而药物开发是生物科技的主流 - 国家实验研究院.doc

PAGE PAGE 3 功能性生物巨分子開發與在矽基板之應用 文/圖：張家靖1,2,3*，蔡娟美2，李美儀2，張簡鵬崇2 1:國立交通大學生物科技學系2:國家奈米元件實驗室3:中央研究院物理所 摘要 生物巨分子之自組織(self-organization)、自組裝 (self-assembly)特性，已成為操作此類奈米分子形成特殊結構之重要策略。這些分子所形成之構形與其自組裝成長環境有著密切的關聯。近年來利用必威体育精装版的生物巨分子自組織操作術，我們已可改變生物巨分子之特性並賦予他們新的功能，如產生光、電與磁等特性。此外我們運用電子束蝕刻技術，我們可以進行分子層級的尺寸、形狀以及區塊空間的控制。這些微米以及奈米尺度下的技術發展，可令具活性之生物分子被電子束蝕刻的圖形所固定。運用這些在矽基版上形成之奈米圖形我們已成功的製作出非常均勻之蛋白質柱狀奈米結構。這一些研究將對奈米感測元件及新型式分子元件開發等均將有明顯的助益。 前言 近年來半導體製程技術已進入奈米時代，本中心一直致力於多種創新奈米電子元件的開發，提供不同的奈米電子元件模式的選擇。除了在Top-down 的元件製作技術加以精進外，更致力開發以Bottom-up方式的奈米電子元件開發。其中奈米元件之製程首重其重現性與均勻性，傳統使用Top-down製作的奈米線或量子點應用於奈米元件之製成上不是均勻度有問題，就是其不可重現性太高，致使無法大量製成。而使用自組裝方式(self-assembly)可以解決前述使用Top-down所製作奈米元件的缺點。生物巨分子為碳、氫、氧、氮、硫等組成之複雜有機化合物。雖然其結構複雜，但是此類生物巨分子在非均相系統中生物巨分子會受系統作用力,entropically force, 驅動下形成特定的構形及所謂之自組織，此外entropically force亦會驅動生物巨分子排列出特殊分子級圖形與結構此即為自組裝 (self-assembly)之特性。正因為生物分子具有自組織之特性，因此同一類分子在同一環境下形成之特徵結構幾乎相同，其差異性極低，而且這些分子之特徵結構大小在數個奈米左右。此外這些分子亦可藉由人為操作使其形成分子間交互作用，進而聚集形成特徵奈米結構，藉由此類特性，便可以排列出分子級的線或圖形。將這些分子加以改變，可以製作成具有導電特性、磁性、光學活性或生化反應性的元件，如此可成為應用於奈米元件上之特殊材料。此外近年來，運用分子自組裝技術以形成特殊奈米結構成為操縱奈米分子的重要方法。例如運用高分子聚合物自組裝之特性在物體表面形成自組裝單分子層(self-assembled monolayer, SAM)即為一成功的例子。此一特點已被用來製備量子點1,2、奈米線3-5以及磁性記憶體6等。結合微米以及奈米尺度下的電子微影技術與奈米生物分子操縱方法，未來將對單分子基礎研究、醫療診斷和醫藥發現上有很大的貢獻。例如DNA7、蛋白質8或是碳水化合物9生物晶片微陣列的製作即為一重要的發展。又如應用微流體系統 (micro fluidic)在特定圖案矽基版上，進行生物分析亦有著顯著的進展10-12。除此之外若能將生物巨分子以特定之構型固著在矽基版之特徵圖形上，將可用以作為生物感測系統之重要關鍵。藉由NDL所累積的矽基製程技術及電子元件設計整合能力，可將此研究成果擴大與實踐。 在功能性生物材料之開發方面，目前我們朝向功能性蛋白質與DNA等兩類分子為開發方向。如磁性蛋白、接受器蛋白質、導電性蛋白質、導電性DNA等。 導電DNA之開發與應用 隨著近幾年來科技的進步，製程設備和製程技術不斷的改進以及新材料不斷的研發之下,在我們周遭的生活中，許多的電子產品紛紛朝向輕薄短小邁進。然而當我們還在對著廣告中那即薄又輕的筆記型電腦羨慕不已時，許多的科學家已經將目光投注在奈米尺寸的電子元件上，而分子元件(molecular devices)更是當中備受注目的焦點之一。所謂的分子元件簡單的說就是利用一些特殊的技術操控分子或原子，按照人類的意願進行設計與組裝，進而製造出具有特殊功能的元件。而在許多的功能性分子當中，生物分子(biological molecules)例如:DNA分子更是備受青睞。主要是由於DNA分子是自然界最好的訊息存儲材料，以及具有自我組裝的特點，利於和現有的固態技術相互配合應用。 一個DNA (deoxyribonucleic acid)單體，主要是由一個磷酸和一個戊糖(pentose)，以及一個碱基(base)所組成，其中鹼基可分為A (adenine), G (guanine), C (cytosine)和T (thymine)四種.而早在1953年James Watson提出了DNA的雙股螺旋結構之後13，DNA的導電特性引起了許多研究團隊的興趣。例