆粒向細胞移動，進而增加與細胞碰撞機率，而提升轉染效率。 6.純化分離應用（Purify and separation）4 主要利用奈米氧化鐵表面的電荷，與帶有相反電荷的物質產生靜電吸引力，來達到先吸附後分離的目的。例如用表面帶正電荷的奈米氧化鐵來純化分離帶負電的 DNA 或蛋白質。. 3.

(20) 1-2 多功能性奈米材料與其影像顯影方式 1-2-1 複合性奈米材料過去十幾年來，世界各先進國家對其發展莫不表示高度之重視，並投入龐大的人力與財力，進行相關材料的製備、特性與應用研究。不過，由單一成份所構成的奈米粒子，其應用受限於固有的性質，因此，有必要結合其它材料進行表面或內部性質的調整，方能滿足各式各樣新穎及延伸的應用。複合性奈米粒子是將兩種或兩種以上的物質結合於單一粒子，除了可將多種功能結合在一起外，也可能產生新的特性。一般而言，製造複合奈米粒子的目標可區分為四大類： 1.修飾奈米粒子的塊材特性或產生不同於原成份的新穎特性。 2.調整奈米粒子的表面特性，以改變其表面電荷密度、功能性、反應性、生物相容性、穩定性及分散性。 3.以核心粒子為模板，製作中空球殼。 4.創造多功能性複合奈米粒子 5。複合性奈米粒子在觸媒、生物、生醫、與光、電、磁、熱及高性能機械材料等多方面，極具發展潛力與應用價值，因此，關於複合性奈米粒子的設計、構裝(fabrication)、及其在功能性奈米材料與元件上的應用，最近幾年很受到重視。 4.

(21) 1-2-2 多功能性多功能性之奈米材料 6 奈米材料將化學、生物與物理此三領域有了跨領域合作的可能。隨著奈米科學和生物醫學領域的進步和跨領域共同合作模式的逐步成熟，有越來越多的研究團隊設計並開發出具有影像偵測、診斷和治療功能的複合性之多功能奈米複合物。最常見的是以一無機材料為核心而合成之膠體奈米粒子，外面接上官能基化之小分子來增加其功能性或是生物相容性 7。而具有磁性、螢光性或是輻射性等不同功能之奈米材料之核殼結構特性的排列組合，我們可以想像可能有如下圖 1-1 所示之組合方式 8:. 圖 1-1 功能性 core-shell 的排列組合 8. 5.

(22) 2008 年 Alric et al. 9 以 Au 為 core，外面包覆以 Gd-chelates 為 shell 的方式，而能使此複合奈米材料同時具有 MRI 和 CT 的效果； 2009 年 Huang et al. 10 結合 Gd2O3 和 graphite 形成 Gd2O3/C 而能同時具有 MRI 和 NIR imaging 的應用；2010 年 Cheung et al. 11 則利用 GdF3 為 core，外面以 PAA polymer 為 shell，使此複合奈米材料同時具有 MRI 和 CT 的功能。. 隨著合成具有雙重功能性的奈米材料已經開發到差不多的時候，隨之而來的則是科學家們思考能否在這樣主體結構思維下的複合性奈米材料能更一步擁有三重甚或多重功能呢？這個問題在 2010 年 Jin et al. 12 提出具有 PET/NIRF/MRI 三重功能性之複合材料而首度獲得關注。此文獻報導主要是利用具有低毒性、生物降解性與製備便宜的氧化鐵（Fe3O4）奈米粒子做為核，外面修飾具有親水性之多巴胺（dopamine）後，將此奈米材料加進血清蛋白（human serum albumin , HSA）中，利用血清蛋白來延長奈米材料在生物體中的循環時間。由於氧化鐵本身具有 MRI 的應用功能，加上所加入之 64Cu-DOTA 具有 PET 之功能、所加入之螢光染料 Cy5.5 具有 NIRF（near-infrared fluorescence）的螢光顯影效果，在 in vivo 的生物顯影上便能同時兼具 PET/NIRF/MRI 三重功能性，如圖 1-2 所示，這使得在開發單一奈. 6.

(23) 米複合材料具有多功能性價值的研究領域上有了更蓬勃的探討與未來展望。而在 2011 年由 Kryza et al.13 進一步以修飾上 polysiloxane shell （TEOS 和 APTES）之氧化釓奈米粒子，結合了有機螢光染料 Cy5 與含 111In 具有輻射性之螯合物，而此同時兼具 SPECT（111In 貢獻）、 MRI（Gd 貢獻）與光學 optical imaging（Cy5 貢獻）三重功能性之複合材料在 in vivo 上也獲得不錯的效果。發展多功能性奈米材料是未來具有很大潛力與應用價值的研究課題。. 圖 1-2 具有三重功能性 core-shell 的示意圖 12. 7.

(24) 1-2-3 多功能性多功能性之奈米材料顯影方式由於醫學與科技的與時俱進，我們可以利用不同的儀器與技術來及早並提供一個即時、方便與迅速的方式來偵測並加以診斷或治療現代人愈來愈常見的文明病-腫瘤與癌症。而奈米尺寸等級的多功能性複合材料便能結合上述特徵，應用於醫學臨床前的偵測與診斷之平台，作為這樣的影像顯影整合工具，奈米複合型材料具有非常大的發展潛力與優勢。而不同的影像顯影方式有其不同的優缺點與特性，如下表 1-1 可知目前有許多的影像顯影方式與常使用奈米材料 14： modality. probe. spatial resolution. advantages. limit. MRI. 順磁性(Gd ,Mn) 順磁性超順磁 (氧化鐵氧化鐵) 氧化鐵. 價錢昂貴. 25–100 µm. 1.解析度高解析度高 2.無輻射性無輻射性. optical. fluorescent dyes. 2–5mm. imaging. quantum dots. 1.靈敏度高靈敏度高 2.無輻射性無輻射性. 1.解析度低解析度低 2.組織穿透組織穿透度低. CT. Au, I. 50–200 µm. 1.空間解析高空間解析高 2.可明顯區分可明顯區分不同組織. 1.需要對比需要對比顯影劑. 使用於生化上的控制，的控制，追蹤癌細胞變化. 有輻射性 1.有輻射性 2.解析度低解析度低 3.價錢昂貴價錢昂貴. PET SPECT. 18. F, 11C, 15O, 64Cu 99m. Tc,. 111. In. 1–2 mm 0.5–1 mm. 2.有輻射性有輻射性. 表 1-1 不同顯影方式之特性. 以下主要簡單介紹核磁共振影像（MRI, magnetic resonance imaging）、螢光影像（fluorescence imaging）、斷層掃描影像（CT, X-ray 8.

(25) computed tomography imaging）、正子放射斷層掃描影像（PET, positron emission tomography）和單光子放射斷層掃描影像（SPECT, single-photon emission computed tomography）的差異性和其優缺點。 1.核磁共振影像核磁共振影像顯影核磁共振影像顯影核磁共振成像（MRI）被視為現代醫學診斷的強大技術，因為它可以滲透進入組織深部，以非侵入性的方式觀察軟組織，提供解剖細節，經由軟體轉換成高解析的三維圖像偵測方式，這是核磁共振影像的最大優勢，其空間解析度可達 25～100 µm。另外，核磁共振成像的好處為並不使用 X-ray 或其他的放射性物質來做為受檢者患部之影像分析。但這項技術現階段只能夠解決超過幾微米大小的物體，故其靈敏度比起放射性物質或光學的成像方式來的低很多，而且其價格昂貴，這些是尚待克服的缺點。 2.螢光 2.螢光影像螢光影像顯影影像顯影螢光原理簡單來說，當分子吸收能量時，分子內的電子受到激發而躍遷至激發態，若躍遷由基態單態(singlet state)，躍遷至激發態單態，則其躍遷機率較大因此所放出的光強度較大，但生命期（life time）較短(10 -5 ～10 -8 秒之間)稱為螢光；若牽涉到電子自旋狀態的改變，從單態到三重態(triplet state)，則其躍遷機率較小，放光強度通常較弱，但生命期較長(10 -4 ~數秒之間)，稱為磷光。而處於激發態之電子除 9.

(26) 了以放光的形式回到基態外，也可能透過振動以輻射產生熱的方式以回到基態，而通常我們會比較在意以放光形式回到基態途徑在整個過程中所佔有的比例，即量子產率（quantum yield）的概念。而利用螢光成像的方式來做為應用於生物醫學的影像偵測有著高靈敏度與可即時成像的優點，但也因為其光激發致螢光的方式無法對生物的組織有很好的穿透性，故其會限制於只能在組織表面才能利用螢光顯影的方式來做為偵測的缺點，其解析度只有 2～5mm。 3.電腦電腦斷層掃描影像電腦斷層掃描影像顯影斷層掃描影像顯影電腦斷層掃描（CT）是醫院常用的生物醫學成像診斷工具。X 光是一種電磁波或輻射，具有能穿透物質的特性，而人體的器官及骨骼有著不同的密度，當相同能量的 X 光投射及穿透人體某個部位後，便能在底片上形成深淺不同的影像。目前常用為一可 360 度旋轉的 X 光攝影機，對患者進行連續不同角度照射，而由於人體組織對 X 光吸收力的不同，將這些訊號經由電腦計算，，會產生深淺不同的影像，如果組織內有腫瘤，則會透過顯影劑的對比效果而清楚呈現。儘管斷層掃描可以在短時間內提供解析度佳的影像，其解析度為 50～200 µm，但其在影像重建的過程中仍會有雜訊的產生，且在 X 光游離輻射的照射下會對人體產生傷害，另外則是高劑量的顯影試劑會對腎臟造成傷害。 10.

(27) 4.正子放射斷層掃描影像顯影正子放射斷層掃描影像顯影正子放射斷層掃描（PET）基本上是需要放射性同位素於衰變過程中放出帶正電荷之正子例如 15O、18F、11C、64Cu，透過與人體組織內之負電荷電子撞擊毀滅後以 γ 射線的能量形式呈現，正子放射斷層掃描便能透過偵測這些放射性同位素所產生之 γ 射線以重建組織的影像，但其解析度低，只有 1～2 mm。不同於 CT 或 MRI，正子放射斷層掃描除了能分辨腫瘤是否壞死外，更能及早發現癌症是否存在或轉移，但其缺點在於輻射劑量對人體的副作用及後續的處理問題，目前大多仍因其安全性問題而停留在臨床前的研究階段。 5.單光子放射斷層掃描影像顯影單光子放射斷層掃描影像顯影單光子放射斷層掃描影像（SPECT）的原理和 PET 很像，不同的是其主要是偵測單一光子之同位素例如 99mTc、123I 來標定放射性藥物的位置，進而重建組織之影像。SPECT 在影像顯影上仍有許多問題尚待進一步的研究與解決，像是其所能使用的放射性同位素有限、偵測所需時間長、所建立之三維立體影像空間解析度不佳，只有 0.5 ～1 mm 以及價錢昂貴與輻射性的副作用等問題存在。而本文主要是應用螢光、MRI 與 CT 之方式，有關 MRI 與 CT 的原理和常用的顯影劑等會在後面做進一步的介紹。. 11.

(28) 1-3 稀土元素與其金屬氧化物發光稀土元素與其金屬氧化物發光、金屬氧化物發光、合成與應用 1-3-1 稀土元素的簡介 15 在化學上，我們所說的稀土族元素(Rare earth elements)，一般指的是鑭系元素(Lanthanides)，也就是週期表上原子序 57~71 的元素，如表 1-1。其中學者 Mosander 在 1839 年發現鑭系金屬的第一個元素－鑭 (La)，1843 年再發現同系列的鋱 (Tb) 及鉺 (Er)；其餘元素依其被發現的年代的順序可區分為：鐿 (Yb，1878 年，被學者 Marignac 發現)、釤 (Sm，1879，Boisbaudran)、鈥 (Ho，1879，Cleve)、銩 (Tm， 1879，Cleve)、鐠 (Pr，1885，Welsbach)、釹 (Nd，1885，Welsbach)、釓 (Gd，1886，Boisbaudran)、鏑 (Dy，1886，Boisbaudran)、銪 (Eu， 1901，Demarcay)、鎦 (Lu，1907，Urbain)。而鉅 (Pm) 為學者 Marinsky 等人在 1947 年從鈾燃料中分離出來。稀土族元素是一群在很多方面具有與傳統認知相異的物理性質的元素，它們的化學性質非常相近，且其多變的磁性也引起廣泛的探討。近幾年來，鑭系金屬由於具有特殊的 4f 電子結構、高的配位數、多樣化的配位幾何學構造及特別的物理或化學性質，使其不僅在學術、傳統工業而且在高科技技術產業中扮演了相當重要的角色，因此被許多國家將其列入“戰略元素”的行列，予以特殊儲備和開發。在氧化態的研究上，+3 價氧化態是所有鑭系金屬元素的特徵， 12.

(29) 當中也有部分元素以 +2 或 +4 氧化態存在的例子，例如例如：Ce、Pr、 Tb 有 +3 及 +4 價的氧化態；Sm、Eu、Yb 價的氧化態則含 +2 與 +3 價的氧化態，不同鑭系金屬的化合物之氧化態的差異不同鑭系金屬的化合物之氧化態的差異會造成化合物不同性質會造成化合物不同性質的表現。同時，由於鑭系金屬元素之由於鑭系金屬元素之 S 和 P 軌域的屏蔽效應使得此系列元素會有鑭系收縮的效應系列元素會有鑭系收縮的效應，會隨著原子序增加而使原子原子半徑逐漸減小。由表 1-2 得知，，稀土族金屬的電子組態為：[Xe] 6s2 5d0~1 4f n，其最外層的電子組態都是 6s2 ，由於元素的化學性質和最外層的電子由於元素的化學性質和最外層的電子組態有密切的關係，因此稀土族的化學性質相近是可以預期的；此外，未滿的 4f 軌域也造成稀土族元素各種不同的磁性與光學性質軌域也造成稀土族元素種不同的磁性與光學性質。. 表 1-2 鑭系元素的電子組態. 13.

(30) 1-3-2 鑭系金屬的鑭系金屬的發光原理 15 鑭系元素具有 4f 軌域的高能階電子，而且由於鑭系金屬化合物之 4f 軌域電子受到外層 5s2 和 5p6 軌域屏蔽效應的影響，使得整系列的鑭系元素具有許多類似的特性，例如：幾乎都以三價金屬氧化態的化合物存在；發光機制皆為 f 電子能階間的轉換，但當 4f 電子軌道能階上的電子數不同時，其螢光與磁性性質會有極大差異，例如： Tm 3+、Ce 3+ 可放出藍光； Er 3+、Tb 3+ 為綠光； Eu 3+、Pr 3+、Sm 3+ 為紅光； Nd 3+、Er 3+ 可放出紅外光。近年來，鑭系化合物也被廣泛地使用發光材料上，主要因為具有兩項優點： 1.由於受到 5s 2 和 5p 6 軌域屏蔽效應的影響，鑭系金屬化合物會產生 f-f transition 的放光行為，並產生很窄的放射波峰，類似原子放光譜線. (atomic-like emission spectra)。. 2.鑭系金屬化合物被預期會有很高的量子效率，因為從配位子的單一激發態、三重激發態，到最後中心金屬離子的激發態，均有高效率的能量轉移，因此我們也可藉由配位基的使用來增強或改變中心金屬的放光行為。. 14.

(31) 1-3-3 鑭系金屬的合成方法與應用鑭系金屬的合成方法與應用合成方式各有其優缺點，而不同的方法所形成的鑭系金屬氧化物也各有其不同的形狀與結構，不同形狀與結構在應用上也會不一樣。從下表 1-3 我們可以簡單將合成方法做比較，而本文所利用之多元醇方法（polyol method）是屬於化學共沉澱（co-precipitation） 16 的方式，此方式有著合成簡單、反應溫度低與反應時間短等優勢，但在粒徑大小與形狀控制上則無法像其他兩種方式來得好。合成方式. co-precipitation. 合成優點. very simple, ambient conditions. thermal decomposition complicated, inert atmosphere. hydrothermal synthesis simple, high pressure. 反應溫度. 120～～190℃ ℃. 100～～320℃ ℃. above 220℃ ℃. 反應時間. mins～～hours. hours～～days. hours～～days. 粒徑大小. relatively narrow not good. very narrow. very narrow. very good. very good. high/scalable. high/scalable. medium. 形狀控制產率. 表 1-3 鑭系金屬氧化物的合成方式比較 16 而不同的合成方式會形成不同形狀與結構的鑭系金屬氧化物，例如 Gd2O3、Na（K）GdF4、GdPO4、YVO4、Dy2O3 等不同之化合物。而摻雜不同鑭系金屬會發出不同顏色的光，發光方式可從選擇不同範 15.

(32) 圍的激發波長而可簡單分為兩種 17，一種為激發波長在 UV-Vis 內稱為 down-conversion（例如摻雜 Eu3+、Tb3+），另一種則為激發波長在遠紅外光區（NIR）稱為 up-conversion（例如摻雜 Er3+、Yb3+）。以下主要是針對以 Gd2O3 為主所形成之不同形狀與其應用。首先在 2009 年 Jia et al.18 利用 hydrothermal 的方式合成出 Gd2O3：Eu 之 nanotubes；2010 年 Das et al.19 利用 oleated 的方式合成出 Gd2O3：Tb 之 nanorods，進而應用於 MRI 和螢光顯影上；2011 年 Tian et al.20 利用 template-directed method 來製備具有中空（hollow）結構之 Gd2O3，除了 Gd2O3 能應用於 MRI，摻雜了 Er3+/Yb3+而能擁有 up-conversion luminescence，中空結構內加入布洛芬（ibuprofen , IBU）之抗發炎藥，則可以在 MRI 與螢光影像顯影上做一個簡單的診斷外，更能裝載藥物形成一 drug delivery 的方式來達到治療的目的。除此之外，有文獻 21 利用 Gd2O3 與 ITO 玻璃基板（glass substrate）結合以當作電容（capacitor），經過測試後發現其具有 low operation voltage 與 high transmittance，顯見其具有應用於 T-RRAM 的潛力；也有文獻 22 利用 Gd2O3 做為 thin film transistor （TFT）之 gate insulators，主要是因為 Gd2O3 具有低漏電流與高介電常數，而摻雜 Eu3+後發現介電常數有所增加，且發紅光之 Gd2O3：Eu 在未來的應用上可以做為一 color emissive 的 switching devices。 16.

(33) 1-3-4 鑭系金屬於鑭系金屬於 NCT 與 MRT 治療上的潛力中子捕獲治療（neutron capture therapy, NCT）為一種放射治療，主要是利用慢中子來治癌。它是將具有巨大中子捕獲截面（neutron capture cross-section）的核種以特殊化學藥品的形式注入人體，使其與癌細胞結合，再用熱中子照射腫瘤部位，圖 1-3 為容易捕捉慢中子之元素，barn 為中子捕獲截面大小的單位。藥品中的特定核種吸收中子後分裂成兩個較小的破片同時放出能量，其射程小於 10 微米，因此僅破壞腫瘤細胞與其鄰近的細胞，而達到治療的目的，故慢中子治療法對腫瘤的治療，極具潛能 23。. 圖 1-3 可捕獲慢中子之元素與其中子捕獲截面值 23 17.

(34) BNCT24 主要的應用原理在於透過將含硼 (硼之同位素;. 10. B)之合. 成藥物以臨床有效之方式施予腫瘤細胞中，然後透過熱中子源的照射，以產生具強大生物效應之α粒子及鋰核粒子，來造成腫瘤細胞內致死性破壞(如雙股螺旋 DNA 之截斷)。重要的是由於腫瘤細胞相對具有較明顯之含硼藥物吸收能力，因此核反應後破壞的範圍僅侷限於腫瘤細胞周圍，對於週遭正常細胞組織並不會造成太大的損害，不但能有效地破壞腫瘤細胞(α粒子之生物效應為傳統光子的三倍)，相對於傳統放射線治療對腫瘤組織旁周遭正常組織具有較低的傷害性。除此之外，BNCT 主要透過利用調控腫瘤內含硼藥物濃度的高低來影響腫瘤治療之反應，並不像傳統光子性放射線治療必須透過精準掌控射束角度範圍來減少正常組織的傷害，目前利用 10B 之含硼化合藥物來做為中子捕獲治療已獲得臨床前的研究證實其具有不錯的療效。從圖 1-3 我們也可以看到由於 157Gd 有非常高之中子捕獲截面值，故有許多研究團隊嘗試利用 Gd 類的化合物或錯合物來進行實驗， 2009 年 Bridot et al.25 利用修飾了 polysiloxane shell 與加入螢光染料 RBITC 之 Gd2O3 奈米粒子，除了可以透過 MRI 與螢光影像來診斷奈米材料是否有進入 EL4-Luc cell 外，也能進一步利用不同 neutron irradation 劑量與時間來觀察其在 EL4-Luc cell 的治療效果。 2011 年 Horiguchi et al.26 利用 Gd@C82 所形成之 metallofullerenes ， 18.

(35) 並加入 PEG-b-PAMA 之高分子來增加 Gd@C82 的水溶性。將此材料 load 進 colon-26 cell，施以 neutron irradation 使 Gd 碎裂後放出高能量之γ射線來殺死腫瘤細胞，如圖 1-4 所示。. 圖 1-4 以 Gd@C82-PEG-b-PAMA 做 in vitro neutron irradation26 另外由於 Gd 本身具有不錯的 X-ray 吸收係數，除了可以應用於 CT 影像上的診斷外，也能利用 X-ray 的方式應用於輻射治療（radiotherapy）上。2011 年 Duc et al.27 利用修飾 silane 之 Gd2O3 奈米粒子來進行微束輻射治療( microbeam radiation therapy , MRT )，相較於一般傳統的輻射治療多為 broad beam，雖然可以有效殺死腫瘤細胞，但同時也會對周圍正常細胞造成傷害；而 MRT 則是經由 narrow beams （～25-100μm）減少對正常細胞的傷害。此文獻最重要的是成功利用 gadolinium-based nanoparticles(GBN)結合 MRI 影像診斷與 MRT 治療的先例，這對於未來繼續研究與發展此類 image-guided radiotherapy 開啟了具有潛力的願景。 19.

(36) 1-4 螢光粉體之發光螢光粉體之發光與影響因素發光與影響因素 1-4-1 螢光粉體的發光原理螢光粉體的發光原理 28 所謂螢光材料或稱螢光體（phosphor），又可稱為發光材料，顧名思義是指在外加能量的激發下，可以釋放出紫外、可見或紅外光之物質的統稱。螢光物質開始積極被廣泛開發研究則是在二次大戰期間，因發光物質可應用於雷達與對紅外線靈敏之物質，促使螢光材料理論基礎之建立。近幾年因電子產業蓬勃發展，特別於光電產業中之照明、顯示更是大家積極開發之重點，使得螢光材料更加廣泛應用研發。螢光粉主要由主晶體與活化劑組成，有時還需要添加助活化劑（敏感劑）。主晶體在光的激發過程中傳送能量，活化劑則激發活化主晶格。通常主體在激發過程中，主要扮演能量傳遞者的角色，一般不會吸收輻射能量，而活化劑則是用來活化主體。 1-4-2 影響螢光效率的因素 28 1.主體晶格效應 (Host effect): 螢光體主要包含兩部分，是由主體(host)和活化劑離子(activator) 兩者互相結合而成，在不同的主體晶格中，活化劑離子所處的環境也有所不同，因此其所表現的發光特性也有所差異。若能夠了解主體晶格對發光特性的影響，就能夠預測螢光發光材料的性質。在主體晶格中有兩個影響光譜特性的因素：一為主體共價性；另一是主體晶格場 20.

(37) 強度。對共價性的因素而言，當共價性增加時，則電子間的作用力會減弱，在不同能階間，電子的躍遷能量是取決於電子間的作用力，所以當共價性增加會促使其對應的電子躍遷往低能量偏移，而主體晶格具高的共價性時，意味著其陰陽離子間的陰電性差異變小，所以其所對應的電荷轉移(charge-transfer)躍遷能量，亦往低能量偏移。對結晶場強度而言，可用晶格場理論說明，此理論主要應用在靜電場對於金屬離子 d 軌域上電子之作用。d 軌域可分為五種 d xz、d yz、 d xy、d x 2- y2 和 d z2，金屬離子位於主體晶格中通常會數個配位基所包圍，當電子為 d. 2 2 2 z 、d x - y 軌域時正對配位基，所受的靜電力排斥較. 大，因此其能階亦較高，當電子為 d xz、d yz、d. xy. 時位於兩個配位基. 之間，受靜電力影響較小，因此其能階較低，由於受到 d 軌域的影響而造成能量分裂的現象，也就是會分裂成兩種不同的能階。 2.濃度淬滅理論(Concentration Quenching) 在一定的激發強度之下，發射光強度會隨活化劑離子濃度的增加而增加，因此我們可以藉由增加活化離子濃度來提高光強度，然而每一種螢光體都有最佳的添加濃度，當添加離子濃度超過此一最佳值時，放射光強度反而會因此下降，此即為濃度淬滅效應。當活化劑離子濃度增加時，活化劑離子彼此間的距離拉近，入射能量可藉能量轉移的方式將能量轉移給其他活化劑離子，而造成螢光效率下降，因此濃度 21.

(38) 淬滅效應只發生在高濃度的時候。濃度淬滅的現象首先是在有機螢光材料中發現的，研究指出有機螢光材料的濃度淬滅是由於濃度高時，有機發光分子形成分子對及分子團，而這些分子團是不發光的，同時在同類分子間，受激發的分子發生非放射性的能量轉移(non-radiative transfer of energy)所導致。科學家們提出類似的理論，將之應用於無機螢光材料中，認為受激活化體，若有另一活化體與其距離是最接近晶格位置(nearest lattice sites)，則此受激活化體將無法發光。根據共振理論的解釋，受激活化體在放出可見光之前會與具數十 Å 距離之另一活化體發生 108(次/秒)的轉移機率(transfer probability)，先決條件是此二活化體其吸收光譜與發射光譜需重疊(overlap)，因此共振轉移可發生於同類活化體，亦可發生於異類活化體間。. 22.

(39) 1-5 MRI 核磁共振造影原理與顯影劑 1-5-1 MRI 的簡介傳統疾病診斷方式，通常是利用生物體器官解剖結構的變化診斷疾病，但是早在其變化產生之前，細胞層次已經開始產生變化，如果能儘早診斷出發病特徵的早期分子生物化學上變化，可以提早治療，就能提高治癒率或是治療的成效。而在這醫療進步時代，利用分子影像系統，來觀察生物活體內在細胞層次的各種功能現象已經成為趨勢。近年來，又以核磁共振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)為醫療診斷的重要工具之一，其優點有: 1.能呈現 3D 立體影像，可提供豐富的訊息，有利於醫生在診斷與手術開刀前評估時使用。 2.有別於傳統具放射線的顯影技術，不具侵入性，即可快速得到人體各種結構組織之截面剖面圖，與許多的病理訊息。 3.對人體無害且任何部位皆可用使用 MRI 檢查，其所得到的影像非常清晰。 4.不同於其他照影技術，MRI 可以提供軟體組織的顯影。因此合成並研究 MRI 分子影像的顯影劑是目前眾多科學家們非常關注的研究主題。. 23.

(40) 1-5-2 MRI 的原理 29 核磁共振造影寫為 MRI ( Magnetic Resonance Imaging )，其中各自代表意義為: 1. M（magnetic）：訊號的來源，人體中磁矩的磁化。 2. R（resonance）：激發偵測原理，磁矩和射頻脈衝間的交互作用。 3. I（imaging）：訊號轉換成影像。 MRI 的基本原理是先利用外加磁場，使原子磁矩具有相同的極化方向，接著引入射頻脈衝，觀察原子磁矩對磁場的反應，得到電子訊號後利用傅立葉轉換成影像訊號。人體內含有百分之七十的水以及大量蛋白質、脂肪等，所以人體內有無數的氫原子，而每一個氫原子都含有一個質子，質子帶有電荷且不停的旋轉，電荷旋轉就好像電磁鐵的運動，會產生感應電流，因此氫原子就擁有磁偶極。弛緩時間（Relaxation Time）是指當沒有外加能量的支持之狀態下，氫原子核必須釋放能量，氫原子核要回到與主磁場方向相同的較低能量狀態，此回復過程稱為弛緩（relaxation）。如圖 1-5 (a) 所示，在平衡狀態下施予外加磁場 B 1 時，原本位於 Z 軸方向上之磁矩隨著外加磁場的作用，全部倒向 XY 平面，當移去該磁場時，Z 軸方向之向量由零逐漸增加，而 XY 平面上之分量逐 24.

(41) 漸消失，最後回到平衡狀態，如圖 1-5(b) 所示，Z 軸分量將由零增加，此磁矩的增長過程稱為自旋- 晶格弛緩（spin-lattice relaxation）或稱為縱向磁化量（Longitudinal magnetization）即所謂的 T 1 弛緩（T1 -relaxation）。圖 1-5(c) 為 XY 平面上之分量逐漸消退的過程稱為自旋 -自旋弛緩（spin-spin relaxation）或橫向磁化量（transverse magnetization）即所謂的 T2 弛緩（T 2 -relaxation）。 T1 弛緩表示氫原子核與鄰近組織（Lattice）能量交換，使得氫原子核可和主磁場對齊，弛緩的時間常數稱為 T1 弛緩時間（T1 -relaxation time），定義為當 Z 軸分量回復到平衡狀態之 63%所需的時間。 T 2 弛緩為當有 B 1 磁場時，眾多氫原子核以同樣的相位（phase）自旋，移去 B 1 以後，外力的協助消失，氫原子核間會有隨機運動，彼此碰撞交換能量，使相位一致性（phase coherence）消失，有的氫原子核旋進較快，有的氫原子核旋進較慢，使 XY 平面上分量互相抵消逐漸回復到零。T 2 弛緩時間（T 2 -relaxation time）定義為 XY 分量減少到平衡狀態之 37%（也就是衰減了 63%）所需的時間。將 Tpre 忽略視為零，relaxation time(Tpost) 做倒數後再與金屬濃度[C]做圖，便能從斜率中求得 relaxivity r（R），如圖 1-630。. 25. 圖 1-6. T、[C]與 R 關係圖.

(42) 圖 1-5 弛緩時間示意圖 (a)外加磁場 (b) T1 弛緩 (c) T2 弛緩 1-5-3 MRI 顯影劑人體的組成中有 70 %為水，MRI 量測之訊號是由人體的氫原子核激發、弛緩而來，由此可知由此可知，核磁共振造影之影像訊號與水分子的磁共振造影之影像訊號與水分子的存在量或分布密度息息相關存在量或分布密度息息相關。然而，核磁共振造影顯影劑的使用則是磁共振造影顯影劑的使用則是為了增加欲觀測之特定組織為了增加欲觀測之特定組織，或發病區域之氫原子的弛緩時間病區域之氫原子的弛緩時間，造成該特定部位或區域影像上有明顯之對比以達到醫學影像診斷的目的。該特定部位或區域影像上有明顯之對比，以達到醫學影像診斷的目的核磁共振造影顯影劑依影像對比影響的機制有兩種磁共振造影顯影劑依影像對比影響的機制有兩種，一為縮短水中氫一為縮短水中氫原子之自旋-晶格弛緩時間晶格弛緩時間，此一顯影劑會造成受影響區域的影像變此一顯影劑會造成受影響區域的影像變 26.

(43) 亮，可稱為正增強對比之顯影（positive-contrast images）或是 T 1 顯影；另一則是縮短自旋-自旋弛緩時間，如此會使受影響區域的影像變暗，亦稱為負增強對比之顯影（dark or negative-contrast images）或是 T 2 顯影。大致可分為 (1) 順磁性磁振造影對比劑，就是所謂的 T 1. 試劑，增強其標的物之訊號，使影像變白；(2) 超順磁性磁振造影. 對比劑，就是所謂的 T 2 試劑，減弱此標的物之訊號，使影像變黑。 1-5-4 市售的市售的 MRI 顯影劑目前最常被使用的低磁化率（magnetic susceptibility）之順磁性顯影劑，為含釓（gadolinium）有機金屬化合物顯影劑，例如 Gd-DTPA、 Gd-DOTA (圖 1-7 ) 等，大多被應用於肝臟及脾臟造影，經靜脈注射後，可快速分布至細胞外液，代謝途徑主要是原型藥品直接由腎小球濾出，最後由尿液排出。另一種則是以超順磁性氧化鐵顯影劑（superparamagnetic iron oxide agents, SPIO）為主要發展，此種超順磁性氧化鐵晶體結構具有 Fe23+O3M 2+O 之化學通式，其中 M 2+是泛指兩價之金屬離子，例如：鐵、錳、鎳、鈷及鎂等金屬離子。目前已有三種超順磁氧化鐵顯影劑通過美國食品藥物管制局之核可上市，第一種是顆粒大小約為 300 nm 至 4 µm 的口服超順磁性氧化鐵顯影劑（Oral SPIO），口服超順磁性氧化鐵顯影劑顆粒較大，以口服之方式服用，大多用於消化道造 27.

(44) 影；第二種是顆粒大小約為第二種是顆粒大小約為 50 nm 至 150 nm 的標準超順磁性氧鐵顯影劑（Standard Standard Superparamagnatic Iron Oxide，SSPIO） Oxide ）；第三種是；顆粒大小約為 20 nm 至. 40 nm 的超小超順磁性氧化鐵顯影劑. （ULtrasmall ULtrasmall Superparamagnatic Iron Oxide，USPIO） Oxide ，而顆粒較小的而顆粒較小的標準超順磁性氧化鐵顯影劑與超小超順磁性氧化鐵顯影劑皆是以靜脈注射方式，藉由血液運送至各器官組織附近藉由血液運送至各器官組織附近，體內血液中體內血液中 30nm 至 5 µm 大小之粒子會被網狀內皮系統（reticuloendothelial reticuloendothelial system，RES）視為異物而清除，因此顯影劑分子隨著血流移動至帶有網狀內皮系統因此顯影劑分子隨著血流移動至帶有網狀內皮系統之組織器官（例如：肝肝、脾、骨髓、腦、肺、膝以及淋巴結等膝以及淋巴結等）附近時，藉由內皮細胞之藉由內皮細胞之吞噬作用（phagocytosis）進入器官以達到顯影進入器官以達到顯影劑之功效。其中標準超順磁性氧化鐵顯影劑適用於肝脾造影其中標準超順磁性氧化鐵顯影劑適用於肝脾造影其中標準超順磁性氧化鐵顯影劑適用於肝脾造影，而超小超順磁性氧化鐵顯影劑顆粒較小容易於血管間通透並且擴散速率快，超順磁性氧化鐵顯影劑顆粒較小，容易於血管間通透並且擴散速率快適用於淋巴結顯影，加上其存在血液之半衰期長加上其存在血液之半衰期長，一般可達六小時一般可達六小時，亦可應用於血管攝影亦可應用於血管攝影。. 圖 1-7 商業化的 MRI 正增強顯影劑 Gd-DOTA 與 Gd-DTPA Gd 28.

(45) 1-5-5 結合 T1 與 T2 -weighted MRI 顯影劑除了以 Gd3+、Mn2+所形成之 T1 顯影劑與氧化鐵類（Fe3O4、γFe2O3）所形成之 T2 顯影劑外，在 2010 年 Bae et al.31 以 Fe3O4 為核，修飾上 PEG 與 dopamine 後，再與 Gd-chelated 之錯合物 Gd-DOPA 結合形成 gadolinium-labeled magnetite nanoparticles（GMNPs），如圖 1-8 便可同時兼具 T1 與 T2 -weighted MRI 的效果；2011 年 Yang et al.32 一樣以 Fe3O4 為核，修飾上 silica 後與 Gd-DTPA 結合，然後再與 arginine-glycine-aspartic acid（RGD）peptide conjugated 而具有 targeting 的功能，而此兼具 T1 與 T2 -weighted MRI 的多功能性奈米材料也因為專一性 peptide 而能對特定 tumor cell 有 over-expressing high-affinity 的表現。. 圖 1-8 Fe3O4 結合 Gd-DOTA31 29.

(46) 1-5-6 釓金屬氧化物粒徑大小對 MRI 的影響 2009 年 Park et al.33 合成出粒徑大小介於 1～2.5nm 的 Gd2O3 奈米粒子，測量 in vitro MRI 後發現其 longitudinal relaxvity（r1）為 9.9s-1Mm-1，由於其具有高的比表面積，使單位面積有更多的 Gd 可以和水中的 H proton 作用而 enhance relaxvity；相反地，若此種 SPGO （small particulate gadolinium oxide）聚集（agglomeration）則會使 r1 relaxvity 下降 34。從 2011 年 Johnson et al.35 針對 NaGdF4 奈米粒子的大小來比較其 r1 relaxvity 的變化，從圖 1-9 我們可以得知隨著 NaGdF4 奈米粒子粒徑的縮小，單位比表面積有更多的 Gd 可以和水中的 H 作用而使 r1 relaxvity 上升。. 圖 1-9 NaGdF4 粒徑大小與 relaxvity 的關係 35 30.

(47) 1-6. CT 高解析電腦斷層掃描原理與顯影劑. 1-6-1 CT 的簡介以往醫生在診斷疾病時通常是以觀察、量測和平時累積的經驗做診斷，對於我們體內的器官、細微的組織通常也只有在解剖學中才能得到這方面的資訊。近年來，醫學成像系統發展出以非侵入式的方法就能透視人體的身體結構，達成此目的。電腦斷層掃描系統（computed tomography，簡稱 CT）在西元一九七二年由韓斯費（Godfrey Newbold Hounsfield）發明，CT 其使用的放射線和傳統 X 光片大同小異，所不同的是偵測系統，傳統 X 光片用的是一張底片，CT 用的是氣體或晶體的偵測器，敏感度甚高， X 光片的結果就呈現在底片上，而 CT 則將所偵測到的訊號，經過電腦的運算、重建影像後，可讓我們得到一個構造的連續切面，對於解剖、病理的變化提供一個解析度甚高的透視，這對近年來醫學的進步有相當卓越的貢獻。傳統 X 光攝影的缺點在於對重疊的生理組織無法區別，必須藉著多方面的觀察才能得到組織的構照，此外 X 光射線對於質量輕體積大與質量重體積小的組織雖有同樣的灰階度但卻無法解析。然而 CT 的特點就是可以分辨出 X 光吸收值上很細微的差別，因此，讓我們可以很容易地區分不同的組織。從最亮(完全不吸收)到最暗(完全吸 31.

(48) 收)，傳統 X 光只能分成 20 階左右，但 CT 卻可分成 2000 階甚至更多，所以 CT 不但可以區分脂肪和其它軟組織，連不同軟組織之間都可區別，例如腦組織與腦脊髓液。這個特性使得 CT 在許多疾病的診斷上變得十分方便，尤其是在顱內病變方面，因為在傳統 X 光片中，各個結構都重疊在一起，難以判別。 1-6-2 CT 的原理 36 CT 簡單的來說就是用 X 射線來產生影像，X 光藉由 X 球管產生，當它穿透不同密度的被檢測物時，會因為不同組織因其密度的差異會對 X 射線有不同程度的吸收(圖 1-10 ) ，進而會產生不同程度的衰減，這些強弱程度不同的 X 光，會被位於對側的偵測器吸收和測量，然後偵測器會將它轉換成大小不一的電流並且將它放大，再將這些資料傳給電腦轉換成影像。. 圖 1-10 不同組織與元素對於 X-ray 的吸收 36 32.

(49) 早期的斷層掃描儀主要是以斷層掃描儀主要是以 X 光管所發射 X 光束透過身體，只光束透過身體是一小部分的直線區域是一小部分的直線區域；而後 CT 改良，藉由 X 光管和偵測器會繼續在被檢測體的橫斷面上做旋轉續在被檢測體的橫斷面上做旋轉，每轉一個角度就照射ㄧㄧ次，這樣一直做就能得到被檢測物 180 度以上的多方向投影(圖 1-11 11) ，之後電腦會將它所收集到的資料運算成被檢體在這一個切面上任一點的 X 光衰減值，電腦會使用不同程度的灰階電腦會使用不同程度的灰階畫素來表示這個點而成為體素來表示這個點而成為體素，最後將所有體素組合起來最後將所有體素組合起來，就成為這個切面之影像。. 圖 1-11 改良後的斷層掃描儀 1-6-3 CT 含碘顯影劑含碘顯影劑肌肉、內臟和血管等組織內臟和血管等組織，因衰減係數（Attenuation Attenuation coefficient） coefficient 相近，因此在放射影像上看起來差別不大，不易診斷。對比劑（Contrast medium），又稱顯影劑或造影劑又稱顯影劑或造影劑，人體的接受度高，藉由藉由服用或注射進入人體內，能到達特定的組織器官能到達特定的組織器官、體腔或血管中。由於對比劑和由於對比劑和 33.

(50) 組織的衰減係數不同，因此，能強化所要觀察組織的影像，達到診斷參考的目的。對比劑注射身體後可使組織影像的對比改變，若對比劑造成置入區域訊號降低，使影像變亮，稱為正影對比劑，又稱放射不透明（radio opaque）對比劑。一般 X 光用之正影對比劑，其選用密度或原子序數較高的元素，例如：碘（I）原子序數為 53，對於軟組織而言具有較大的衰減係數，即對 X 射線具較大衰減係數，置入區域的 X 射線吸收量大於體內其他組織，CT 偵檢器所接收到的 X 射線少，故重建形成白色的影像。碘原子序數高且毒性小，因此常被用來做對比劑。碘基對比劑主要用於血管攝影（Angiography）和泌尿攝影（Urography）經由靜脈注射進入血管中或導管直接將對比劑送到特定的器官。此外，碘基對比劑可分為離子型（ionic）與非離子型（nonionic），兩者主要不同為對鈣的結合能力，離子型會與鈣結合，而所有的非離子型不會與鈣結合，而且離子型的抗凝聚（anticoagulation）特性比非離子型強。故非離子型對比劑安全性較高，副作用小，但價錢較貴。故可歸納非離子型碘基對比劑特點為滲透壓低、親水性好、毒性低，且可製成高濃度的造影劑，使顯影清晰。這類藥物價格雖較昂貴，但對有嚴重心、腎、肝功能衰竭的患者或對離子型造影劑過敏的病人，較為安全。 34.

(51) 1-6-4 其它 CT 顯影劑除了含碘之 compound 可用做 CT 顯影劑外，另一個被廣泛應用於 CT 上的則是 Au，這是由於 Au 比 I 有更高的衰減吸收係數，而且 Au 的生物毒性低，在老鼠體內可以做長效的停留，延長 CT 顯影的時間，可以提供更清晰而準確的 tumor 影像判斷 37。藉由上述所提到 Au 在 CT 上的優勢，有許多文獻成功利用金奈米粒子應用於 in vitro CT 與 in vivo CT 上，像是 2007 年 Kim et al.38 便將修飾上生物相容佳且能延長在生物體中循環時間之 PEG 包覆金奈米粒子，在 in vivo CT 上每 33mg/ml 的 PEG-coated GNPs 有 838 HU 值，相較含碘顯影劑（Ultravist）有更佳的 CT 效果（Ultravist 407.6 mg/ml HU 值為 838）； 2010 年有文獻 39 將抗體、aptamer 與金結合，在 in vivo CT 上有不錯的表現，而後著因為加入抗癌藥物後可用於治療 prostate cancer。 2011 年 Hwan et al.40 開發出具有 CT 顯影效果的氧化鉭（TaOx）奈米粒子，而修飾 PEGylated 之 TaOx 在毒性上與 in vivo CT 上都獲得改善，而此以 microemulsion method 合成之 TaOx，在加入螢光染料 RITC 後則具有螢光影像的功能；另一種常用但有顯著毒性之 Bi2S3 奈米粒子，在 2011 年 Kelong et al.41 以親水性高分子 poly vinylpyrrolidone( PVP )修飾並穩定 Bi2S3 奈米點後，發現其在 in vivo CT 上也有不錯的 CT 顯影效果。 35.

(52) 1-7. aptamer 核酸適體與 antibody 抗體. 1-7-1 aptamer 之簡介 42 核酸適體 aptamer 是由核酸如 DNA 或RNA 所組成的核酸聚合物，可與特定的ligand 做高親和力之專一性吸附結合。1990 年美國的Joyce、Gold 和Szostak 三個研究小組分別報導了一種寡核酸（oligonucleotides）體外篩選（in vitro selection）、擴增（amplification）技術，這項技術被稱為SELEX(Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment)。通過這項技術我們可以對廣泛的ligands 像是氨基酸、蛋白質、藥物、有機小分子、無機離子篩選出具有高親和力、高特異性結合的aptamer；所得到的aptamer 具有分子量小、結構簡單、容易放大、能保證合成的精確性及易連接其他分子進行修飾例如螢光素、生物素等優點。SELEX 此技術將原本 in vivo 存在於自然界中的 aptamer 擴展至 in vitro ，使其能先從 in vitro 的實驗操作合成與篩選後進而進入 in vivo 的應用，不僅減少了成本與時間上的浪費，同時更擴展了應用的方向與領域。同時 aptamer 可以變性、複性且速度快，可反復使用、長期保存等優點。目前已經廣泛應用在生物晶片(biosensors)、診斷治療(theranostics)、分離純化、藥物發展、環境檢測以及奈米科技等各方面應用。. 36.

(53) 1-7-2 aptamer 與 antibody 之比較 42 核酸適體與抗體雖然都可用來應用於生物專一性之辨識，但近年來有越來越多的科學家以 aptamer 來取代 antibody 功能的趨勢，而 aptamer 與 antibody 的差別與比較可從表 1-4 得知，簡單整理如下： 1. aptamer 製備容易且成本相對低廉： SELEX的篩選週期一般只需要2個月～3個月，而且 aptamer 能用化學合成的方法生產，能確保合成精準性及活性一致，生產成本相對抗體來得低，同時 aptamer不易受人為操作的影響。相對而言，抗體的製備是藉由誘發生物體內的免疫反應來產生抗體，或者是利用細胞培養，一般發現一株新抗體需要12個月～18個月，生產抗體從免疫動物或細胞培養到抗體純化至少需要3個月～6個月，同時抗體的生產也有可能因目標分子具毒性、分子量太小或者是與生物體內的蛋白質構造相似而失敗。另外則是抗體的生產成本昂貴，而且抗體操作環境嚴格，易受人為操作所影響等缺點。 2. aptamer 穩定性佳且容易修飾： aptamer 在熱穩定性方面優於抗體，核酸分子的磷酸酯鍵抗水解 (hydrolytic degradation)的能力約是蛋白質胜肽鍵（peptide）的100倍。 Aptamer 具有分子量小易和其他功能性基團分子如胺基、螢光素、生物素、酶等進行修飾與連接的優點。 37.

(54) 3. aptamer 具高專一性且用途廣泛： aptamer 對目標分子的親和力高，而且 aptamer 的目標分子之範圍非常廣泛，遠多於抗體，有很多目標分子可被 aptamer 特異性辨識，像是除了蛋白質，核酸分子等大分子外，還可以是諸如金屬離子、胺基酸、theophylline、caffeine、FMN、染料等不易產生抗原小分子，也可以是完整的細胞、病毒、孢子，甚至是毒素或者是 prion 也能藉由 aptamer 的專一性來加以辨識。. Property Selectivity. Aptamer High, easily tuned. Targets Time to discovery. Wide range. Antibody High, difficult to adjust Narrow range. 2～6 months. 12～18 months. Chemical, many steps Scalable $100-1,000 / g. Biologics Limited scalability $1,000-10,000 / g 180,000 Da. Manufacture Cost of goods Molecular weight. Modification redenatured Manipulation Shelf-life. 10,000 Da～ 50,000 Da Easily, without affecting their affinity Easily , fast Selection conditions can be manipulated Generally stable. Difficult, loss in affinity difficult Only under physiological Limited; require refrigeration. 表 1-4 aptamer 與 antibody 之比較 38.

(55) 第二章第二章. 實驗. 2-1 研究動機與目的開發與設計多功能性奈米材料並應用於生物上是現今許多科學家與研究團隊積極地討論與研發的終極目標。 2007 年 Bridot et al.43 以 Gd2O3：Tb 為主，外面以 TEOS silane 與高分子 PEG 做修飾與包覆，進而應用於 MRI 與螢光顯影上；有鑒於 Gd2O3：Tb 在 MRI （Gd 貢獻）與螢光（Tb 貢獻）上具有雙重顯影的效果，故以此方式去合成氧化釓 Gd2O3 摻雜銪 Eu ，一方面是由於摻雜 Tb 之螢光為綠色，而老鼠的自體螢光（Auto Fluorescence, AF）顏色亦為綠色，為避免此干擾而選擇摻雜發紅色螢光之銪，另一方面是由於如表 2-1 銪 Eu 在 X-ray 強度為 50 keV 時之吸收係數為 18.5 cm2/g44，相較 Tb（吸收係數為 4.06 cm2/g）、（吸收係數為 I 12.32 cm2/g）和 Au（吸收係數為 7.25 cm2/g）有更大的潛力可運用於 CT 的顯影。而此種單一奈米材料可同時具有三重功能（螢光、MRI 與 CT），在應用上有很高的價值，如圖 2-1 所示。核酸適體 aptamer 相較於抗體 antibody 在分子辨識上有較好的特異性和親和性，而且其價格便宜、合成簡單、穩定性佳，故在應用上漸漸有取代抗體的趨勢。本篇希望透過核酸適體的專一性表現，包覆於具有三重功能（螢光、MRI 與 CT）之 Gd2O3：Eu 奈米材料外，擴 39.

(56) 大其在生物上應用的價值。原子( 原子(序). I(53). Eu(63). Gd(64). Tb(65). Pt(78). Au(79). 50keV時 50keV時. 12.32. 18.5. 3.86. 4.06. 6.95. 7.2 7.25. (cm2/g) (cm2/g) (cm2/g) (cm2/g) (cm2/g) (cm2/g). X-ray 吸收係數. 表 2-1 不同元素在不同元素在X-ray強度為50keV時之吸收係數時之吸收係數44. 圖 2-1 Gd2O3：Eu在螢光、MRI及CT上的應用示意圖上的應用示意圖. 40.

(57) 2-2 實驗儀器 1.紫外光-可見光光譜儀(UV-Vis Spectrophotometer) 由於每一特定的官能基，均會有特定波長的吸收，因此可藉由UV 光譜做為分子官能基的測量工作。型號：HP8453 2.光激發螢光 photoluminescence (PL) 光譜對於檢測發光材料的性質是一個有力又無破壞性的方式，藉由分析圖像資料，可以由光譜中的特徵可以得知摻雜雜質種類、能隙大小、雜質活化能等等，是一種很方便的工具。型號：Hitachi,F4500 3.共軛焦螢光顯微鏡（Confocal Fluorescence Microscopy）其所利用之原理是當光束聚焦樣品之處並不是焦平面時，自樣品反射後的光束，大部分將無法通過光偵測器前的針孔而無法成像;反之，則能產生極強的光訊號。共焦掃描顯微鏡的優點是比傳統顯微鏡具較高的平面解析度，和較優越的斷層能力。型號：UltraVIEW RS confocal system (PerkinElmer, Wellesley, MA) 4. X光粉末繞射儀 X-ray Diffractometer (XRD) 可從X光波長和入射角算出每個波峰代表的晶面間距，而每個物質結晶都有它的特殊性，所以從繞射譜的波群可以判斷物質成分。而X光繞射與晶粒大小的關 41.

(58) 係可以用Scherrer’s方程式來表示：D=Kλ/βcosθ D為晶粒大小，λ為X光波長，β為繞射峰半高寬，θ為繞射角，K是常數約為0.9。型號：Brucker D8 5. 穿透式電子顯微鏡 Transmission Electron Microscope (TEM) 是藉由穿透電子束打至試片，再經放大成像。由於其具備超高解像能力，故在一般影像觀察上比其他分析工具優越許多。型號：Hitachi H-7100、JEOL-JSM-1200EX Ⅱ、JEOL2000FX 6.高解析度穿透式電子顯微鏡 High Resolution Transmission Electron Microscope(HR-TEM) 比TEM觀測尺度更小，可以觀測到小於1埃的尺度 (1埃=10-10m)。型號：Philips/FEI Tecnai 20 G2 S-Twin 7. 傅利葉紅外光光譜儀 Fourier Transform Infrared Spectrometer (FT-IR ) 是看分子振動時不同的振動方式有不同的吸收光譜，這樣可以得到不同的有機官能基光譜並分析之。型號：JASCO 200E FT-IR spectrophotometer 8. 超導量子干涉磁量儀 Superconducting Quantum Interference Device（SQUID）其設計為將樣品置於超導線圈內，施加一磁場，而後讓樣品往復進出線圈。樣品若對磁場有所感應，則會對週遭的磁場 42.

(59) 產生影響，而這種影響可由超導線圈的電流變化得知，進而得知樣品的磁特性。型號：MPMS7 9. 雷射奈米粒徑暨界面電位量測儀 Zetasizer 主要是利用雷射偵測動態光散射法的方式得到樣品粒徑大小分布和其zeta potential。型號：Malvern Zetasizer 3000 HS 10. 核磁共振影像分析儀Magnetic Resonance Imaging（MRI）利用磁場原理，使儀器改變氫原子的旋轉排列方向，原子核就會釋放吸收的能量，能量激發後放出電磁波信號，再經由電腦分析組合成影像。型號：BRUKER BIOSPEC 70/30 11. X射線斷層成像 Computed Tomography(CT)，或稱電腦斷層掃描， CT是一種利用數位幾何處理後重建的三維放射線醫學影像，由於不同的物質對X射線的吸收力不同，可以用電腦的三維技術重建出斷層面影像。型號：Skyscan 1076 12.高通量即時螢光定量PCR系統 Real-Time Polymerase Chain Reaction（rt-PCR or q-PCR）其原理是在操作時加入一段螢光標記之 DNA探針，此段探針之鹼基序列與受測樣品之某段DNA序列互補時，才會發散出螢光。隨著PCR的循環次數愈多，則DNA濃度愈高，偵測 43.

三功能性氧化釓摻雜銪結合核酸適體之奈米粒子應用於核磁共振/斷層掃描/螢光 分子影像研究

三功能性氧化釓摻雜銪結合核酸適體之奈米粒子應用於核磁共振/斷層掃描/螢光分子影像研究