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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
中研院原子與分子科學研究所的張煥正特聘研究員，運用師承自李遠哲院士的離子束技術，製作出世界首創的螢光奈米鑽石，可應用於追蹤生物分子的運作機制、攜帶藥物分子、以及標示幹細胞和免疫細胞等等。
本文專訪張煥正，一探「螢光奈米鑽石」的原理，與堅持十多年的研究動力。後方是實驗室自製的小型離子加速器，可以用來製備螢光奈米鑽石。 攝影│張語辰
螢光奈米鑽石和一般鑽石有什麼不同？
首先我們從鑽石的結構談起，鑽石為 sp3 結構，也就是碳原子以四面體的方式架構，每個碳原子都與另外四個碳原子相接。這種堅固嚴密的四面體，讓鑽石成為自然界中最堅硬的物質。
鑽石中碳的 sp3 四面體結構，每一個碳原子有 4 個緊鄰的碳原子。
資料來源│〈碳奈米結構的美〉，作者：李偉立
因為鑽石碳原子的結構緊密、形成的晶格很小，其它較大的原子不易參雜；自然界中最常見的雜質是和碳原子大小相近的氮原子、硼原子，這些雜質也是彩鑽形成顏色的原因之一。奈米鑽石的結構和一般鑽石相似，但透過一些加工方法，可以讓奈米鑽石發出具有利用價值的光芒。
首先，我們用高溫高壓將碳元素合成奈米鑽石粉末，接著利用高能量的電子束或離子束轟擊，讓結構中產生空缺。再高溫加熱，促使空缺移動到參雜的氮原子旁，形成「氮-空缺顏色中心」(nitrogen-vacancy color center, NV)，就成為會發光的「螢光奈米鑽石」。我們把它的英文命名為 Fluorescent Nanodiamond，縮寫 FND。
螢光奈米鑽石晶格結構中，可以看到空缺 (V) 在氮原子 (N) 旁邊，形成「氮-空缺顏色中心」，是發光的關鍵。黑色的球是碳原子。
資料來源│Acc. Chem. Res. 2016, 49, 3, 400-407
圖說重製│張語辰
奈米鑽石可以發光，關鍵是因為有上圖中的「氮-空缺顏色中心」。當含有「氮-空缺顏色中心」的奈米鑽石受到黃綠色光 (波長 500-600 nm) 照射，會發出波長大約是 700 nm 的紅光，這紅光可以透過光學顯微鏡偵測到。
螢光奈米鑽石有什麼功用？
螢光奈米鑽石所含的碳和氮，都是生物體內最常見的元素，因此與生物體具有高度的相容性，經檢測也發現這種材料的生物毒性非常低。所以我們可以把螢光奈米鑽石放到生物體內，藉由它所發出的紅光，來追蹤想追蹤之標的，例如幹細胞、免疫細胞等等。
圖片中的「生物組織近紅外窗口 (NIR Window)」，這段波長範圍剛好躲掉了人體血液、組織及水份的吸收帶，讓光能夠抵達人體深處。而螢光奈米鑽石發出的紅光(紅色曲線)，波長大約 700 nm，可穿透生物組織，適合用於活體成像。
資料來源│〈螢光奈米鑽石〉，作者：張煥正
現今的生物醫學研究中，「細胞療法」相當熱門，也就是取用自身的免疫細胞、幹細胞，先在體外培養好，再打回體內進行治療。但是這些免疫細胞、幹細胞打回體內後，如何知道它們往哪跑？有沒有真的修復受傷的組織？這種情況就可以利用螢光奈米鑽石幫忙追蹤。
螢光奈米鑽石可以用來追蹤細胞的動向，也能測量細胞的數量。
舉例來說，我們團隊和中研院細胞與個體生物學研究所的游正博教授合作，將螢光奈米鑽石放到老鼠肺部的幹細胞內，並觀察確認不會影響到幹細胞的生長及功能，之後再將這些幹細胞打回肺部已經受傷的老鼠體內，讓幹細胞去修復受傷的肺部。
一週後，我們取出這隻老鼠的肺部組織，用共軛焦螢光學顯微鏡來觀察，尋找螢光奈米鑽石釋放的紅光，結果真的可以追蹤到幹細胞，也能看出打入的幹細胞跑到肺的哪個部位。這樣就能協助提供資訊，證明幹細胞的療效，或是優化之後的幹細胞治療方法。（註一）
利用螢光奈米鑽石追蹤幹細胞。
資料來源│〈螢光奈米鑽石〉，作者：張煥正
圖說重製│張語辰
因為螢光奈米鑽石和生物體高度相容，還能設計螢光奈米鑽石的尺寸大小，所以也能用來攜帶藥物分子，目前實驗測試在生物體內不會引起免疫和發炎反應。
例如，我們和中研院生物醫學科學研究所謝清河研究員、暨南大學應用化學系吳志哲教授合作，實驗用螢光奈米鑽石攜帶一種稱為肝素 (heparin) 的藥物。（註二）
很多血栓病患需要服用肝素，這種藥物有抗凝血作用，能夠把血栓分解掉；但肝素是小分子藥物，很容易穿過血管壁、跑到組織液中被代謝，造成病患必須持續服藥。因此我們把肝素接到大小 30 奈米左右的螢光奈米鑽石上，肝素藥物整體體積變大後就不會那麼容易穿過血管壁，透過小鼠模型實驗，可以在血液中停留較長時間，藥物作用時間拉長，也就可以降低服用的劑量。
螢光奈米鑽石未來的發展？
螢光奈米鑽石可以應用於生物醫學，但其實生物學家做實驗有自己的標準流程，因此我們主要是用螢光奈米鑽石來解決過去不能解決的問題，補足現有生物技術做不到的功能。
以前面介紹的老鼠肺部幹細胞標記為例，生物學家較習慣使用「螢光蛋白」來標示生物分子，運用螢光蛋白需對幹細胞做基因修改，但基因修改可能會影響幹細胞的功能。因此這方面的實驗其實很適合改用螢光奈米鑽石，因為不會對幹細胞的功能產生影響。
此外，奈米鑽石的螢光強度幾乎不會降低，非常穩定，維持個 100 年都沒問題（笑）。
至於其他熱門的生物應用奈米材料，例如奈米金、奈米碳管、石墨烯等，都被認為很可能對人體有毒。像是奈米金，金原子本身可能沒有毒性，但在製作奈米金的過程需要加入界面活性劑，界面活性劑則被認為可能有毒；但若不加入界面活性劑，奈米金原子又很容易聚在一起，而無法達到使用目的。
另外，奈米碳管和鑽石雖然都是由碳原子組成，但奈米碳管在製作過程中，需加入很多對人體有毒的金屬催化劑；加上奈米碳管的碳原子排列是 sp2 結構，也就是呈現三角形的平面結構，應用時若進行酸洗等表面加工修飾，很容易破壞 sp2 結構，所以也不太適合生物醫學實驗。
在未來發展上，螢光奈米鑽石受限的關鍵，在於目前美國食品藥品監督管理局 (FDA) 還沒核可進行人體實驗，因為 FDA 傾向核可生物可分解材料 (Biodegradable)。螢光奈米鑽石雖然對生物體內的細胞功能沒有影響，但不會被生物降解，所以目前螢光奈米鑽石的研究集中在小鼠、大鼠和迷你豬（註三）的臨床前實驗。
螢光奈米鑽石有什麼魔力，讓人想持續研究？
1997 年我想出「螢光奈米鑽石」這個點子，但那時還沒有適合的技術，經歷一段空窗期做不出來。直到 2005 年有了 Google ，我搜尋到其實中研院物理所就有加速器，可以用來轟擊奈米鑽石，就從那時開始研究螢光奈米鑽石，至今已經 13 年。
螢光奈米鑽石的製程條件很嚴苛，要說是什麼因素支持我持續研究，第一當然是，我覺得這真的很有趣（笑）。而這十多年來我們研究團隊也累積了許多世界領先的研究成果。像是最開始製作螢光奈米鑽石的材料，為了產生鑽石的「氮-空缺顏色中心」空缺，我們在實驗室建造了一台四萬電子伏特的離子加速器來進行量產，是全世界首次證明螢光奈米鑽石可以量產，國內外許多實驗室也來跟我們索取螢光奈米鑽石進行合作。
由於螢光奈米鑽石是我們第一個製造，算是 MIT (Made in Taiwan) 的產品，因此我們也堅守這個材料的命名權，將它正名為 FND (Fluorescent Nanodiamond)。我們實驗室自己量產 100 公克的螢光奈米鑽石也用不完，所以很歡迎提供給全世界有需要的團隊使用。各國團隊和我們合作索取、或購買螢光奈米鑽石的材料做研究都可以，但發論文時提到這個材料，我們會要求對方稱呼我們定訂的「FND」 這個名字。
目前全球使用螢光奈米鑽石的研究團隊超過 100 個，來自 20 個以上的國家。這些國外研究團隊的論文，除了發表於國際期刊如 Nature 及 Science，論文裡都會註明螢光奈米鑽石的材料產地是來自中研院，並引用我們團隊的研究成果，算是一種讓臺灣在國際間被看見的方式。
螢光奈米鑽石材料製備好，可以供給大家方便使用，這很重要，否則只是自己做高興而已。
基於對螢光奈米鑽石的熱愛，我們研究團隊也花了三年的時間寫了一本《Fluorescent Nanodiamonds》英文專書，有系統地介紹螢光奈米鑽石的原理、應用和發展等等。這是我這幾年最得意的一件事，不為了論文數量、升等壓力，純粹就只是想將喜愛的知識傳播出去。因為我們收到很多人邀稿，想說就自己寫一本書，沒想到寫了三年才完成了三百頁。過程要和學生討論，要找漂亮圖片，還要寫得有趣，真是不容易。
張煥正團隊著作的英文專書，介紹螢光奈米鑽石在生醫、物理、化學、天文等不同面向的應用與發展， 2018 年 11 月發表。
圖片來源│Google books
打造技術平台，讓大家想到螢光奈米鑽石就想到臺灣
至於未來的規劃，我們團隊正在建立「追蹤體內治療細胞之奈米技術平台」，簡單來說就是建立一個檢驗中心，協助大家運用螢光奈米鑽石做研究。只要你把樣品送過來，我們就能幫你將螢光奈米鑽石放入細胞、定量、回收、取得影像等等，完成這些標準流程。
其中定量是非常困難的技術，你可以想像，每次打入小鼠體內的螢光奈米鑽石總重量不到 10 微克，但一隻小鼠重量大約 10 克，之間的數量級差距達一百萬倍，要找到螢光奈米鑽石就像大海撈針。
因此我們希望發揮所擁有的技術優勢，訂一套標準作業程序 (SOP, standard operating procedures)，協助合作的團隊進行生物分子標記、確認細胞療效等等。希望能做到當有團隊要驗證某種細胞療法有沒有效果時，就想到要拿來臺灣找我們進行檢驗。我認為這樣才有前瞻性，也能向全世界證明，臺灣的研究能力不容小覷。
延伸閱讀
- 張煥正的個人網頁
- 科普文章〈螢光奈米鑽石〉，作者：張煥正
- 演講影片〈奈米鑽石的前世今生〉，講者：張煥正
- 演講影片〈居禮夫人的奈米螢光寶石〉，講者：張煥正
- (註一) T.-J. Wu, Y.-K. Tzeng, W.-W. Chang, C.-A. Cheng, Y. Kuo, C.-H. Chien, H.-C. Chang, and J. Yu, “Tracking the engraftment and regenerative capabilities of transplanted lung stem cells using fluorescent nanodiamonds,” Nat. Nanotechnol. 8, 682–689 (2013).
- (註二) H.-C. Li, F.-J. Hsieh, C.-P. Chen, M.-Y. Chang, P. C. H. Hsieh, C.-C. Chen, S.-U. Hung, C.-C. Wu, and H.-C. Chang, “The hemocompatibility of oxidized diamond nanocrystals for biomedical applications,” Sci. Rep. 3, 3044 (2013)
- (註三) L.-J. Su, M.-H. Wu, Y. Y. Hui, B.-M. Chang, L. Pan, P.-C. Hsu, Y.-T. Chen, H.-N. Ho, Y.-H. Huang, T.-Y. Ling, H.-H. Hsu, and H.-C. Chang, “Fluorescent nanodiamonds enable quantitative tracking of human mesenchymal stem cells in miniature pigs,” Sci. Rep. 7, 45607 (2017)
- W. W.-W. Hsiao, Y. Y. Hui, P.-C. Tsai, and H.-C. Chang, “Fluorescent nanodiamond: A versatile tool for long-term cell tracking, super-resolution imaging, and nanoscale temperature sensing,” Acc. Chem. Res. 49, 400–407 (2016).
- V. Vaijayanthimala, P.-Y. Cheng, S.-H. Yeh, K.-K. Liu, C.-H. Hsiao, J.-I. Chao, and H.-C. Chang, “The long-term stability and biocompatibility of fluorescent nanodiamond as an in vivo contrast agent,” Biomaterials 33, 7794–7802 (2012).
- S.-J. Yu, M.-W. Kang, H.-C. Chang, K.-M. Chen, and Y.-C. Yu, “Bright fluorescent nanodiamonds: No photobleaching and low cytotoxicity,” J. Am. Chem. Soc. 127, 17604–17605 (2005).
本著作由研之有物製作，原文為《鑽石不只能求婚，還能用於生物醫學！ MIT 螢光奈米鑽石》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。
本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
