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奈米科技與生物醫學:披上外套的奈米量子點

在奈米這個小世界裡,存在著嶄新的機會!結合奈米外套於多種奈米生醫材料的技術與產品,將使量子點大展長才於生醫檢驗、診斷與治療上!
 
 
 
量子點的生醫應用

當物質三個維度的尺寸都小於稱為費米波長的電子物質波波長時,內部電子在各方向的運動都會受到局限,形成了類似原子的不連續電子能階,這種物質便稱為人造原子或量子點。由於不同材料的費米波長並不相同,因此形成量子點所需的尺寸也不太一樣。一般而言,半導體內的電子費米波長比金屬長很多,例如半導體材料砷化鎵(GaAs)的費米波長約 40 奈米,在鋁金屬中卻只有 0.36 奈米。

最早在實驗室內合成量子點的是 1993 年麻省理工學院巴文迪教授(Prof. Bawendi)的研究群,他們以膠體化學法合成出奈米半導體材料硒化鎘(CdSe)。他們發現:當硒化鎘粒徑在 2.1 奈米、2.6 奈米與 4.5 奈米時,會分別發出藍色、綠色及接近紅色的螢光。這種有趣的尺寸效應,吸引了許多學者投入以鎘為主的半導體量子點研究,探討其螢光顏色的調控、螢光效能、生物相容性的提升等。

1998 年美國加州大學柏克萊分校的阿利維撒斯托教授(Prof. Alivisatos)等人,首先把量子點應用於生醫領域。其後,經過許多學者的研究,含鎘量子點的粒徑與螢光調控技術漸趨成熟。相較於傳統有機染料分子,量子點有更多生醫應用的優點:螢光亮度強、光穩定性佳(即螢光時效久,沒有光漂白作用)、用單一波長雷射就可激發不同粒徑的量子點發出多種波長的發射波、發射波狹窄且對稱、可重複激發等。

不過,大部分的研究對象都是以毒性重金屬鎘為主的半導體量子點,由於考量到生物安全性與環境保護,局限了量子點在生醫與其他方面的應用。

環保量子點

為了讓量子點能廣泛應用於生醫及其他領域,研究人員開始尋找較無毒性的量子點材料,希望能發展出低環境污染、低生物毒性、高生物相容性的環保量子點。

以鋅為主的 II-VI 族半導體材料,如氧化鋅、硒化鋅、碲化鋅等,是最早被研究的較低毒性環保量子點。不過它們被激發出的螢光都落在容易被生物分子吸收的紫外光範圍,並不適用於生醫領域的應用。因此,有人以摻雜二價金屬離子(錳或銅離子)的方法來調控其螢光波長,使其落在可見光的範圍內。

雖然這些螢光在可見光範圍的量子點可以適用於一般的細胞體外培養、淺層的組織體外培養、淺層的原位觀察,以及體內動物淺層組織的研究中,但是其螢光效能沒有以鎘為主的量子點高,且螢光也無法穿透較深層的組織,難以應用在動物實驗中。

於是研究人員進一步以 III-V 族半導體如磷化銦等,發展出被激發的螢光波長落在紅外光範圍內的量子點,讓即時與長期觀測動物的生長代謝機轉成為可能。

另外,近年來也有人嘗試以不同方式來合成非半導體材料的環保量子點。這種螢光波長與尺寸密切相關的量子點特性,並非只存在於半導體材料中,也會發生在金、銀、以碳為主或以矽為主的材料上,其螢光波長範圍甚至包括了從紫外光到紅外光的全波長。

雖然這些已開發量子點的合成過程所使用的材料與所生成的產物較無毒性,且這些量子點材料在塊材時也無毒性,但是當其尺寸小到幾個奈米,甚至幾個埃(0.1 奈米)時,是否仍無毒,是否容易堆積在體內等問題,仍需更近一步進行細胞與動物實驗才能得知。

僅管如此,從這些較無毒性量子點材料的研究中,不難推知應該還有許多無毒性材料值得開發。如果量子點材料本身已經較無生物毒性且環保,其表面再以生物相容性高的分子做表面修飾與生物接枝,將使螢光量子點的生醫應用更無後顧之憂。

多功能奈米外套

剛合成的量子點幾乎都是疏水性的奈米粒子,無法直接與生物分子作用,因此在進行各種生醫應用之前,必須先把粒子表面修飾成親水性。中原大學和德國慕尼黑大學的研究人員共同發展出的多功能奈米外套,就是能把疏水性奈米粒子修飾成親水性,同時能讓奈米粒子含有多種具表面修飾設計功能的兩性高分子。

一般修飾奈米粒子表面的親疏水性,是以兩性高分子的疏水端與奈米粒子的疏水表面形成交叉結構,把奈米粒子包在數個兩性高分子裡面,使得兩性高分子的親水端暴露在外,奈米粒子表面因此成為親水性。除了一般兩性高分子水相改質的作用及改質後能運用接枝技術連結所需物質外,多功能奈米外套還能依使用需求,直接在兩性高分子上連接特定的官能基或物質,再把量身訂做的奈米外套穿在奈米粒子上。

這種新型兩性高分子奈米外套不但已經成功地使多種疏水性奈米材料改質,如量子點、量子柱、磁性及貴金屬奈米粒子等,還能讓改質後的奈米材料擁有特定的官能基或其他分子結構。也就是說,多功能奈米外套就好像是一個可以讓量子點擁有多隻與外界物質接觸的手(官能基),有的手已經抓住了某些工具,如磁性奈米粒子、傳統染劑、抗體、藥物或其他量子點,可以發揮特定的功能,如核磁共振影像偵測、螢光顯影、標定生物分子、生理調控等;有的手則仍空空,但具備抓取其他分子的能力。

當量子點穿上多功能奈米外套後,除了可以讓量子點進行生醫檢測、細胞標定、長期生物分子追蹤等應用外,還可以讓量子點跟其他的生物分子或奈米材料進行特定結構的組裝,是設計更複雜的奈米元件或奈米機器人的利器。如果同時配合無毒性且高生物相容性環保量子點的開發,將能讓量子點在生醫領域的應用更大放異彩。
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