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利用螢光奈米鑽石做生物標記的開發與應用

生物研究上,螢光標記是常用的研究方法之一,但常用的螢光標記物 質,如有機螢光染劑、量子點等有光漂白的問題或是具生物毒性而影響生物活性, 這些都會降低研究結果的準確性。相較而言,螢光奈米鑽石能永久維持螢光性質 並具有非常好的生物相容性,沒有量子點會光閃爍而不利於觀察的缺點,在生物 標記上也能做長期及連續的追蹤,因此做為生物標記的工具極具潛力。然而螢光 奈米鑽石在生物研究常用的緩衝溶液中容易聚集 (agglomeration) 的問題,讓 生物標記無法成功達到專一性及良好的影像解析。因此本篇利用白蛋白(albumin protein) 以簡易吸附的方式修飾到螢光奈米鑽石表面上,避免螢光奈米鑽石聚 集的問題,且證明能長時間在生物緩衝溶液 (Phosphate buffered saline, PBS) 中維持良好的懸浮性。 再者,本實驗利用懸浮性良好的螢光奈米鑽石 (albumin-FND)表面的白 蛋白之胺基 (amine group) 位置,將生物素 (biotin) 分子共價鍵結在白蛋白 上成為我們的標記探針 (biotin-albumin conjugated FND)。而我們將具有生物 素分子的 CD44 抗體或霍亂毒素次單元 B 在辨認細胞表面專一性的位置後,利用 卵白素 (streptavidin protein) 與生物素之間極高的親和性來與標記探針 (biotin-albumin conjugated FND) 做連接,並成功得到專一性的螢光標記及良 好的螢光解析。

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雙晶片-多維度氣相層析模組開發與研製

本研究藉由微機電製程技術(micro electro mechanical system ,MEMS)製作單管柱氣相微層析晶片與多管柱平行分離氣相微層析晶片(μ-column)，微層析晶片大小為3 cm × 3 cm，選擇Stop-flow GC × GC為系統架構，配合多管柱微層析晶片為第二維分離管柱，且塗佈不同選擇性的靜相材料(DB-1、OV-225、OV-210)於各管柱中，建構Stop-flow GC × GCs系統，第一維微層析晶片無法分離的混合物，可利用第二維不同選擇性的三個分離管柱分離，且同步得三張不同結果的3D層析圖譜，此模組可以最短管柱分離複雜混合物，各層析圖譜流經的管柱長僅4公尺。 選擇14種沸點差距70 ℃揮發性有機氣體(VOCs)為待測氣體，其中有四組混合物無法被第一維(DB-1)微層析晶片分離，且每一組混合物僅含兩種化合物，利用第二維微層析晶片的三個管柱便能有效分離，更進一步挑戰17種沸點差距47 ℃的混合物進行分離測試，此組混合物有兩組訊號峰各含有7種與3種化合物，複雜度較14種化合物高，更能表現此膜組的分離效果。 任一化合物在固定實驗參數下進行實驗，3組3D層析圖譜可得3組座標(x，y)，x與y座標為第一維與第二維微層析晶片滯留時間，3組座標可做為其身分證明並建立資料庫，配合3組3D層析圖譜可有效進行定性分析。

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以理論計算方式探討以下反應機構：I.Pt(111)和Ni(111)表面上的C-N鍵結合反應 II.Pt(111)表面上以CHxNO為起始物之HCN生成反應

第一部分：Pt(111)和Ni(111)表面上的C-N鍵結合反應 我們使用周期性密度泛函理論來研究Pt(111)和Ni(111)表面上的C-N鍵結合反應，這是工業上用來製成氫氰酸(HCN)的重要催化反應。這個反應包含以下幾個部分：CH4和NH3的脫氫、反應物和產物(CHx、NHy和CHxNHy；x=0-3、y=0-2)的吸附、反應分子在表面上的移動以及C-N鍵結合反應。根據我們的計算結果，反應物CHx和NHy在Pt(111)/Ni(111)表面上的吸附能為7.41/6.91、6.97/6.52、4.58/4.39、2.19/2.01 eV以及5.10/5.49、4.12/4.79、2.75/2.87 eV，符合以下規律：C > CH > CH2> CH3以及N > NH > NH2；而產物的吸附能則是在Pt(111)上CNH2最佳，在Ni(111)上NCH3最佳。在C-N鍵結合的部分，不同表面上的活化能及反應熱都不盡相同，但它們的起始物、過度狀態以及產物的吸附結構都非常相似。其中，在Pt(111)表面上， CH2+NH2有最低的活化能；而在Ni(111)表面上，則是CH+NH2有最低的活化能。我們也使用了電子態密度(LDOS)、電子局域密度函數(ELF)以及電荷分析，用以佐證我們的計算結果。 第二部分：Pt(111)表面上以CHxNO為起始物之HCN生成反應 我們使用周期性密度泛函理論來研究HCN在含氧情況下的生成反應，用以模擬HCN工業製成中的Andrussow process。我們使用NO (由O2氧化NH3產生)和CHx (由CH4脫氫產生)結合成的CHxNO (x=0-3)為起始物，研究其生成HCN的反應機構。根據我們的計算結果，CHxNO吸附在Pt(111)表面上之吸附能分別為4.11、1.91、2.04和2.12 eV。其中，從CH3NO生成HCN之最可能反應路徑為：CH3NO依序斷兩個C-H鍵形成CHNO，CHNO進一步氫化成CHNOH後再斷N-OH鍵形成最終產物HCN。此步反應之速率決定步驟為CH3NO(a)→CH2NO (a) + H(a)，活化能為1.22 eV。

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高分子弦振動式氣相層析感測器之原理開發

本研究嘗試開發以機械波振幅變化為原理的新型態感測器，其原理是藉由一揚聲器發出特定振幅以及頻率的正弦波，並透過一高分子弦傳遞至另一端收音器上被電腦記錄，經傅立葉轉換後可得到該頻率之強度，藉由氣體分子接觸高分子弦的吸附行為，造成高分子弦之質量與機械性質改變，進而引起振幅衰減而被觀察出。而此感測器藉由不同的設計，可以將其串聯於大流量的動態氣體生成系統，其偵測下限最低可感測到59.6 ppm的Butyl acetate以及101 ppm的Toluene之有機揮發性氣體。此裝置串聯於氣相層析儀上作為感測器使用時，實驗中將七種不同官能基之有機氣體混和後注入，經管柱分離後可得到相對於各樣品的訊號峰，其LOD最低可測得0.5 μg的m-Xylene，並比較高分子弦在不同條件下其長度、粗細等對偵測特性的影響，同時對於操作頻率、讀取訊號等方法，加以探討。此感測器未來應用在氣相層析具有獨特的優點。目前已證實原理的可行性，靈敏度等提升方法則仍在研究中。

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開發奈米材料-生物分子複合體及其在生物系統的應用

近年來，奈米材料-生物分子的複合體應用在DNA偵測和RNA干擾是持續被發展的課題。在本研究中，我們發展了新的技術---利用二氧化矽螢光奈米管簡單並靈敏地偵測DNA。嵌進量子點的二氧化矽奈米管是以陽極氧化鋁為模板，藉著溶膠-凝膠法來製造。接著，將不同顏色的二氧化矽螢光奈米管固定上單股的DNA，把它當成奈米探針，在溶液中偵測具有螢光標示的目標DNA。我們利用光激螢光光譜，共軛焦顯微鏡和穿透式電子顯微鏡來檢驗二氧化矽螢光奈米探針的光學和結構特性。在普通顯微鏡下，經由肉眼可以很明顯地觀察到二氧化矽螢光奈米探針在成功偵測到目標DNA後的顏色改變。定量分析顯示，單根二氧化矽螢光奈米探針內只要有100 attomole (10-18摩爾) 的目標DNA，就可以產生可辨視，可觀察到的顏色變化。這些偵測的結果也證明我們的偵測試驗展現了高特異性，高選擇性和非常低的非特定吸附。我們以二氧化矽螢光奈米探針設計出的DNA偵測試驗被預期在快速的DNA掃描和偵測方面的應用是相當有用的。 更進一步地，我們藉著金奈米材料-短片段核糖核酸複合體的調控，來研究以短片段核糖核酸所造成的基因沉默現象的動力學。和動力學相關的因子---複合體的濃度，複合體的服藥次數和細胞繁殖雙倍的時間---分別被研究。這三個因子造成增強綠色螢光蛋白沉默50 %或更少百分比的持續時間也被研究。我們發現沉默持續時間和複合體的濃度呈現自然對數的關係。但是對於其他兩個因子---複合體的服藥次數和細胞繁殖雙倍的時間---則和沉默持續時間呈現線性的關係。根據這些關係，經由短片段核糖核酸調控的，預期的基因表現程度可以被設計出來。對於研究和治療的需求來說，延長的沉默持續時間可以透過改變複合體的濃度和(或)服藥次數來達成。除此之外，選擇模式細胞 (和細胞繁殖雙倍的時間有關)對於延長沉默持續時間是有幫助的。最重要的是，在核糖核酸干擾的應用方面，這些關係式可以大大地減少反覆嘗試錯誤的機會。我們的研究在核糖核酸干擾的治療應用方面具備很高的潛力。

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利用雙官能基硫脲為有機催化劑及1,5-雙氟基-2,4-二硝基苯合成掌性異噁唑類衍生物的研究

本論文是延續本實驗室先前已畢業的研究生之研究，利用兩個分開的步驟來合成掌性的雙環異噁唑類化合物，首先，以β-硝基苯乙烯與丙二酸酯類衍生物作為起始物並以雙官能基硫脲有機催化劑提供不對稱環境進行1,4-共軛加成反應時引進一個立體化學中心，之後以此具光學活性之硝基烷化物進行分子內氧化腈經1,3-偶極環加成反應來合成具掌性的異噁唑類衍生物。

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一、L-脯胺酸衍生之有機催化劑在Friedel-Crafts / Cyclization連鎖反應之探討 二、有機催化雙萘酚氧化偶合反應之探討

本論文共分為兩大部分：第一部分為利用本實驗室所合成的L-脯胺酸衍生之有機催化劑，應用於不對稱Friedel−Crafts/環化連鎖反應，以4-硝基肉桂醛51a與3,5-二甲氧基酚49為起始物，進行最佳條件的篩選。經過一列的探討（催化劑篩選、溶劑效應、添加劑效應、溫度效應、濃度效應以及改變取代基等），最後在0 oC下，3,5-二甲氧基酚49與1.2當量的4-硝基肉桂醛51a為反應試劑，加入10 mol %的催化劑50與20 mol%的鹼添加劑1,8-二氮雜二環[5.4.0]十一碳-7-烯，甲醇作為溶劑的條件下，得到最佳的產率以及立體選擇性。 第二部分亦是另用L-脯胺酸衍生有機催化劑，探討氧化偶合反應。以2-萘酚作為起始物，空氣作為氧化試劑，進行最佳催化劑、金屬試劑、取代基的篩選。得到以2-萘酚124為催化劑，加入20 mol%催化劑146以及金屬試劑碘化亞銅，可以得到最高的產率（>99 %）。

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氟化PEDOT:PSS介面之偶極回復S-shaped曲線並提升有機太陽能電池耐久度之應用

PEDOT:PSS高分子在有機太陽能電池中常用來當作電洞傳導層，具有吸水性，在工業生產製程上造成增加環境控制成本、降低良率、與增加設備維護成本。本研究中提出了一種簡單、低成本、容易施行、且可與現行製程具高度相容性之方法，預期可以大幅度降低生產過程中環境控制成本與提升產品良率及耐久度。 本研究中的有機太陽能電池以ITO基板塗佈上PEDOT:PSS成膜再利用旋轉塗佈P3HT與PCBM混合層(blend)當作吸光材料，並蒸鍍BCP當作電洞阻擋層(hloe blocking layer)和Ag當作陰極。 控制環境濕度後可以控制環境濕度對PEDOT:PSS的影響造成S-shaped曲線發生，利用含氟分子修飾改質後，成功使S-shaped曲線回復為理想的二極體曲線。進一步探討機制為在PEDOT:PSS與P3HT:PCBM介面形成理想的偶極方向，增加電洞傳導與電洞收集能力，此外，提升元件效率高達20%。 提高元件的耐久度研究上，相較於標準元件其耐久時間可延長三倍。元件封裝後經過一個月，未經氟修飾之元件，效率只剩下0.61%，而經過F2含氟分子修飾之元件效率為1.88% 。 探討效率降低的主要原因是來自Voc的大幅下降(從0.64 V降至0.45 V)，原因在於BCP緩衝層損壞所造成。

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螢光蛋白質吸收基團類似物 4-Arylidene-5-imidazolinones 的簡易合成

本論文主旨為GFP 吸光基團類似物的合成研究。利用N-acylglycine為起始物，在醋酸酐/ 醋酸鈉的條件下與各種具取代基的苯甲醛進行Erlenmeyer azlactone synthesis反應形成4-arylidene-5-oxazolinone衍生物。首先使用一級胺 (如methylamine或benzylamine) 在室溫下對oxazolinone進行開環，形成含有N-alkyl-2-acylamido-3-arylacrylamide的直鏈結構，接著使用本論文的合環條件，以pyridine作為溶劑和反應試劑，對開環化合物進行脫水合環反應形成4-arylidene-5-imidazolinone衍生物，我們將此方法應用於不同受質上並都得到理想的產率。當使用不同的N-acylglycine和一級胺進行反應可以得到1,2位不同取代的4-arylidene-5-imidazolinones，而使用苯環對位含取代基的苯甲醛則可以得到各種對位取代的benzylidene。此外，我們也發現了比以往更佳的Mitsunobu反應合環條件，並在往後做不同substrate的測試。 同時，我們成功的利用selenium dioxide作為氧化劑將4-benzylidene- 1,2-methyl-5-imidazolinone的2位甲基氧化成醛類，並且將產物加入ethyl cyanoacetate進一步形成ethyl 3-(4-benzylidene-1-methyl-5-oxo-4,5-dihydro-imidazol-2-yl)-2-cyanoacrylate作為可能的有機染料衍生物。 關鍵字:GFP 吸光基團類似物

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氣相層析-哨式偵測器的開發與研究

本研究開發了應用於氣相層析儀(gas chromatography)的哨式偵測器。哨式偵測器比熱傳導偵測器高出一個數量級的靈敏度。哨式偵測器可以直接與氣相層析儀的毛細管柱結合。管柱氣體以及外加的鞘流氣體通過哨式偵測器後會產生聲音，此聲音可以簡單的由麥克風接收再由LabVIEW的內建程式做傅立葉轉換(Fourier transform)後，可得到非常尖銳的頻率訊號(半高寬約為1.6 Hz)。分析氣體可經由滯留時間進行定性，並由哨式偵測器產生頻率訊號的變化量，對分析氣體進行定量的分析。當管柱氣體以及鞘流氣體使用氮氣的情況下，對各種不同氣體進行偵測，包括氫氣、氦氣、氬氣、二氧化碳、二氧化硫以及氙氣，各氣體偵測極限約在3 μL，並且發現單位體積頻率變化量與分子量具有線性關係。在偵測液體部分，包括甲醇，環己烷，四氫呋喃，正己烷和丙酮，各液體偵測極限約在10 μg。將管柱氣體以及鞘流氣體改為氫氣的情況之下，可以改善哨式偵測器的偵測極限。以偵測丙酮為例，線性範圍在0.2~200 μg。此外，本實驗也嘗試利用阿達瑪進樣器，使待分析的氣體依據阿達瑪序列注射至氣相層析-哨式偵測器進行偵測，阿達瑪轉換技術最大的特點是能將低於偵測極限的訊號提升，利用255次、511次、1023次以及2047次的阿達瑪序列成功的提升二氧化硫的偵測極限的訊號峰7.4倍、9.7倍、15.2倍以及21.1倍。