2011年1月24日

2011國際化學年‧應用—利用奈米感測器偵測形形色色的物質

作者/項燕君(就讀台灣大學化學系)、林宗宏、黃銘峰(任職台灣大學化學系)、張煥宗:任教台灣大學化學系

2011年是居禮夫人獲得諾貝爾化學獎100周年,也是聯合國所訂定的國際化學年,主要就是為了紀念化學對人類社會的貢獻。舉凡日常生活常見之塑膠產品、電池、醫藥等皆和化學有關,此類產品的開發和人類對構成物質之元素,以及這些元素如何形成分子甚而成為巨分子的了解有關。面臨能源短缺、環境汙染、癌症等疾病的威脅,化學家更扮演舉足輕重的角色;近年來,化學家已開發許多可用於新能源材質、癌症檢測,及治療和移除重金屬汙染源等奈米物質。本文將介紹本研究室近年來所開發之奈米感測器及其應用,讓大家認識化學在檢測各式物質上扮演的重要角色。

前言

奈米材料具備尺寸微小、單位體積的表面積較大(表面能也隨之增加)及量子效應等特性,故其熱、磁、光、電等性質與其塊材有所不同。由於其特殊之功能性,奈米材料已被視為極具發展潛力之材質,目前已被應用在各領域,包括感測器、催化劑、新能源及醫藥等。以金奈米粒子(gold nanoparticles, Au NPs)為例,因其具備生物安全性、穩定性、特殊光學活性、高的吸光性及表面易於被辨識分子修飾(因其和硫醇分子間有較強的Au-S 鍵結)等優勢,已成為目前最被廣泛研究之奈米材料。

感測器指的是和分析物具有特異性作用,而改變訊號(如光及電)之器材,因此藉由訊息的改變可以偵測出分析物的多寡。近年來,本實驗室秉持綠色化學的概念,陸續發展出數種水相化學還原法來製備不同形狀及大小的金及金銀複合奈米材料。由於是在室溫室壓下進行反應,因此可避免使用有機溶劑所造成的汙染及減少能源的消耗。圖一為不同形狀之金銀奈米棒溶液顏色及其電子顯微鏡影像。此外,我們也透過在奈米材料表面修飾上特定的辨識分子,開發出對金屬離子及生物分子具高靈敏性及選擇性的奈米感測器。

圖一:不同形狀之金銀奈米棒之溶液顏色及其電子顯微鏡影像。

我們所開發的感測器主要利用奈米材料的二種特性:其一為當分析物和奈米材料表面所修飾之辨識分子作用時,會造成奈米材料聚集而有吸收峰位移或螢光(在光激發下,物質放出之光的一種)下降的現象,此類感測器甚至可直接藉由肉眼來觀測其溶液顏色的改變或螢光強度的消退;另一個特性則是因為奈米材料的吸光性高,可以在能量轉移機制中扮演高效率的消光劑,讓光減弱而被偵測。

金屬離子感測器

目前測量金屬含量的主要技術之一為感應耦合電漿質譜儀(inductively coupled plasma-mass spectrometry, ICP-MS),但受限於造價昂貴、使用大量昂貴惰性氣體及不適合即時分析等缺點,故利用奈米感測器來測量水溶液樣品中之金屬含量漸漸受到重視。以汞為例,汞屬於全球性環境汙染物,不同形態的汞物種對於人體的毒害也不盡相同。一般而言,汞離子進入人體後,藉由汞–硫鍵(Hg-S)與體細胞之物質結合,而影響蛋白質及∕或酵素功能性,進而造成腎臟、神經系統麻痺,甚至畸型兒童等病變,因此對於汞的危害不可輕忽,故其感測器的
開發也是刻不容緩的。【更詳細的內容,請參閱第493期科學月刊】

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