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聚苯胺衍生物自組裝層狀薄膜之製備與研究

目前應用於有機薄膜電晶體(Organic Thin Film Transistors；OTFT)的高分子材料，為了有好的載子遷移率(Mobility)和電流開關比，許多研究團隊對於聚3-己基噻吩( Poly-3-hexyl thiophene；P3HT )層狀性質進行廣泛研究，目前為止P3HT的載子遷移率和電流開關比，是目前所有高分子中較佳的，其他高分子鮮少可自組裝成與P3HT相似的有序層狀結構，但高排列性的P3HT合成步驟困難且材料價格昂貴，因此尋找結構與P3HT類似但價格較便宜製程較方便的高分子材料成為另一個重要的研究課題。 聚苯胺為成本較低的高分子，但以一般化學聚合方法的含支鏈聚苯胺衍生物，無法有效的控制主鏈間鍵結位向，因此材料本身的型態較不易控制。而我們無意發現當聚苯胺以本實驗室所開發的同步還原取代反應(Concurrent Reduction and Substitution；CRS reaction)接上正丁硫醇後，正丁硫聚苯胺烷聚苯胺衍生物(Pan-SBu)經純化步驟得到硫氮原子數比(S/N ratio)為0.25的取代量後。只需溶在NMP中經過長時間攪拌後塗佈，即可得到Pan-SBu層狀結構薄膜，薄膜以SEM、TEM切片發現當Pan-SBu攪拌6天後開始有巨觀層狀結構產生，且以out-of-plane 和以及in-plane PXRD鑑定後，發現其層狀排列方式與P3HT類似。 為了瞭解層狀Pan-SBu是否也有與P3HT一樣具有較佳的載子遷移率，我們將Pan-SBu製成二極體元件，再以空間電荷侷限電流(Space Charge Limited Current；SCLC)公式推估得到Pan-SBu載子遷移率的範圍為9.5 × 10-6 cm2/Vs ~ 9.5 × 10-5 cm2/Vs，與P3HT層狀的二極體載子遷移率(1.33 × 10-5 cm2/Vs ~ 3.30 × 10-4 cm2/Vs)已相去不遠，因此Pan-SBu與P3HT相比不僅簡化了製程步驟也降低了材料成本，往後更有機會可將Pan-SBu應用在有機薄膜電晶體元件上。

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銀奈米粒子表面電漿共振效應對釔鋁石榴石螢光強度的影響

在本論文中，我們利用銀奈米粒子的特殊光學性質─表面電漿共振( Surface plasmon resonance, SPR )，產生的金屬增強螢光效應( Metal-enhanced fluorescence )，使得高螢光發光效率的重要商業產品釔鋁石榴石( Y3Al5O12, YAG, 螢光量子效率為 0.7~0.8 )的螢光放光強度更為增加。而且我們發現，使用聚乙烯吡咯烷酮( Polyvinylpyrrolidone, PVP )，或是聚苯胺衍生物( Pan-SBu、Pan-Cys )可以成功地在YAG顆粒上形成一層均勻的包覆膜，此高分子包覆膜可同時扮演兩種角色，第一為協助吸附銀奈米顆粒於YAG顆粒的表面上，第二為使奈米銀與YAG表面間隔一可控制的適當距離。奈米級歐傑電子能譜儀( Nano-Auger )可幫助我們量測顆粒極表面的元素組成訊號，以及其擁有解析度較高的SEM影像，進一步輔助我們瞭解表面上微小區域的元素組成；並利用高解析穿透式電子顯微鏡( HR-TEM )來觀察與量測高分子在YAG表面包覆的厚度，以及奈米銀在其表面上的分布狀態，搭配螢光放光光譜儀( PL )的量測結果，可以發現YAG螢光放光的強度，確實有隨著兩者的間隔距離以及奈米銀的數量多寡而改變。 　　我們也發現以聚苯胺衍生物做為間隔膜時，不僅僅可以控制聚苯胺衍生物在YAG表面上的包覆厚度，還可以利用由本實驗室所開發之同步還原取代反應( Concurrent reduction and substitution reaction, CRS ) 合成出各種含硫的側鏈取代基聚苯胺衍生物，使其對銀離子有更強的吸引力，並利用聚苯胺主鏈的氧化還原能力，可讓銀離子直接在YAG表面還原成長成較大且適合尺寸之銀奈米顆粒，且相較於加入現成的銀奈米顆粒，此方法可使奈米銀集中成長在YAG表面，增加奈米銀的使用效率。 　　由實驗結果得知，於YAG表面上沉積銀奈米顆粒的數量不可過多，否則會造成YAG螢光強度大幅的減弱。而含半胱胺酸( Cysteine )取代基聚苯胺衍生物( Pan-Cys )對於銀粒子的吸引力較強，可抓住更多的奈米銀粒子，而當其在YAG表面上的包覆厚度約為 10~15 nm 時，銀奈米顆粒的數量控制在少量的範圍時，可達到 1.25~1.50 倍的增強放光效果，甚至超越YAG原本的量子效率。此結果顯示銀奈米顆粒的表面電漿共振效應，確實可造成YAG的螢光放光強度增強的效果。

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研發微脂球生化感測系統應用於偵測黃體素及黃體成長素

本論文研究分為兩個部分，第一個部分為利用修飾有黃體素（progesterone）的微脂球應用於研發偵檢黃體素的免疫生物感測分析系統。研究中所使研發的偵檢平台有二：(一)樣品中之黃體素與修飾有黃體素之微脂球，同步競爭固定在硝化纖維材質之免疫分析試片上抗原捕捉區的黃體素抗體結合位，為競爭型的免疫分析法；(二)則是在可拋棄式網版印刷電極上進行抗體的定錨，再利用競爭型免疫分析法的原理進行測量。經過多種變因最佳化實驗，免疫分析試片所達到的偵測極限為 108 pg/mL，線性範圍為 10-6~10-11g/mL；而拋棄式網版印刷電極系統所達到的偵測極限則為0.83 pg/mL，線性範圍為10-4~10-13g/mL。由於男性血液中的黃體素量大約為0.3~0.97 ng/mL；而女性的黃體素量在濾泡期約為0.15~0.7ng/mL，黃體期則為2.0~25 ng/mL，這些指標皆在本研究所發展的兩種偵檢平台之有效偵測範圍內。 第二個部分為利用修飾有黃體成長素(Luteinizing hormone)抗體的微脂球用於偵測黃體成長素的免疫生物感測分析系統。研究中利使用可拋棄式網版印刷電極進行抗體的定錨，再加入黃體成長素使之成為抗體-抗原複合物。最後加入修飾有黃體成長素的微脂球形成三明治型的免疫分析進而測量黃體成長素的含量。經過多種變因最佳化實驗，我們得到偵測極限為0.23 mIU/mL，線性範圍為0.1~1000 mIU/mL，由於男性血液中的黃體成長素大約為1.24~7.8 mIU/mL；而女性的黃體素量在濾泡期約為1.68~15 mIU/mL，在黃體期約為0.61~16.3 mIU/mL，在排卵時則為21.9~56.6 mIU/mL，這些指標皆在本研究所發展的偵測器之有效偵測範圍內。此外，經過黃體素與黃體成長素的混和測試，黃體素和黃體成長素皆能維持單一感測器時的靈敏度而不受另一分析物干擾。因此本研究預期可對人體血液中之黃體成長素以及黃體素進行簡單、快速、靈敏的定量分析。

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利用榖胱甘肽調制金奈米修飾中孔洞二氧化矽奈米球之藥物釋放

奈米載體的高比表面積可以提高水溶性不佳的藥物的溶解度，提高藥物的生 物利用度及吸收力，並降低藥物的毒副作用、減少給藥次數，進而達到減少病患 痛苦的目的；此外，有別於傳統傾瀉式藥物製劑，新型的奈米藥物載體應具備藥 物控制釋放之功能，以精確控制藥物在到達標的器官或組織時釋放內容藥物的能 力。基於中孔洞二氧化矽奈米球的諸多優點(具有高表面積、孔洞體積、易修飾 性及生物相容性等)，本研究選用表面修飾胺基(amino group)的中孔洞二氧化矽奈 米球做為載體，並透過氮金原子間微弱的親和力(6 kcal/mol)，將金奈米粒子當 成矽球孔洞的阻塞劑，製備出金奈米修飾之中孔洞二氧化矽奈米球(Gold-Capped Mesoporous Silica Nanoparticles, GCMSN)做為奈米藥物載體。預期當GCMSN 進 入細胞後，由於細胞內的榖胱甘太(Glutathione, GSH)濃度稍高，因此硫金原子 的親和作用(47 kcal/mol)應可取代原本的氮金作用力，使得金奈米粒子從中孔洞 二氧化矽奈米球上脫附下來，自動啟動控制釋放的扳機(不需外來光、電、熱等 能量的輸入即可達到藥物釋放的目的)。初步的研究成果已證實，在穿透式電子 顯微鏡鏡檢及螢光光譜儀偵測下，高濃度GSH(10 mM)確實可以促使金奈米粒子 從中孔洞二氧化矽奈米球上脫附，而裝載於其內的螢光分子接著被順利釋放；此 外，我們亦成功的將疏水性抗癌藥物裝載於GCMSN 中，而透過藥物傳遞及控制 釋放，該奈米載體可大幅增強抗癌藥物對於人類肺腺癌細胞(Human Lung Epithelial Cells A549 ) 的毒殺力。研究中，我們同時亦發現，做為阻塞劑的金奈 米粒子可選擇性地誘導癌細胞的氧化壓力上升，因而對癌細胞造成氧化傷害。因 此，我們認為GCMSN 不但具備調節藥物釋放的能力，還能與抗癌藥物產生協同 效應(synergistic effect),增強其對癌細胞的療效，大幅提高對癌細胞的毒殺力。因 此本研究所合成的 GCMSN 具有相當大的潛力可以成為新一代的奈米藥物載 體。

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Carbon-Carbon Bond Formation From Heteroconjugate Addition Reactions ofUnsaturated Sulfones---Studying Toward Cyclobutane Synthesis

Heteroconjugate addition of carbon nucleophile to unsaturated sulfones is known to result in C-C bond formation. This concept was extended to utilize the carbanion intermediate for epoxide opening to end up with the formation of cyclobutane ring with stereochemical control. Study of the vinyl sulfone system indicates that the relative stereochemistry of epoxide (syn-/anti-) to the sulfonyl group is important for the cyclization step. In the limited case of compound 65a, the epoxide situated anti to the sulfone-stabilized carbanion intermediate, which led us to obtain the cyclobutane compound 64 in regio- and stereoselective manner. Not only the Brook rearrangement, in which the silly group migration from carbon to oxygen atom was obtained as the compound 59a, but also Payne rearrangement took place to give compound 59b and 59c. During the course of studies, the spiro-cyclobutene 63 was coincidentally achieved in case of compound 48b, in which the epoxide was situated syn to the sulfone-stabilized carbanion. In addition, the acetylene sulfone (alkynyl sulfone) system was also investigated. Some nucleophile provided the characteristic conjugate addition product, but some nucleophile afforded displacement product at the sulfonyl group to give alkynyl-Nu.

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Synthetic Studies on Zanamivir (Relenza)

在抗流感藥物瑞樂沙之活性物質Zanamivir合成研究中，我們以tri-O-acetyl-D-glucal (57)為起始物進行C-糖苷化反應(C-glycosidation)，得到具有 Zanamivir 基本骨架之加成產物48。我們首先進行光學異構化反應(epimerization)的研究。將加成產物48與Co2(CO)8進行錯合反應後，得到具有兩個活性中心之鈷錯合物63。在路易士酸及醋酸的環境下，化合物63
成功地進行光學異構化反應，且同時進行保護基轉換得到產物67。 在取得加成產物67後，經由七步合成，可成功地引入含氮之官能基並合成氮丙環化合物73與53。應用先前所發展的方法，進行光學異構化反應之研究：發現化合物73在光學異構化反應中矽醚基被水解，並攻擊至為路易士酸活化
之氮丙環，得到開環產物，接著進行hydrosilation得到化合物89；而化合物53，在光學異構化反應中得到了保護基轉換之產物80，並在hydrosilation完後取得化合物83，經NOESY實驗鑑定，發現其
未進行光學異構化反應。

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Cation-π 作用力對膠原蛋白穩定性及自組裝影響之探討

膠原蛋白的結構是由三條左旋第二型聚脯胺酸螺旋結構，沿著一個相同的主軸右旋轉組成，序列中每三個胺基酸有一個 Gly 、高含量的亞胺基酸和氫鍵是促進其穩定性的重要因素。另一方面， 正電荷與芳香環四極矩間的非共價鍵作用力 - cation-π 作用力，也陸續被發現其在蛋白質的 ligand 鍵結等生物辨識上的重要性。因此，我們利用一系列的主客胜系統去探討 cation-π 作用力對膠原蛋白三股螺旋的影響；我們合成了一系列胜： Ac-(POG)3-(PYGXOG)-(POG)3-NH2 ，在 X 位置為 Phe、 Tyr 、 Trp 、 Phe(4-F), 、 Phe(F5) 和 Phe(4-Me)； Y 位置為 Lys 、 Arg。 而 X 位置的 Trp 由於其立體障礙的緣故，使其形成 cation-π 作用力不如預期的大。而當 Y 位置為 Arg 的 Tm 值比 Lys 時高，因為 Arg 側鏈形狀的幾何特性，所以比 Lys 易產生 cation-π 作用力，與之前的文獻結論一致。此外，非自然胺基酸取代則顯現出，當芳香環側鏈上有電子基的去活化者 – 氟，會減少膠原蛋白模擬胜的穩定性，因其降低 π 電子密度而減弱了 cation-π 作用力，證實 cation-π 作用力對於膠原蛋白三股螺旋的穩定性有重要的貢獻。 更進一步，我們設計膠原蛋白模擬胜序列： Ac-RG(POG)8F-NH2 和 Ac-RG(POG)10F-NH2 ，發現 cation-π 作用力對促進膠原蛋白模擬胜的自組裝速率的影響。最後，我們亦試著利用 cation-π 作用力去形成異源三聚體膠原蛋白模擬胜。 以上這些結果顯示出，強健的非共價鍵作用力 – cation-π 作用力，可以被應用在穩定膠原蛋白模擬胜，及促使膠原蛋白模擬胜自組裝成高階結構。 Collagen is a right-handed triple helix composed of three left-handed PPⅡ helices. The presence of Gly as every third residue, a high content of imino acids and hydrogen bonding are significant characteristics to improve the stability of collagen. Cation-π interactions are considered as an electrostatic attraction between a positive charge and the quadrupole moment of the aromatic ring and are important in a variety of proteins that bind to ligands or substrates. Here, we used a host-guest peptide system to study the cation-π interactions in the collagen triple helix. A series of Ac-(POG)3-(PYGXOG)-(POG)3-NH2 peptides were synthesized and characterized, where X is Phe, Tyr, Trp, Phe(4-F), Phe(F5), Phe(4-Me), and Y is Lys, Arg. Owing to the steric hindrance, the cation-π interactions formed by Trp are not as stable as what we predicted. The peptides with Arg in the Y position have a higher Tm value than those with Lys at this position consistent with the previous conclusion that Arg is more likely than Lys to be in a cation-π interaction due to its geometric features. Moreover, the unnatural residue substitutions showed that an electron-withdrawing deactivator, fluorine, in the aromatic ring will reduce the thermal stability because it would reduce the π-electron density as well as the cation-π interaction. These results suggest that cation-π interactions significantly contribute to the collagen triple helix stability. Furthermore, we design another two peptides, Ac-RG(POG)8F-NH2 and Ac-RG(POG)10F-NH2 to promote the rate of self-assembly by cation-π interactions. We have also tried to use cation-π interactions to form the heterotrimeric collagen helices. These results exhibit that the strong and non-covalent force, cation-π interactions, could be applied to stabilize collagen triple helices and assemble them into a higher order structure.

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開發新型螢光分析法應用於選擇性偵測溶液中之亞鐵離子

鐵是地球上含量相當豐富的元素，不論其離子態或元素態均廣泛的分佈在自然界當中，對於生物以及環境而言都是不可或缺的。舉例來說，鐵離子(泛指鐵三價離子或是亞鐵離子)是一種必要營養素，體內鐵離子缺乏或失衡會導致許多嚴重的疾病，例如:心臟病、關節炎 或癌症等；鐵離子亦幫忙協助血紅素進行氧氣的運輸及儲存。除此之外，鐵離子在植物體內也扮演著重要的功能，鐵離子在植物體內的含量會影響植物的生長和光合作用等功能。對於許多浮游植物來說，水面的鐵離子含量會影響其光合作用之效率，間接對於二氧化碳的循環 以及氣候造成影響。基於鐵離子在許多方面皆扮演著重要的角色，本研究擬開發一新型螢光分析法來偵測水溶液樣品中的亞鐵離子。我們利用鐵離子、銅二價離子等金屬離子皆能夠加速兒茶酚類的氧化為設計基礎，先將多巴和亞鐵離子混合；多巴在亞鐵離子的存在下將被加 速氧化，再與鋅二價離子錯合並產生一綠色螢光訊號(螢光訊號之最大激發波長為370 nm，最大放射波長為500 nm)，藉由偵測此螢光訊號之強度即可反推溶液中亞鐵離子的濃度。此方法的線性範圍為1–100 μM，其偵測極限(S/N = 3)為1.23 μM。

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脯胺酸和羥脯胺酸組成之胜肽短鏈對貝它類澱粉蛋白Aβ(14-25)聚集的探討

阿茲海默症是神經退化性疾病的一種主要疾病，其主要的病理特徵是神經細胞內纖維化糾結以及腦細胞外老年斑塊，而貝它類澱粉蛋白的聚集則是造成老年斑塊的主要原因。儘管貝它類澱粉蛋白已經受到廣泛的研究，但目前其沉積聚集的機制還尚未清楚。本次實驗在探討脯胺酸及脯胺酸衍生物所組成的短胜肽鏈對於貝它類澱粉蛋白的影響。 本研究中，我們選擇貝它類澱粉蛋白中最重要的一段胺基酸序列 14-25 ( HQKLVFFAEDVG ) 來做研究，合成一系列接上聚脯胺酸或聚脯胺酸衍生物之胜肽鏈共五段 : 未接上脯胺酸 (WT-Aβ (14-25))，在碳端的位置接上六個脯胺酸 (Aβ (14-25)-(Pro)6)、順式羥脯胺酸 (Aβ (14-25)-(hyp)6) 以及反式羥脯胺酸 (Aβ (14-25)-(Hyp)6)，另外製備一胜肽，在氮端和碳端的位置上各接上六個反式羥脯胺酸 ((Hyp)6-Aβ (14-25)-(Hyp)6)。利用螢光光譜儀、穿透式電子顯微鏡以及圓二色光譜儀來探討這些胜肽鏈是否對 Aβ 沉積具有抑制的效果。最後在將這些胜肽鏈與 WT-Aβ (14-25) 混合，然後觀察其抑制類澱粉沉澱之情形。 經由螢光光譜和 TEM 的測量，我們可以知道在 Aβ (14-25) 的碳端位置接上六個脯胺酸以及羥脯胺酸都可以抑制類澱粉纖維的產生，而且羥脯胺酸抑制效果比脯胺酸還要好。然而當這些接有聚脯胺酸或聚脯胺酸衍生物的 Aβ 胜肽與原生 Aβ 胜肽混合後，並無抑制的效果。

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Proline衍生物對小螺旋蛋白的穩定性探討

Proline 可以形成 exo 或是 endo 構型，且由於立體電子效應的關係當 4R- 位置有拉電子基取代時偏好 Cγ-exo 構形， 4S- 位置具有拉電子基取代時則偏好 Cγ-endo 構形。雖然 proline 不存在於 α-螺旋結構中，但他們常出現在 α-螺旋結構的氮端，所以我們以具有36個胺基酸的雞絨毛蛋白 ( HP36 ) 作為研究之蛋白模型。 HP36 為一個小的螺旋蛋白由三個 α-螺旋結構所組成且在其碳端的 α-螺旋上有 proline (Pro62) 位於此 α-螺旋結構的氮端。在 HP36 的原始結構中， Pro62 為 Cγ-exo 構形且會與 Trp64 有 aromatic-proline 作用力。本論文將 4 號位置具拉電子基團取代的 proline 衍生物包 (2S,4R)-4-hydroxyproline (Hyp), (2S,4R)-4-fluoroproline (Flp), (2S,4R)-4-methoxyproline (Mop), (2S,4S)-4-hydroxyproline (hyp), (2S,4S)-4-fluoroproline (flp), and (2S,4S)-4-methoxyproline (mop) 置換在雞絨毛蛋白中 Pro62 的位子，觀察 proline 的構型對 aromatic-proline 作用力和螺旋結構穩定性的影響。由 CD 和 NMR 實驗結果顯示被置換過的 HP36 其結構與 HP36 的原始結構 (wild type) 差不多，由 CD 變溫實驗與化學誘導變性實驗得知除了 flp 取代外，其他 proline 衍生物的取代均造成比原始結構不穩定。我們實驗結果顯示，以 proline 的衍生物置換 Pro62 不只有立體電子效應會影響 aromatic-proline 作用力， HP36 穩定性還會受到因 proline 衍生物嵌入所造成之立體障礙疏水性作用力的影響。