技術報導

功能性奈米材料及其應用

陳文章¹*、徐俊旭¹、呂博文¹、李坤易¹、林志鴻²

1 國立雲林科技大學化學工程系

 國立雲林科技大學工程科技研究所

* E-mail address: chenwc@yuntech.edu.tw

一、前言

奈米 (nanometer) 是一個長度的單位，即 1 nm = 10^− m，約為人類頭髮直徑的八萬分之 ㄧ，相當於十個氫原子之直徑長。所謂奈米科 技，則是以小於 100 nm 尺度的物質或結構為研 究對象的學科，透過一微細加工方式，可直接 操縱原子、分子或原子團、分子團，使其重新 排列組合，形成新的具有奈米尺度的物質或結 構，並研究其特性，進而製造具有新功能的元 件及應用於各領域科學。

近年來隨著奈米技術的進步，對於奈米材 料的結構與製造的瞭解亦隨之提升，而奈米材 料係指材料在三維空間中至少有一維處在奈米 尺度的範圍內 (即小於 10^− m) 或以其作為基本

單元所構成之材料。奈米材料依結構可分為：

(1) 零維 (zero-dimension) 奈米材料，是指材料 的長、寬、高三維尺度都在奈米尺寸內，如奈 米粒子；() 一維 (one-dimension) 奈米材料，

是指材料的寬和高在奈米尺寸內，形狀似長條 狀，如奈米絲、奈米桿、奈米管、奈米線等；

() 二維 (two-dimension) 奈米材料，係指材料 僅有高在奈米尺寸內，形狀似平面，如奈米薄 膜。此外，當材料的特徵尺度降低到奈米尺度 時，其具有與一般固體晶相或非晶相結構不同 之原子結構，會出現小尺寸效應、量子效應、

表面效應 (圖1)、宏觀量子穿隧效應等，而使材 料本身出現明顯不同於常規材料的新性質 (表1)

[1]。利用這些特性，將各種奈米材料應用於各 領域上，皆受到極大之重視，諸如生物醫學、

摘要

奈米材料由於具有與一般塊材所不同的光、電、熱、磁、機械等性質，而成為被應用於新元件 設計開發之首選；隨著奈米科技不斷的進步，在奈米材料的開發上，更為多樣化。本文將介紹目前 常見之三種奈米材料：奈米碳管、奈米磁性顆粒及奈米金微粒，並針對各材料之製備方法及其功能 性化之應用領域，如生物科技、光電元件等方面做一番探討。

能源科技、環境保護、電子元件等；以下將介 紹近年來較為熱門之三種奈米材料：奈米碳 管、奈米磁性顆粒及奈米金微粒。

二、奈米碳管

11 年 Sumio Iijima 以穿透式電子顯微 鏡研究石墨的表面電極時，意外地發現多層壁

奈米碳管 (multi-walled carbon nanotubes, MW- CNTs) ^[]，兩年後他又觀察到單層壁奈米碳管 (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) 的結 構，這是除了鑽石、石墨與 C_0 之外，類似一 維空間的管狀結構，亦是碳的另外一種新形 式，它的特殊結構及獨特電子、機械與化學性 質，開啟碳研究的一個新方向。

奈米碳管的結構主要是由單層或多層未飽 和的石墨層所構成，中央部份是由多個六邊形 的格子所組成的平面所圍成的同心圓筒，而在 末端是由半球形或多面的五邊形所圍成，每一 個碳原子皆為 sp^ (圖2)。就奈米碳管的結構理 論上而言，扶椅型 (armchair) 結構的 SWCNTs 之性質類似於金屬，而曲折型 (zigzag) 與不對 稱型 (chiral) 結構 SWCNTs 的性質則類似金屬 或半導體，由於扶椅型 SWCNTs 的原子價在 費米能階下，其能帶與導電帶互通，而曲折型 與不對稱型 SWCNTs 在單位晶體中含較多原 子，在費米能階下會有 opening of the gap，因

特 性 內 容

量子尺寸效應 當微粒尺寸下降到一定值時，費米能階附近的電子能階由準連續能階變成分 立能階，光譜值向短波方向移動，此種現象稱為「量子尺寸效應」。

小尺寸效應 因物質粒子的尺寸縮小，而使物質的各種性質 (如磁性、表面活性等) 產生變 化和差異的效應，即稱為「小尺寸效應」。

表面效應

奈米粒子表面原子數與粒子內總原子數間的比值，隨著粒子粒徑變小而急遽 增大，使得表面原子的性質對粒子所呈現的各種巨觀行為具有決定性的作用 和影響，因此導致粒子的許多性質隨著粒徑變化而發生改變。此因表面原子 作用所衍生的效應稱為「表面效應」。

宏觀量子穿隧效應

在古典力學，當能障的高度比粒子的能量大時，粒子是無法越過能障的，然 而，根據量子力學原理，此時粒子穿過能障出現在另一側的機率並不為零，

此現象稱為「穿隧效應」。

圖1 粒徑與表面原子數量關係圖^[1]。當粒徑愈小 時，具有高比表面積。

表1 奈米材料特性簡介^[1]。

此，表現出半導體的性質^[]。奈米碳管的機械 性質 (如強度與彈性)，在目前已知的自然界中 是最強的物質，特別是 SWCNT_S 的楊氏係數 (Young’s modulus) 可達 1– TPa (tera pascal)，

由研究報告顯示 SWCNT_S 的楊氏係數與強度約 為鋼索的 1 和  倍^[]。綜合奈米碳管之性質 具有：(1) 密度輕，SWCNTs 約為 0. g/cm^， MWCNTs 約為 1. g/cm^，強度/密度比約為鋼 的 100 倍以上；() 比表面積大 (10–0 m^/g)，

比多孔性碳的數百 cm^/g 大；() 耐化學品；() 熱安定性高；() 可官能基化；() 具有觸媒催 化性質^[]。

1. 奈米碳管的製備方法

奈米碳管的製備方式較為常見者有：(1)電 弧氣化法(arc-evaporation method)，()化學氣相 沉積法(chemical-vapor method)，()雷射蒸發法 (laser-vaporization)等，各法分述如下：

(1) 電弧氣化法

電弧氣化法最早於11年由Sumio Iijima利 用電弧放電產生高溫，使原料氣化以沉積為奈

米材料的方法^[]。此方法之原理為在陽極碳棒 中心添加金屬催化劑 (如鐵、鈷、鎳等) 後，將 整個系統抽真空後再通入惰性氣體，以及給予 一驅動電壓 (1–0 V) 及電流 (0–10 A)，接著 等速緩慢移動陽極碳棒靠近陰極，當兩電極距 離足夠小 (約 1 mm)，兩極間會產生一高溫電弧 (約 ,000 K)，而將陽極的碳與催化金屬進行高 溫氣化，並沉積在陰極石墨棒表面，此時所得 的陰極沉積物即有碳管的存在。利用此法必須 特別注意的是：兩電極距離必須保持一定的適 當距離才易生成奈米碳管，否則將會生成大量 的奈米碳粒 (carbon nanoparticles)。由電弧放電 法所得到的碳管管徑約在 –0 nm 間，長度約 為 1 μm 左右，大多為單層奈米碳管。若欲利用 電弧法合成多層奈米碳管，則不需要在陽極石 墨棒中添加金屬催化劑。以電弧法合成奈米碳 管時，所需注意的操作變數主要有：反應時的 環境、電極材料、電壓大小與電極距離等。圖 3 為電弧放電法裝置示意圖。

(2) 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法最早是被用來製作碳纖 維。以化學氣相沉積法製備單層奈米碳管是目 前最有效率的方法，而且可應用於大表面積的 生產或擁有多種產物型態的特質。其裝製如圖 4 所示^[]。首先於基板上已離子佈植、熱蒸鍍 圖2 奈米碳管圖像：(A)扶椅型 (armchair) 結

構，(B)曲折型 (zigzag) 結構，(C)不對稱 型 (chiral) SWCNTs的示意圖，正向投影到 管軸心圖示於底部，(D)透隧式電子顯微鏡 顯示直徑1. nm螺旋狀結構 SWCNT 的影 像。(E)穿透式電子顯微鏡 (TEM）顯示一 個包含九層的 MWCNT 的影像^[]。

圖3 電弧放電法裝置示意圖^[]。

或意向塗佈等方式鍍覆金屬催化劑，並在高溫 爐中退火或還原，使其成為奈米及金屬微粒，

再將 CH_、C_H_、C_H_、C_H_ 等碳氫化合物的 氣體，通入高溫的石英管爐中反應 (約 1,000–

1,00 °C)，碳氫化合物的氣體會因高溫而催化 分解成碳，吸附在基板催化劑表面而進行沉積 成長。由化學氣相沉積法所得到的碳管，直徑 約 –10 nm 不等，長度 10–0 nm 以上。此 製程方法改善了電弧放電法中碳管太短、低產 率、低純度及高製作成本等缺點。

(3) 雷射蒸發法

原理與電弧法相似，其不同在於以高能雷 射取代電弧放電，將含觸媒的石墨棒瞬間氣化 後，再冷卻而得到單壁奈米碳管，設備如圖5 所示^[]。此法利用金屬 (如鈷與鎳) 與石墨合成 靶材，再以高能雷射 (Nd YAG laser) 轟擊之，

在 00 Torr 的氬氣下進行對焦蒸發，並保持反 應管之溫度約在 100 °C，隨著爐管中高溫區 域惰性氣體的快速流動，蒸發的碳隨即被帶往 爐體外末端的圓錐型水冷銅上沉積，沉積物再 經萃取精鍊後，可得單壁奈米碳管^[]。此技術 可得到生成率高且直徑均勻的單壁奈米碳管。

雷射法的優點之ㄧ是生成物較一般電弧法純度 高、雜質少，較不會產生非晶質碳或其他結構 碳材，並可由雷射蒸發純碳及純金屬的結構推

論單壁奈米碳管之生長機制。另外，此法最大 的優點在於可生產大於 0% 以上的單層奈米碳 管，所得的奈米碳管直徑分佈在 –0 nm，管 長可達 10 μm 。

2. 奈米碳管的應用

由於奈米碳管有許多新的性質，如質量 輕、高強度、高韌性、可撓曲性、高表面積、

高熱傳導性、導電度特異等，因此衍生了許多 新的應用。近年來，奈米碳管廣泛應用於微 電子裝置 (tiny electronic devices)、場射顯示器 (field emission display, FED)、具有導電性與高 強度的複合物、能量儲存與轉換裝置、電化學 感測器、探針 (AFM tips) 等^[]。以下就奈米碳 管的應用做一簡單的介紹：

(1) 場發射顯示器

奈米碳管優異的電子場發射特性，使其在 場發射源上的應用具有相當的潛力。場發射顯 示器的特點在於反應時間迅速、工作溫度範圍 大、寬廣的視角，且具有陰極射線管的色彩，

有別於傳統陰極射線管 (cathode-ray tube, CRT) (如圖6)。傳統 CRT，其電子發射源體積龐大 圖4 化學氣相沉積法原理示意圖^[]。

圖5 雷射蒸發法裝置圖^[]。

圖6 韓國 Samsung 公司以奈米碳管所製作之場 發射平面顯示器^[]。

而顯得笨重，場發射顯示器則是以數百萬根的 奈米碳管作為電子發射源，直接平鋪在螢幕下 方，因此每個畫素 (pixel) 皆有個別專屬的電子 槍，其螢幕之薄度可做的像 TFT-LCD 一樣。

而利用奈米碳管作為場發射元件材料之優點 為：(a) 縱橫比 (aspect ratio) 大；(b) 導電性良 好；(e) 表面具有良好的化學安定性，不具化學 活性；(d) 優異的機械強度；(f) 原子的表面擴 散不易，即使在高溫高電場下，原子也不會產 生移動。

(2) 場效電晶體 (field-effect transistor)

以奈米碳管視為最細的導線，作為接連兩 金電極間 (源極/汲極)，可製做出最小的場效 電晶體，由於奈米碳管的絕佳導電性與導熱性 質，解決了散熱與熱穩定的問題 (如圖7) ^[]，進 而應用於氣體感測器、光電元件等。

此外，奈米碳管在電化學電極和化學感測 器的應用上也是令人感到興趣的研究方向，係 因奈米碳管表面獨特的結構組成，使奈米碳管 應用於生物感測器上 (圖8)^[10]，具有高選擇性與 良好電子傳遞性質，因此奈米碳管生物感測器 未來具有極大的發展空間。

三、奈米磁性顆粒

由於奈米結構材料，其性質隨著粒徑大 小不同而異，使得奈米材料具有豐富多變的 特性，因而備受重視，其主要特性諸如具有

與一般材料塊材之所不同的光電性質、磁性、

熱傳、擴散及機械等性質，可使原本無法混合 的金屬或聚合物而成合金。此外，奈米結構材 料的化學特性及物理性質，如：材料強度、延 性、磨耗性、磁特性及腐蝕行為等，會隨粒徑 大小不同而發生變化。近年來，由於製備與加 工製程的進步，促使磁性奈米顆粒之應用價值 大為提高，而被廣泛應用於磁性流體、磁紀 錄、藥物磁性、感測器等領域。磁性奈米顆粒 之主要磁特性可以歸納如下^[11]：

居禮溫度：奈米微粒內原子間距隨粒徑下降而 減少，進而影響到交換積分 J_ex，導 致居禮溫度 T_c 下降。

超順磁性：因微粒原子結構之磁性異相性減少 到與熱能接近，而再也難以固定其 磁化方向所致，導致超順磁性的出 現。

矯頑磁力：當粒子小到某一個尺寸時，每個粒 子可視為一個巨大之磁矩，要使各 粒子整個磁矩反轉，需要反向磁場 較大，即具有較高矯頑力。

圖7 奈米碳管應用於場效電晶體之示意圖^[]。

圖8 以 MWCNTs 修飾金電極應用於葡萄糖濃度 之量測。經 MWCNTs 修飾之生物電極具 有優異的線性範圍 (0.0–1 mM)，其操作 電位 0. V ^[10]。

表2 常見的奈米磁性顆粒之合成方法^[1]。

合 成 方 法 製 備 方 式

球磨法 將磁鐵礦微粉 (μm 等級) 與煤油及界面活性劑依比例混合，經研磨機進行研磨 氧化還原法 在金屬鹽溶液中加入還原劑，進行氧化還原作用得到金屬粒子

化學共沉法 將亞鐵鹽與正體鹽在鹼性水溶液中反應，產生磁鐵礦微粒子 Fe^+ +  Fe^+ +  OH^- → Fe_O_ +  H_O

熱分解法 將 Fe(CO)_ 與界面活性劑，在甲苯中加熱或照射紫外線代替分解，使 Fe 單體的 奈米粒子析出，分散於甲苯中，作成奈米金屬粒子的磁性流體

微乳化法 逆微胞法

金屬鹽和ㄧ定的沉澱劑型成微乳液，在較小的微區內控制膠體粒子的成核與成 長，在經過熱處理後可得

電解法 以水銀為陰極電極，於裝入 FeSO_ 水溶液中，通電流而電解，使Fe^+離子成為 鐵析出於水銀電極

電漿加強化學氣相 沉積法 (PECVD)

將 Fe(CO)_、Ar、N_ 混合導入於 PECVD 反應器，於 10^− Pa 下，使 N_ 形成電漿 與 Fe(CO)_ 分解產生的 Fe 反應，形成氮化鐵 Fe_xN 奈米粒子

表3 奈米材料於感測器上之應用。

固定化方法 奈米材料種類 酵 素 電 極 分 析 結 果 參考文獻

吸附 MWCNT GOD Pt 白金

奈米碳管造成 GOD 本身具可逆性的 氧化還原程序，其 E_pc/E_pa = −0./ − 0.V

[1]

吸附 Pt 白金粒子 GOD GC¹ 具有提供 GOD 生物環境及維持催化

活性。 [1]

共價結合法 奈米金粒子 GOD/HRP 金電極 形成雙酵素結構，具有提高催化葡萄 糖能力進而提高靈敏度。 [1]

吸附 CdS 粒子 GOD PGE^ 具有極快的電子傳遞速率，且能夠幫 助 GOD 催化進而提高催化能力。 [1]

吸附 Fe_O_ 粒子 heme PGE Fe_O_－protein 層具有好的催化能力極

高的穩定性。 [1]

吸附 Fe_O_ 粒子 Dopamine 金電極 添加 Fe_O_ 粒子修士電極具有降低過

電位及提高靈敏度。 [1]

共價結合法 膠體金粒子 GOD 金電極

以溶膠–凝膠法製備 -D 網狀結構金 奈 米 粒 子 且 具 有 微 小 電 子 傳 遞 ， 且 能夠幫助 GOD 催化進而提高催化能 力。

[0]

註1：GC：glassy carbon

註：PGE：pyrolytic graphite electrode

1. 奈米磁性顆粒製備方法

奈米金屬顆粒之製備主要可分為物理法及 化學法。物理法係將塊狀金屬利用研磨或打散 的方式，由大到小，使物體達到奈米尺度，稱 為 Top-Down，常見的有氣相沉積法、機械粉 碎法。化學法係由小到大，以前驅鹽利用化學 氧化還原反應，經成核生長過程，由原子級的 層級，逐漸成長生成至所需之粒徑大小，稱為 Bottom-Up，常見的有沉澱法、溶膠-凝膠法、

溶劑蒸發法等，所得的顆粒粒徑較小且均勻分 佈。表2 為常見奈米磁性顆粒之合成方式^[1]。 通常在製備奈米微粒時，需先考慮幾個問題：

(1) 粒子大小的分佈 (均一性)；() 粒子大小的 控制；() 結晶性與結晶構造；() 粒子形狀的 控制。

2. 奈米磁性顆粒的應用 (1) 應用於生物科技方面

近年來，由於奈米科技的蓬勃發展，許多 奈米材料亦被應用到生物感測器上，由於奈米 材料具有表面效應、小尺寸效應，故將其分散 到電極表面時，可提供較大的活性面積，使其 具有促進電子傳遞的能力，進而提升感測器之 靈敏性 (表3)。磁性粒子旋轉模式，則為一種 增強應答訊號的方法，它可適用於各種利用磁 性粒子的感測系統。主要是利用外加磁場的旋 轉，來令反應槽內的磁性粒子，於電極上產生 旋轉，則此時電化學系統，由原本的擴散控制 變為對流控制，因此反應速率變大，而應答訊 號亦隨之增強。

00 年，Katz^[1] 將磁性微粒應用於生物感 測器的製備，利用磁場達到雙成份酵素測定，

圖9 將磁性粒子 (Fe_O_) 進行表面修飾，再以共 圖9 奈米磁性顆粒Fe_O_應用於葡萄糖生物感測之應用，以外加磁場控制分析雙成份基質 (葡萄糖、乳

酸) 之結構圖^[1]。

價鍵結的方式，接上感測系統所需之電子傳遞 介質。此時以外加磁場的方式，來控制經過修 飾的磁性粒子，是否與電極接觸，並以此來控 制反應是否進行。即當磁性粒子被吸引至電極 表面時，反應才得以進行，此時為感測器為 on 的狀態；當磁性粒子被吸引至溶液表面，反應 無法進行，此時為感測器為 off 的狀態。而雙 功能感測模式，則是在電極表面，修飾另一電 子傳遞介質，當 on-off 感測模式處於 off 狀態 時，則進行另一電化學催化反應，以此建構另 一感測系統。此時可利用外加磁場，來控制磁 性粒子是否與電極接觸，進而控制由哪個感測 系統進行反應。表3 則係近幾年奈米磁性顆粒 應用於感測器之文獻，歸納其添加所能提供之 一些相當重要之功能，其中最主要的三個功能 有：(a) 增加電極電子傳遞介面的面積；(b) 在

電化學偵測時，提供其催化特性；(c) 提供蛋白 質氧化還原中心與電極表面之導電特性，也因 此運用於感測器上能提高靈敏度。

(2) 應用於醫療診斷方面

非侵入式診斷為目前醫療檢測上最為大家 所致力的方向，其中以磁核共振影像 (magnetic resonance imaging, MRI) 為臨床醫學上最有力 的診斷工具之ㄧ^[1]。核磁共振影像主要是利用 外加磁場使組織內的氫原子核吸收能量，再以 接收器接收除去磁場後氫原子所釋放出來的能 量，經過傅利葉轉換成影像顯示供醫療診斷。

人體中核磁共振訊號最主要的來源為水與脂 肪，由於不同組織所含的分子比例不一樣，因 此氫原子核於不同組織中便會感受到外加磁場 的些許強度差異，進而造成影像顯示出來的明 表4 奈米氧化鐵粒子在 MRI 上之應用。

修飾分子種類 奈米粒子經修飾

後 表 面 官 能 基 結合之生物分子 達成目的 參考

文獻

dextran 醇基

（－OH） 無

粒子穩定懸浮於水溶液中，對小 鼠之肝臟與脾臟影像有顯著增強 效果

[]

amino-dextran 胺基

（－NH_） Tat-peptide

經修飾後的粒子可以進入到造血 原始細胞及神經原始細胞達10 ~

0 pg，且經磁性粒子標的的細胞 不僅可以MRI偵測，更可從骨髓中 以磁性將細胞分離回收

[]

starch 醇基

（－OH） 無

經過澱粉包覆的磁性奈米粒子，

具有良好的生物相容性並可進入 到細胞之間的位置

[]

dextran 醇基

（－OH） transferrin 以MRI觀測到所轉殖基因 in vivo的

表現 []

carboxydextran 羧酸基

（－COOH） synaptotagmin I 透過與細胞凋零相關的蛋白質，

以MRI觀測到細胞凋零之現象 []

暗度。近年來，奈米氧化鐵粒子在磁核共振影 像的應用受到重視，特別是利用修飾性分子將 奈米氧化鐵粒子修飾後，使其表面具有醇基、

胺基、羧酸基等特性官能基，進而與生物分子 結合，以用於醫療診斷上^[-] (如表4)。

由於超順磁氧化鐵奈米粒子 (superpara- magnetic iron oxide nanoparticles, SPIOs) 具有 較佳的 T_-鬆弛 (T_-relaxation)，因此，有多種 不同粒子大小的產品為美國食品藥物管理局核 准使用作為核磁共振影像的對比劑使用^[]。利 用不同組織對不同大小的 SPIOs 具有不同程度 的累積與代謝，選用不同的 SPIOs 來增加水的 鬆弛速率，便可使目標組織或器官的影像對比 更加強烈，影像更為清晰，對於臨床診斷上可 以幫助醫師更精確的判讀出病症處與病症的變 化。圖10 為淋巴結未經任何處理 (左圖) 與經注 射入 SPIOs 粒子後 (右圖)，以核磁共振影像顯 示的結果。從圖中可以明顯發現，在未經注射 SPIOs 粒子之前，淋巴結影像並未相當清晰 (箭 頭所指處)，而經過 SPIOs 注射處理後，淋巴結 有了與其他組織不同的強烈對比產生^[]。除了 利用不同組織對 SPIOs 有不同的代謝來增加病 症處的對比外，SPIOs 也具有表面再修飾的功 能，藉著修飾上癌細胞抗體或具專一辨識性的 蛋白質，將可使 SPIOs 擁有標的性的功能。如 將與細胞表面有特定蛋白質接收器 (receptor) 的

特定蛋白 transferrin 修飾到 SPIOs 上，則可發 現經過修飾後的SPIOs更容易利用細胞所擁有 的自然機制 (receptor-mediated endocytosis) 進入 到細胞內^[]。如此，SPIOs 應用於磁共振影像 上將具有更大的發揮空間。

四、奈米金微粒

奈米金屬微粒在科學及技術上有重要的影 響，並廣泛應用於許多領域，諸如觸媒、污染 防治、生物醫學、電子元件等。特別在化學反 應中，許多重要的催化劑是金屬，如利用奈米 級的微粒可以大幅改進反應的催化效率。舉例 而言，塊材狀的金是一個惰性金屬，難以參與 化學反應，但是若分散成粒徑範圍在  nm 的 金微粒，則它在低溫下對 CO 的氧化就具有優 異的催化能力。此外，奈米級的金屬都有獨特 而強烈的吸光度，它是來自表面電漿共振模式 (surface plasmon resonance)，此吸光特性深受表 面吸附分子的影響，故可作為感測器。

1. 奈米金微粒的製備

目前奈米金屬微粒已經普遍受到重視，並 成為熱門的研究主題，其製備方式可分為物理 方法與化學方法 (如表5)。而奈米金微粒在製備 時，亦需考量界面活性劑及還原劑之添加，以 控制微粒之尺寸大小、分散性及產率。

(1) 界面活性劑

分散良好的奈米金水溶液會呈現鮮紅色 澤，但因奈米微粒具有高表面能，亦易與外 界原子結合，奈米金溶液中之微粒常會過度團 聚 (aggregate) 而成為較大之粒子，顏色轉為 深紫色，繼而沉澱。為避免奈米金微粒聚集，

通常會在還原奈米金時，加入界面活性劑，如 圖10 淋巴結未經任何處理 (左圖) 與經注射入

SPIOs 粒子後 (右圖)，以核磁共振影像顯 示的結果^[]。

cetyltrimethl ammonium bromide (CTAB)、tetra- n-octyl ammonium bromide (TOAB) 或高分子

[1-]，如 hydroxyethyl methacrylate (HEMA)、

hydroxypropyl methacrylate (HPMA)、gum ara- bic，利用靜電斥力或高分子所造成之立體障礙 以防止各微粒團聚。

(2) 還原劑

因金離子帶有正電性，故文獻中常使用之 還原劑有 ascorbic acid ^[]、trisodium citrate ^[]、 sodium borohydride ^[] 等；而膠體的粒徑往往取 決於還原劑之多寡，較多量之還原劑，將導致 膠體還原初期有較多的晶核產生，反應最終生 成較多且小的微粒。反之，較少量之還原劑，

於膠體還原初期則有較少的晶核產生，反應最 終生成較少且大的微粒。

2. 奈米金粒子之應用 (1) 應用於生物醫學

(a) 奈米金粒子與 DNA 結合

利用生物資訊學比對部分疾病的蛋白質，

分析其氨基酸定序、反轉譯成基因碼及基因體 資料，可明瞭其免疫機制運作機轉，開發擬型 態新藥或作為探究抗藥性蛋白質分子的結構，

設計更高明的破解藥物分子。金奈米在生醫上 的應用，包括醫學治療、藥物開發、轉殖、感 測器和其他生醫元件等的開發。將合成的奈米 粒子組裝為功能性的奈米材料，是讓奈米科技 進入實際應用的重要步驟。其中，利用微胞法 或 sol-gel 法的自組裝排列，乃藉由分子間弱的 作用力，因此很難排列出複雜的構造；但若以 單股 DNA 接在奈米粒子上，再利用與其互補 的 DNA 加以辨識後，則可讓奈米粒子排列成 較為複雜之二維或三維微結構。

表5 奈米微粒製程技術^[0]。

反 應 方 式 製 備 方 法 優 點 缺 點

化 學 法

固相法 處理量大、技術成熟 高 溫 耗 能 、 粒 徑 大 、 分布廣

液相法 a. 化學沉澱法

(chemical precipitation) b. 溶膠-凝膠法 (sol-gel) c. 水熱法 (hydrothermal) d. 微乳液法 (microemulsion) e. 溶劑蒸發法

合 成 溫 度 低 、 精 確 控 制組成、設備簡易

團 聚 、 純 度 、 粒 徑 分 布

氣相法 純 度 高 、 粒 徑 小 、 分 散佳

高 溫 耗 能 、 設 備 複 雜、成本高

物 理 法

固相法－機械研磨 － －

液相法－氣體冷凝法

(gas condensation) － －

1 年，Mirkin 研究團隊利用組裝式奈米 微粒應用於分析 polynucleotides，意即在奈米 金表面修飾所欲偵測 DNA 之互補序列，當檢 體中出現欲偵測之 DNA 序列時，奈米金會因 DNA 互補關係而產生聚集，導致顆粒變大且溶 液顏色發生改變，藉由此顏色變化而瞭解檢體 之定性特性 (如圖11) ^[]。

(b) 奈米金微粒與蛋白質的結合

奈米金微粒對於蛋白質有極高之相容性，

除了奈米微粒與外界原子結合外，蛋白質本身 可以三種結合力 (鍵結) 與奈米金微粒結合：(i) 離子電性 (charge)，蛋白質藉由含正電性之胺 基酸 (如 lysine) 與奈米金表面之負電荷之離子 結合。(ii) 疏水力 (hydro-phobic interaction)，蛋 白質藉由含疏水性之胺基酸殘基 (如 tryptophan) 吸附於金屬表面。(iii) Dative binding，胺基酸 cysteine 中所含之 -SH 基，可與金表面形成一

似共價鍵結之 dative binding ^[]。故將奈米金微 粒作為生物感測器探針之表面修飾物，除了提 供較大的表面積以固定生物活性物質外，對於 蛋白質之親合性，亦可減低對生物活性物質之 傷害 (如圖12)。

(2) 應用於觸媒

在一般人之印象中，金是屬於惰性、安定 之金屬，但是當金顆粒大小降至 –10 nm 時，

圖11 奈米金修飾寡核酸 (oligonucleotide) 之穿透式電子顯微鏡影像^[]。

圖12 奈米金微粒與蛋白質 (抗體) 結合製備生物 感測元件^[]。

金之性質開始改變，展現其催化活性，特別是 對於簡單的分子，如：CO 或臭氧，奈米金觸 媒在室溫下即可將它們氧化或分解。鉑是最常 被使用之觸媒活性物質，但是鉑無法在常溫下 氧化 CO，因為鉑將 CO 催化，使其氧化所需 之活化能約 0 kJ/mol，反觀奈米金觸媒，催化 同一反應之活化能僅需 1 kJ/mol 左右。活化 能代表反應進行之能階障礙，若活化能高即表 示反應障礙高，通常需要較高的反應溫度，故 知鉑與金觸媒分別於低溫下催化 CO，使其氧 化之反應難易程度。奈米金觸媒除了活化能低 之外，尚可借助它與載體間的交互作用提升其 活性，而中孔洞分子篩擁有高表面積以及奈米 孔洞，是一良好的奈米金微粒支撐體，奈米金 顆粒具有特殊的催化活性，故藉中孔洞分子篩 作為支撐體製備含奈米金顆粒之觸媒 (如圖13)

[]。

五、結論

本文中介紹了三種奈米材料：奈米碳管、

奈米磁性顆粒及奈米金微粒之製備及應用。在 製備方面，簡述了目前常見的幾種奈米材料製 作方法，包含電弧氣化法、化學氣相沉積法、

噴霧乾燥法等，並分析其優缺點，提供將來在

選擇製備方法時，作為參考。在應用方面，介 紹各種奈米材料在醫療診斷、生物感測器、場 發射顯示器、觸媒等方面的研究，讓大家能瞭 解奈米科技係一跨領域之科技，期能統合創造 新的構想。

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