TWI650546B

TWI650546B - 檢測奈米孔道和奈米粒子界面電位之方法

Info

Publication number: TWI650546B
Application number: TW107109101A
Authority: TW
Inventors: 葉禮賢; 王俊翔; 蘇彥韶; 周宗翰
Original assignee: 國立雲林科技大學
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-02-11
Also published as: TW201939010A

Abstract

本發明提供一種檢測奈米孔道和奈米粒子界面電位之方法，主要運用奈米孔道內粒子受力的電動力學機制，搭配電流感測技術，正確地測得奈米孔道界面電位，再透過所測得的孔道界面電位，以進一步量測通過孔道的帶電奈米粒子界面電位，並且由於本發明人所提供之方法不需分析電流阻抗訊號的詳細圖譜，也不需要購置昂貴的標準品粒子，因此較過去方法精準許多且沒有限制，並具有大幅簡化量測過程及大幅降低量測成本之功效。此外，於針對軟性奈米粒子而言還能夠較為準確地感測出粒子的界面電位，進而提升本發明所提供之方法的價值。

Description

檢測奈米孔道和奈米粒子界面電位之方法

本發明係屬於分析奈米裝置的領域，特別是關於一種用以檢測奈米孔道和奈米粒子界面電位之方法。

按，現今奈米科技已經快速蓬勃地發展至各種不同領域，由於奈米建築技術的進步，奈米流體裝置(nanofluidic device)的應用近年來更是廣泛受到國際研究團隊注意，典型應用如：分析生物分子的實驗室晶片、可識別離子/分子之感測器、可進行清淨能源轉換之奈米能源轉換裝置等，而在眾多奈米流體裝置中，又以圓錐型奈米孔道(conical nanopore)、與圓柱型奈米孔道(cylindrical nanopore)的應用最為廣泛。並且，在這些奈米流體裝置應用中，不論是受溶液中的電解質濃度或pH值，而間接影響孔道表面的帶電行為，又或者是孔道壁上進行表面改質，直接地改變孔道表面官能基的帶電行為，這些都會與孔道內部表面的帶電行為有很大的關聯性，因此若能藉由奈米孔道分析技術中的電流變化感測器分析奈米孔道中的界面電位，勢必能夠更加了解奈米孔道內部所發生的現象，以及大幅促進相關奈米流體裝置之應用。

近年來也有許多學者不斷的研究將奈米流體裝置擴展用來分析軟性生物體，研究中含多種分析物包括核酸、蛋白質、病毒。因此，演變出控制單一粒子進入孔道的分析技術，能夠與待測物標準品相對應，其偵測粒子粒徑範圍非常廣，可以從微米到分子的尺度下，進行獨立的感測粒子工作。又奈米粒子懸浮溶液穩定性深受粒子本身在水溶液狀態下界面電位所影響，而現今分析奈米粒子界面電位的測量工具普遍為動態光散射儀(dynamic light scattering，DLS)搭配電泳(Electrophoresis)原理居多，此技術所運用原理需於電泳樣品槽中兩端電極施加一電位偏壓，驅動粒子電泳動，此技術所運用原理需於電泳樣品槽中兩端電極施加一電位偏壓，驅動粒子電泳動，但在粒子界面電位的量測上若是遇到具有高鹽類的電解質溶液(如：生理環境)，溶液中的離子會很自發性地和電極槽中的電極發生氧化反應，此劇烈反應除了會影響粒子界面電位量測結果外，亦會導致電極損毀壽命減短。

此外，美國第2016/0223492號專利中有提到粒子電荷之測量方法，此種方法係利用粒徑與代測物差不多且帶電量為已知的奈米粒子做為標準品，再利用標準品與代測物通過奈米孔道所產生之電流變化訊號的時間差比值，以推算出代測物之界面電位。先不論此種方法需要先假設在粒子通過奈米孔道時電流阻抗訊號變化不大之條件下進行，此方法還有四個缺點。第一，本發明人已在期刊(ACS NANO,2016,10,8413-8422)中實驗與理論證實粒子表面帶電量(或界面電位)會同時影響電流阻抗訊號的最大電流變化高度和通過時間差，但是在這篇美國專利中認為粒子表面帶電量(或界面電位)僅會影響電流阻抗訊號的時間差，此會造成量測出來的數值與實際數值並不相符，且表面帶電量越高的粒子，偏差越大。第二，此種量測方法需要一定數量粒子數(通常需200顆以上)通過孔道造成電流阻抗訊號，當多顆粒子數通過孔道時，很容易造成孔道阻塞問題。第三，此種量測方法需要詳細分析粒子通過孔道之電流阻抗訊號詳細圖譜，但已有多篇文獻證明多種系統變因(如：施加電壓、孔道與粒子幾何形狀、電解質濃度與溶液pH值)和多顆粒子一起通過孔道時，皆會劇烈影響電流阻抗訊號詳細圖譜，進而造成粒子界面電位誤判。第四、此種量測方法需要有一個與代測物粒徑和幾何形狀近乎相同之標準品，因此每次測量前都必須要找到合適的標準品，實為不便，且這些標準品皆十分昂貴。

有鑑於此，本發明人感其未臻完善而竭其心智苦心研究，並憑其從事該項產業多年之累積經驗，進而提供一種檢測奈米孔道和奈米粒子界面電位之方法，以期可以改善上述習知技術之缺失。

有鑑於此，本發明之一目的，旨在提供一種檢測奈米孔道和奈米粒子界面電位之方法，俾利用奈米孔道內粒子受力的電動力學機制，搭配電流感測技術，以在不需要使用標準品粒子和分析阻抗訊號之詳細圖譜的情況下，依舊能量測得出正確的界面電位。

為達上述目的，本發明之偵測奈米孔道界面電位之方法，其方法包含：製備至少一不帶電粒子之分散相懸浮液，並將該不帶電粒子放置於奈米孔道之該第一開口上端儲水槽處；對奈米孔道第二開口下端儲水槽處施加一正電位偏壓(V>0)後，由於該不帶電粒子係為中性，因此該不帶電粒子僅會受到因正電位偏壓而帶有負電奈米孔道所給予之一反向電滲透力(electroosmotic force，定義為EOF)，使該不帶電粒子無法進入奈米孔道；再對該不帶電粒子施加一正壓場(△P>0)，使該不帶電粒子受到一正向壓力作用力，並緩慢增加該正壓場，使該正向壓力作用力約等於該反向電滲透力時，該不帶電粒子便會向奈米孔道內移動，此時該正向壓力作用力之量值係為一臨界壓力值；透過該臨界壓力值以計算出一臨界壓力流量，並透過該正電位偏壓之數值以計算出一孔道內局部電場強度；及根據ζ_NP=-(μQ _p1)/(εEA)之公式並帶入所有得出之數值以計算出奈米孔道之界面電位，ζ_NP為奈米孔道的界面電位，μ為溶液黏度，ε溶液介電常數，Q _p1為上述臨界壓力流量，E為上述孔道內局部電場強度，A則為奈米孔道之該第一開口面積。

再者，本創作又另提供一種偵測帶正電奈米孔道界面電位之方法，其方法包含：製備至少一不帶電粒子之分散相懸浮液，並將該不帶電粒子放置於奈米孔道之該第一開口上端儲水槽處；對奈米孔道第二開口下端儲水槽處改為施加一負電位偏壓(V<0)後，由於該不帶電粒子係為中性，因此該不帶電粒子僅會受到因負電位偏壓而帶有正電奈米孔道所給予之一反向電滲透力(electroosmotic force，定義為EOF)，使該不帶電粒子無法進入奈米孔道；再對該不帶電粒子施加一正壓場(△P>0)，使該不帶電粒子受到一正向壓力作用力，並緩慢增加該正壓場，使該正向壓力作用力約等於該反向電滲透力時，該不帶電粒子便會向奈米孔道內移動，此時該正向壓力作用力之量值係為一臨界壓力值；透過該臨界壓力值以計算出一臨界壓力流量，並透過該正電位偏壓之數值以計算出一孔道內局部電場強度；及根據ζ_NP=-(μQ _p1)/(εEA)之公式並帶入所有得出之數值以計算出奈米孔道之界面電位，ζ_NP為奈米孔道的界面電位，μ為溶液黏度，ε溶液介電常數，Q _p1為上述臨界壓力流量，E為上述孔道內局部電場強度，A則為奈米孔道之該第一開口面積。

其中，上述兩種方法之該臨界壓力流量係透過而計算得出，其中△P _c1為該臨界正壓力值，a為奈米孔道之該第一開口孔徑，b為奈米孔道之該第二開口孔徑， d則為奈米孔道之長度。而該局部電場強度係透過而計算得出，其中V為所施加之電位偏壓。並且，奈米孔道之該第二開口孔徑可透過高解析度光學顯微鏡(或掃描式電子顯微鏡)所量測得出，奈米孔道之長度則可透過雷射共軛焦顯微鏡(或掃描式電子顯微鏡)所量測得出，而奈米孔道之該第一開口孔徑可透過a=(4dI ₀)/(πΛVb)計算得知，其中Λ代表電解質溶液電導度，I ₀代表該電解質溶液條件下，奈米孔道所量測到之背景離子電流值。

此外，本發明又提供一種利用上述之方法所偵測出之奈米孔道界面電位來偵測帶負電奈米粒子界面電位之方法，其方法包含：製備在電解質溶液環境下帶有負電之一奈米粒子分散相懸浮液，並將該奈米粒子放置於奈米孔道之該第一開口上端儲水槽處；對奈米孔道第二開口下端儲水槽處施加一正電位偏壓(V>0)後，由於該奈米粒子帶有負電，因此該奈米粒子會受到因正電位偏壓而帶有一正向電泳力和帶負電奈米孔道所給予之一反向電滲透力，而因為該正向電泳力大於該反向電滲透力，所以該奈米粒子會朝向奈米孔道內移動；再對該奈米粒子施加一負壓力場，使該奈米粒子受到一反向壓力作用力，並緩慢增加該負壓力場，使該反向壓力作用力加上該反向電滲透力約等於該正向電泳力時，該奈米粒子便會停止向奈米孔道內移動，此時該反向壓力作用力之量值係為一臨界負壓值；透過該臨界負壓值以計算出一臨界負壓流量；及根據之公式，其中，ζ_p為該奈米粒子的界面電位，ζ_NP為上述奈米孔道的界面電位，μ為溶液黏度，ε溶液界電常數，Q _p2為臨界負壓流量，E為孔道內電場強度，A則為奈米孔道之該第一開口面積，並將所有數值帶入以計算出該奈米粒子之界面電位。

其中，該臨界負壓流量係透過而計算得出，其中△P _c2為該臨界負壓值。

若測量奈米孔道界面電位和奈米粒子界面電位所使用的奈米孔道幾何形狀以及施加正電位偏壓皆相同的話，亦即，測量兩界面電位時所使用的奈米孔道之第一開口孔徑、第二開口孔徑、孔道長度、與孔道中局部電場強度皆相同的話，奈米粒子界面電位亦可透過而計算得到，其中ζ_p為該奈米粒子的界面電位，ζ_NP為上述奈米孔道的界面電位，△P _c2為上述臨界負壓值，△P _c1為上述臨界正壓值。

再者，本發明還提供一種利用上述之方法所偵測出之奈米孔道界面電位來偵測帶正電奈米粒子界面電位之方法，其方法包含：製備帶有正電之至少一奈米粒子，並將該奈米粒子放置於奈米孔道之該第一開口處外之儲水槽中；對奈米孔道施加一負電位偏壓(V<0)後，由於該奈米粒子帶有正電，因此該奈米粒子會受到因負電位偏壓而帶有一正向電泳力和帶負電奈米孔道所給予之一正向電滲透力，而因為兩者合力為正向，所以該奈米粒子會朝向奈米孔道內移動，使得系統電流值將出現因粒子通過孔道所產生的明顯電流訊號變化；再對該奈米粒子施加一負壓力場，使該奈米粒子受到一反向作用力，並緩慢增加該負壓力場，使該反向作用力約等於該正向電泳力與正向電滲透力相加合力時，該帶正電奈米粒子便會停止向奈米孔道內移動，先前該奈米粒子通過孔道所產生之電流變化訊號將不在出現，此時該反向作用力之量值係為一臨界負壓值；透過該臨界負壓值以計算出一臨界負壓流量；及根據之公式，其中，ζ_p為該帶正電奈米粒子的界面電位，ζ_NP為上述奈米孔道的界面電位，μ為溶液黏度，ε溶液界電常數，Q _p3為此臨界負壓流量，E為孔道內局部電場強度，A則為奈米孔道之該第一開口面積，並將所有數值帶入以計算出該帶正電奈米粒子之界面電位。

其中，該臨界負壓流量係透過而計算得出，其中△P _c3為該臨界負壓值。

若測量奈米孔道界面電位和帶正電奈米粒子界面電位所使用的奈米孔道幾何形狀以及施加電位偏壓強度皆相同的話，亦即，測量兩界面電位時所使用的奈米孔道之第一開口孔徑、第二開口孔徑、孔道長度、與孔道中局部電場強度大小皆相同的話，奈米粒子界面電位亦可透過而計算得到，其中ζ_p為該帶正電奈米粒子的界面電位， ζ_NP為上述奈米孔道的界面電位，△P _c3為上述臨界負壓值，△P _c1為上述臨界正壓值。

如此一來，透過本發明所提供之方法，在運用奈米孔道內粒子合力的電動力學機制下，可正確地測得奈米孔道的界面電位，再透過所測得的孔道界面電位，以進一步量測通過孔道帶電奈米粒子的界面電位，並且由於本發明人所提供之方法不需分析詳細電流阻抗訊號的圖譜，也不需要購置昂貴的標準品粒子，因此具有大幅簡化量測過程及大幅降低量測成本之功效。此外，於針對軟性奈米粒子而言還能夠較為準確地感測出粒子的界面電位，進而提升本發明所提供之方法的價值。

1‧‧‧奈米孔道

11‧‧‧第一開口

12‧‧‧第二開口

2‧‧‧不帶電粒子

3‧‧‧奈米粒子

a‧‧‧第一開口之孔徑

b‧‧‧第二開口之孔徑

d‧‧‧奈米孔道之長度

第1A圖，為偵測奈米孔道界面電位之實驗中施加正電位偏壓後不帶電粒子受力與孔道之示意圖。

第1B圖，為偵測奈米孔道界面電位之實驗中施加正電位偏壓後不帶電粒子受力與孔道之另一實施態樣示意圖。

第2A圖，為偵測奈米孔道界面電位之實驗中施加正電位偏壓場和正壓力場後不帶電粒子受力與孔道之示意圖。

第2B圖，為偵測奈米孔道界面電位之實驗中施加正電位偏壓場和正壓力場後不帶電粒子受力與孔道之另一實施態樣示意圖。

第3圖，為分析奈米孔道在不同電解質溶液濃度下界面電位之變化的電流訊號示意圖。

第4圖，為不帶電粒子在不同電解質溶液濃度下所需之最小臨界正壓值的數據示意圖。

第5圖，為奈米孔道之界面電位隨電解質溶液濃度不同而變化之曲線示意圖。

第6圖，為分析奈米孔道在不同溶液酸鹼度下界面電位之變化的電流訊號示意圖。

第7圖，為不帶電粒子在不同溶液酸鹼度下所需之最小臨界正壓值的數據示意圖。

第8圖，為奈米孔道之界面電位隨溶液酸鹼度不同而變化之曲線示意圖。

第9A圖，為偵測奈米粒子界面電位之實驗中施加正電位偏壓後粒子受力與孔道之示意圖。

第9B圖，為偵測奈米粒子界面電位之實驗中施加正電位偏壓後粒子受力與孔道之另一實施態樣示意圖。

第10A圖，為偵測奈米粒子界面電位之實驗中施加正電位偏壓和負壓力場後粒子受力與孔道之示意圖。

第10B圖，為偵測奈米粒子界面電位之實驗中施加正電位偏壓和負壓力場後粒子受力與孔道之另一實施態樣示意圖。

第11圖，為分析奈米粒子在不同電解質溶液濃度下界面電位之變化的電流訊號示意圖。

第12圖，為奈米粒子在不同電解質溶液濃度下所需之最小臨界負壓值的數據示意圖。

第13圖，為奈米粒子之界面電位隨電解質溶液濃度不同而變化之曲線示意圖。

第14圖，為分析奈米粒子在不同溶液酸鹼度下界面電位之變化的電流訊號示意圖。

第15圖，為奈米粒子在不同溶液酸鹼度下所需之最小臨界負壓值的數據示意圖。

第16圖，為奈米粒子之界面電位隨溶液酸鹼度不同而變化之曲線示意圖。

為使貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1A圖和第2A圖，其係為偵測奈米孔道界面電位之實驗中施加正電位偏壓後粒子與孔道之示意圖和施加正電位偏壓與正壓力場後粒子受力與孔道之示意圖。在本發明中所使用之奈米孔道1的形狀係為去頭圓錐狀，但亦可以為圓柱狀，如第1B圖和第2B圖所，並不以此為限。

該奈米孔道1兩端係分別形成有一第一開口11和一第二開口12，該第一開口11之開口面積係小於第二開口12之開口面積，而奈米孔道1之該第二開口孔徑b可透過高解析度光學顯微鏡或掃描式電子顯微鏡所量測得出，奈米孔道1之長度d則可透過雷射共軛焦顯微鏡或掃描式電子顯微鏡量測得出，奈米孔道1之第一開口孔徑a可藉由a=(4dI ₀)/(πΛVb)計算得知，其中Λ代表電解質溶液電導度，V為該施加正電位偏壓，I ₀代表該電解質溶液條件下，奈米孔道施加該正電位偏壓所量測到之離子背景電流值。並且，本發明所用於偵測奈米孔道1界面電位之方法係基於孔道內粒子合力之電動力學機制以進行分析，亦即當帶電奈米粒子在外加電場以及壓力場驅動下通過圓錐奈米孔道1之第一開口11時，粒子本身通過速度主要會受三種作用力(電泳力(electrophoretic force，定義為EP)、電滲透流力(electroosmotic force，定義為EOF)、與壓力(pressure force，定義為△P))。藉此我們可以得到下式：

上式中，J代表奈米粒子通過奈米孔道之莫耳通量，C代表奈米粒子分散相溶液之莫耳濃度，ε代表溶液介電常數，ζ_p代表奈米粒子界面電位(zeta potential)，ζ_NP代表奈米孔道界面電位，μ代表溶液黏度，E代表孔道內之局部電場強度，Q _p代表外加壓力場造成之孔道內流體體積流量，A(=πa ²)代表奈米孔道1之該第一開口11之截面積。上式(1)中從右側起算之第1至3項，分別為奈米粒子在孔道中所遭受到之電泳力、電滲透流力、與壓力三大驅動力。

在量測奈米孔道1界面電位時，首先我們會先製備至少一不帶電奈米粒子2，而製備方法係為先將氫化大豆磷脂醯膽鹼(Hydrogen phosphatidylcholine)、聚氧乙烯(40)硬脂酸酯(Polyoxyethylene(40)stearate)分別溶解於氯仿-甲醇(v/v%=1/1)溶劑中，接著以2ml莫耳比9：1比例加至圓底燒瓶，並於50℃恆溫水槽中恆溫3分鐘，再利用旋轉減壓濃縮儀將溶劑抽乾，使圓底燒瓶瓶壁上形成脂質薄膜後，接著分別加入4mL的氯化鉀電解質緩衝溶液(總共含有七種，分別是pH 7.4/45mM、pH 7.4/50mM、pH 7.4/55mM、pH 7.4/60mM、pH 6.4/50mM、pH 6.8/50mM、pH 7.8/50mM)，進行水合反應，溫度維持50℃，使瓶壁上的脂質薄膜脫落分散在溶液中，接著，將圓底燒瓶放入50℃水浴和功率60W的超音波儀中20分鐘，即可製備出含有粒子濃度為5mM下的該中性不帶電粒子分散相溶液。這樣的製備方式所製成之該不帶電奈米粒子2能在高鹽環境下具有超過12小時以上之穩定性，於應用上有相當高的助益。

接著，取40μL的該不帶電奈米粒子2置入圓錐奈米孔道1之該第一開口11處之上方儲水槽中，此時奈米孔道1之該第二開口12處之下方儲水槽內開始施加外加一正電位偏壓(V>0)，系統此時會產生一背景電流(I ₀)，但由於該不帶電粒子2本身近乎中性不帶電(ζ_p 0)，所以作用在該不帶電粒子2上之電泳力非常薄弱，幾乎可忽略。此時，作用在該不帶電粒子2本身的只剩下帶負電奈米孔道1所給予的反向電滲透流力(會阻擋該不帶電粒子2進入奈米孔道1，如第1圖所示)，因此此時過程中將不會觀察到任何電流變化訊號。此時，我們會在整個奈米孔道1電流感測系統施加一正壓場(△P>0)，此時，該不帶電粒子2除了反向的電滲透流力外，將多遭受到一正向壓力作用力，當正壓場緩慢增加到足夠克服反向電滲透流力時，此時該正向作用力之量值係為一臨界壓力值，該不帶電粒子便會向奈米孔道1移動，進而偵測到電流變化訊號，如第2圖所示。

此時，作用在該不帶電粒子2上的合力近乎為零，因此式子(1)可改寫成下式：

其中，不管是針對圓錐孔道系統或是圓柱孔道系統，孔道內電場強度E與臨界正壓力流量Q _p1皆可分別藉由下兩式估算：

其中，V為系統所施加之正電位偏壓，△P _c1為實驗所測得之臨界正壓值。

因此，方程式(2)可進一步改寫成下式：

當實驗中在固定電壓V下，量測到△P _c1後，分別帶入方程式(3)與(4)得到孔道內局部電場強度E與臨界正壓力流量Q _p1後，再將此兩項數據帶入方程式(5)即可得到奈米孔道之界面電位(ζ_NP)。

再者，假如奈米孔道1為表面帶正電之材質，此時只需在奈米孔道1之該第二開口12處之下方儲水槽內開始施加外加一負電位偏壓(V<0)，由於不帶電粒子2上之電泳力非常薄弱，幾乎可忽略，此時，作用在該不帶電粒子2本身的只剩下帶正電奈米孔道1所給予的反向電滲透流力(會阻擋該不帶電粒子2進入奈米孔道1)，因此此時過程中將不會觀察到任何電流變化訊號。此時，我們會在整個奈米孔道1電流感測系統施加一正壓場(△P>0)，此時，該不帶電粒子2除了反向的電滲透流力外，將多遭受到一正向壓力作用力，當正壓場緩慢增加到足夠克服反向電滲透流力時，此時該正向作用力之量值係為一新的臨界壓力值(△P _c1)，該不帶電粒子便會向奈米孔道1移動，進而偵測到電流變化訊號。分別將上述負電位偏壓與正臨界壓力值代入式(3)與(4)，可得到此時之孔道內局部電場強度E與臨界正壓力流量Q _p1，再將此兩項數據帶入方程式(5)即可得到帶正電奈米孔道之界面電位(ζ_NP)。

請續參閱第3圖至第8圖，當量測出奈米孔道1之界面電位後，便能夠針對在不同電解質溶液之環境條件下分析奈米孔道界面電位的變化。首先，先探討的是奈米孔道1在不同背景電解質濃度下的影響，固定pH 7.4情況下，改變KCl電解質濃度分別為45、50、55、60mM分別進行實驗，測量不同背景電解質濃度下，孔道界面電位的變化。首先，在孔道1的該第一開口11處之上方儲水槽中放置該不帶電粒子2之分散相溶液，並在孔道1之該第二開口12處之下方儲水槽內施加正電位偏壓，這時會產生水平的背景離子電流值，如第3圖所示，可以看出一開始水平的背景離子電流值中並沒有電流變化訊號的出現，表示該中性不帶電粒子2沒有受到外加電場驅動電泳力的影響而進入奈米孔道1，因此再次證明該不帶電粒子2的界面電位為零。接著我們開始在孔道1的該第一開口11處之上方儲水槽中緩慢逐步施加正向壓力，每施加一次壓力等待約8~10秒，逐步逼近，直到向下的壓力恰好略大於由孔壁形成向上的逆向電滲透流力時，這時由正向壓力主導粒子2的受力方向，於是粒子2會開始進入孔道1產生電流變化訊號，因此將該不帶電粒子2受正向壓力驅動，恰好通過奈米孔道1的壓力稱作臨界壓力值，再分別將此時的臨界壓力值記錄在第4圖，分別帶回式子(4)與(5)中，即可量測出不同KCl電解質濃度C _KCl下的奈米孔道1界面電位。結果如第5圖所示，為奈米孔道1界面電位ζ_NP對不同KCl電解質濃度C _KCl作圖，實驗結果顯示出隨著電解質濃度的遞增，孔道1的界面電位會有遞減之趨勢，推測原因為當電解質濃度增加時，帶電孔道壁面上之電雙層厚度減少，造成較多反離子緊密吸附於帶電孔道壁面上，產生孔道壁面帶電量之中和作用，進而造成奈米孔道1的界面電位會有遞減之趨勢，此現象為典型之行為。

接著探討的是奈米孔道1在不同溶液pH下的影響，固定KCl電解質濃度50mM，改變溶液pH值分別為pH 6.4、6.8、7.4、7.8分別進行實驗，測量不同pH值下，奈米孔道1界面電位的變化。首先，一樣在孔道1的該第一開口11處之上方儲水槽中放置該不帶電粒子2之分散相溶液，並在孔道1之該第二開口12處之下方儲水槽內施加正電位偏壓，這時會產生水平的背景離子電流值，如第6圖所示，可以看出一開始水平的背景離子電流值中並沒有任何電流變化訊號的出現，表示該不帶電粒子2沒有受到外加電場驅動電泳力的影響而進入孔道1，因此再次證明該不帶電粒子2的界面電位為零。接著我們開始在孔道1的該第一開口11處之上方儲水槽外緩慢逐步施加正向壓力，每施加一次壓力等待約8~10秒，逐步逼近，直到向下的壓力恰好略大於由孔壁形成向上的逆向電滲透流力時，這時由正向壓力主導該不帶電粒子2的受力方向，於是該不帶電粒子2會開始進入孔道1產生電流變化訊號，因此我們將該不帶電粒子2受正向壓力驅動，恰好通過孔道1的壓力稱作臨界壓力，再分別將此時的臨界壓力值記錄在第7圖，分別帶回式子(4)與(5)中，即可推測出不同pH值下的奈米孔道1界面電位。結果如第8圖所示，為孔道1界面電位ζ_NP對不同pH值作圖，可以發現pH值效應中隨著pH值的提高，奈米孔道1的界面電位會隨著增加，推測的原因為示範用之奈米孔道1是熱塑性聚氨酯的材質，隨著越往鹼性pH值的增加，溶液中H⁺減少，將誘導孔壁表面官能基解離而帶更多負電，進而影響奈米孔道1表面的帶電性質，因此奈米孔道1的界面電位會隨著pH值的增加而跟著遞增。

請再參閱第9圖和第10圖，其係為偵測奈米粒子界面電位之實驗中施加正電位偏壓後粒子與孔道之示意圖和施加負壓力場後粒子與孔道之示意圖。本發明在偵測帶電奈米粒子3界面電位之方法係同樣運用奈米孔道內粒子合力之電動力學原理搭配偵測電流訊號變化技巧來進行測量，並且會使用到先前已經測量完畢之奈米孔道1界面電位，以便進行奈米粒子界面電位之量測，在本實施例中，係使用帶有負電之奈米粒子來做為實驗範例，但亦可以為帶正電之粒子，帶有電荷的不同僅會在實驗過程的電動力學方向不同，因此會與此處所提及之檢測方式相似。與上述章節類似，首先，先製備帶負電之至少一奈米粒子3，而製備方法係為先將氫化大豆卵磷脂(Hydrogenated soybean lecithin)、油酸(Oleic acid)、聚氧乙烯(40)硬脂酸酯(Polyoxyethylene(40)stearate)分別溶解於氯仿-甲醇(v/v%=1/1)溶劑中，接著以2mL莫耳比4.5：4.5：1比例加至圓底燒瓶，並於50℃恆溫水槽中恆溫3分鐘，再將溶劑抽乾，使圓底燒瓶瓶壁上形成脂質薄膜後，分別加入4mL的氯化鉀電解質緩衝溶液(總共含有七種，分別是pH 7.4/45mM、pH 7.4/50mM、pH 7.4/55mM、pH 7.4/60mM、pH 6.4/50mM、pH 6.8/50mM、pH 7.8/50mM)，進行水合反應，溫度維持50℃，使瓶壁上的脂質薄膜脫落分散在溶液中，接著，將圓底燒瓶放入50℃水浴和功率60W的超音波儀中20分鐘，即可製備出含有粒子濃度為5mM下的帶有負電之該奈米粒子3分散相溶液。

取40μL的該奈米粒子3置入圓錐奈米孔道1之該第一開口11處之上方儲水槽中，此時奈米孔道1之該第二開口12處之下方儲水槽內開始施加一正電位偏壓(V>0)，系統此時會產生一背景電流(I ₀)，但在此系統由於奈米粒子3本身帶負電之關係，所以此時作用在奈米粒子3本身的作用力，除了反向電滲透流力(會阻擋奈米粒子3進入奈米孔道1)外，還多了一個正向電泳力，如第9圖所示。也由於本發明製備之該奈米粒子3界面電位遠比奈米孔道1之界面電位大，所以實驗中將觀察到明顯且多數之電流變化訊號。接著為了阻止奈米粒子3通過奈米孔道1，進而達到力平衡，所以我們開始於整個電流感測實驗系統施加一負壓力場(△P<0)，此時，奈米粒子3將多遭受到一反向壓力作用力，阻止奈米粒子3進入奈米孔道1，當外加負壓力場緩慢增加到足夠克服奈米粒子3原先所遭受到的正向電泳力與反向電滲透力之合力時，此時該反向作用力係為一臨界負壓值，奈米粒子3即不再通過奈米孔道1，進而開始無法偵測到任何電流變化訊號，而此時作用在奈米粒子3上的所有合力近乎為零，如第10圖所示。

此時，原本的方程式(1)可以改寫成下式：

其中，外加之負壓力場所造成之奈米孔道流量可由下式估算：

當實驗中在固定電壓V下，量測到△P _c2後，分別帶入方程式(3)與(7)得到孔道內局部電場強度E與臨界負壓力流量Q _p2後，再將此兩項數據與上個奈米孔道1界面電位量測實驗所得到的ζ_NP帶入方程式(6)後，即可得到設定溶液條件下之該帶負電奈米粒子3之界面電位(ζ_p)。

假如整個實驗是在相同條件奈米孔道1以及相同施加正電位偏壓條件下進行，亦即，奈米孔道1之第一開口11孔徑(a)、第二開口12孔徑(b)、孔道長度(d)、與孔道內局部電場強度E皆相同下，將方程式(6)與方程式(2)進行移位後相除可得到下式：

將上個奈米孔道1界面電位量測實驗所得到的△P _c1與ζ_NP，以及本實驗所得到的△P _c2帶入上式(8)後，即可得到設定溶液條件下之該奈米粒子3之界面電位(ζ_p)。

此外，本發明還同樣提供一種使用到先前已經測量完畢之奈米孔道1界面電位以偵測帶正電奈米粒子界面電位之方法，其方法包含：製備帶有正電之至少一奈米粒子，並將該奈米粒子放置於奈米孔道之該第一開口處外之儲水槽中；對奈米孔道施加一負電位偏壓(V<0)後，由於該奈米粒子帶有正電，因此該奈米粒子會受到因負電位偏壓而帶有一正向電泳力和帶負電奈米孔道所給予之一正向電滲透力，而因為兩者合力為正向，所以該奈米粒子會朝向奈米孔道內移動，使得系統電流值將出現因粒子通過孔道所產生的明顯電流訊號變化；再對該奈米粒子施加一負壓力場，使該奈米粒子受到一反向作用力，並緩慢增加該負壓力場，使該反向作用力約等於該正向電泳力與正向電滲透力相加合力時，該帶正電奈米粒子便會停止向奈米孔道內移動，先前該奈米粒子通過孔道所產生之電流變化訊號將不在出現，此時該反向作用力之量值係為一臨界負壓值；透過該臨界負壓值以計算出一臨界負壓流量；及根據之公式，其中，ζ_p為該帶正電奈米粒子的界面電位，ζ_NP為上述奈米孔道的界面電位，μ為溶液黏度，ε溶液界電常數，Q _p3為此臨界負壓流量，E為孔道內局部電場強度，A則為奈米孔道之該第一開口面積，並將所有數值帶入以計算出該帶正電奈米粒子之界面電位。而該臨界負壓流量係透過而計算得出，其中△P _c3為該臨界負壓值。

請續參閱第11圖至第16圖，當量測出帶負電奈米粒子3之界面電位後，便能夠針對在不同電解質溶液之環境條件下分析奈米粒子界面電位的變化。首先，先探討的是奈米粒子3在不同背景電解質濃度下的影響，於固定pH 7.4情況下，改變KCl電解質濃度分別為45、50、55、60mM進行實驗，測量不同背景電解質濃度下，奈米粒子3界面電位的變化。首先，在孔道1的該第一開口11處之上方儲水槽中放置奈米粒子3之分散相溶液，並在孔道1之該第二開口12處之下方儲水槽內施加正電位偏壓，如第11圖所示，這時可以看到產生的水平離子背景電流值中，有電流變化訊號的出現，表示奈米粒子3在沒有壓力驅動下，即可靠著本身的電泳力受外加電場驅動，抵抗孔壁電滲透力而進入孔道1。接著我們在孔道1之該第一開口11之上方儲水槽外開始緩慢逐步施加反向負壓場，每施加一次壓力等待約8~10秒，逐步逼近，直到向上的壓力作用力與電滲透力恰好與向下的電泳力達成力平衡，因此整體作用在奈米粒子3上的合力為零，奈米粒子3將不在通過孔道1產生電流變化訊號，並將粒子3恰好停止通過孔道1的反向壓力稱作臨界負壓值，再分別將此時的臨界負壓值記錄下如第12圖，分別帶回式子(6)或(8)中，即可推測出不同KCl電解質濃度C _KCl下的奈米粒子3界面電位。結果如第13圖所示，奈米粒子3界面電位ζ_p對不同KCl電解質濃度C _KCl作圖，實驗結果顯示出隨著KCl電解質濃度的增加，奈米粒子3表面隨著電雙層變薄，將吸引更多的反離子，部分中和奈米粒子3表面電荷，造成反向臨界負壓值的越少，因此奈米粒子3界面電位會隨著電解質濃度的增加而降低。

接著探討的是奈米粒子3在不同溶液pH下的影響，在固定KCl電解質濃度50mM，改變溶液pH值分別為pH 6.4、6.8、7.4、7.8分別進行實驗，測量不同pH值下，奈米粒子3界面電位的變化。首先，一樣在孔道1的該第一開口11處之上方儲水槽中放置該奈米粒子3之分散相溶液，並在孔道1之該第二開口12處之下方儲水槽內施加正電位偏壓，如第14圖所示，這時可以看到產生的水平離子背景電流值中，有電流變化訊號的出現，表示奈米粒子3在沒有壓力驅動下，即可靠著本身的電泳力受外加電場驅動，抵抗孔壁電滲透力而進入孔道1。接著我們開始在孔道1的該第一開口11處之上方儲水槽外緩慢逐步施加反向負壓場，每施加一次壓力等待約8~10秒，逐步逼近，直到向上的壓力作用力與電滲透力恰好與向下的電泳力達成力平衡，因此整體作用在奈米粒子3上的合力為零，奈米粒子3將不在通過孔道1產生電流變化訊號，並將粒子3恰好停止通過孔道1的反向壓力稱作臨界負壓值，再分別將此時的臨界負壓值記錄在第15圖，分別帶回式子(6)或(8)中，即可推測出不同pH值下的奈米粒子3界面電位。結果如第16圖所示，為奈米粒子3界面電位ζ_p對不同溶液pH值作圖，可以發現pH值效應中隨著溶液pH值的提高，奈米粒子3的界面電位會隨著增加，推測的原因為奈米粒子3組成中油酸的羧酸基團解離，增加pH值會影響粒子3的解離程度，進而影響表面帶電程度，使其表面帶有更多的負電，因此奈米粒子3的界面電位會跟著上升，奈米粒子3界面電位趨勢皆與動態光散射儀相符。綜合以上KCl電解質溶液濃度與pH效應中，我們運用奈米孔道內粒子合力之電動力學原理搭配偵測電流訊號變化技巧，可實現在高電解質濃度環境下偵測到帶電奈米粒子3界面電位會隨著溶液電解質濃度與pH值變化，且偵測到奈米粒子3最高的界面電位落在-80mV上下，與大多數文獻添加油酸作為pH敏感型的奈米粒子3之界面電位值落在-50~-80mV之間相符。

綜上所述，本發明提出了一種新穎的方法來量測奈米孔道1 和奈米粒子3的界面電位，並且亦探討了奈米孔道1和奈米粒子3在不同溶液性質(如：pH和電解質濃度)下之界面電位變化。根據實驗結果顯示，奈米孔道1與奈米粒子3之界面電位皆呈現pH相關性，且當溶液pH值越高時，有更高之負界面電位。此外，當背景鹽濃度越高時，奈米孔道1和帶電奈米粒子3之負界面電位越低。根據上述合理且成功的量測，可知本發明所提出之量測方法係具有非常高的潛力，可在高電解質濃度環境下，直接精準量測奈米孔道1和奈米粒子3之界面電位變化，並且無需詳細分析電流阻抗訊號的圖譜，也不需要購置昂貴的標準品粒子，因此亦具有大幅簡化量測過程及大幅降低量測成本之功效，此外，於針對軟性奈米粒子而言還能夠較為準確地感測出粒子的界面電位，進而提升本發明所提供之方法的價值。

惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，故該所屬技術領域中具有通常知識者，或是熟悉此技術所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

Claims

一種檢測奈米孔道界面電位之方法，其方法包含：製備至少一中性不帶電粒子，並將該不帶電粒子放置於奈米孔道之該第一開口處外之上方儲水槽；對奈米孔道施加一正電位偏壓(V>0)後，由於該不帶電粒子係為中性，因此該不帶電粒子僅會受到因正電位偏壓而帶有負電的奈米孔道所給予之一反向電滲透力，使該不帶電粒子無法進入奈米孔道，此時系統電流訊號為單純背景離子電流值；再對該不帶電粒子施加一正壓場(△P>0)，使該不帶電粒子受到一正向壓力作用力，並緩慢增加該正壓場，使該正向壓力作用力約等於該反向電滲透力時，該不帶電粒子便會開始朝向奈米孔道內移動，進而影響系統電流訊號出現變化，此時該正向壓力作用力之量值係為一臨界壓力值；透過該臨界壓力值以計算出一臨界壓力流量，並透過該正電位偏壓之數值以計算出一外加電場強度；及根據ζ_NP=-(μQ _p1)/(εEA)之公式並帶入所有得出之數值以計算出奈米孔道之界面電位，ζ_NP為奈米孔道的界面電位，μ為溶液黏度，ε溶液介電常數，Q _p1為臨界壓力流量，E為孔道內局部電場強度，A則為奈米孔道之該第一開口面積。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該臨界壓力流量係透過而計算得出，其中△P _c1為該臨界壓力值，a為奈米孔道之該第一開口孔徑，b為奈米孔道之該第二開口孔徑，d則為奈米孔道之長度。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該局部電場強度係透過而計算得出，其中V為所施加之該正電位偏壓。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，奈米孔道之孔徑係透過a=(4dI ₀)/(πΛVb)計算得知，其中Λ代表電解質溶液電導度，I ₀代表該電解質溶液條件下，奈米孔道所量測到之背景離子電流值。
一種檢測奈米孔道界面電位之方法，其方法包含：製備至少一中性不帶電粒子，並將該不帶電粒子放置於奈米孔道之該第一開口處外之上方儲水槽；對奈米孔道施加一負電位偏壓(V<0)後，由於該不帶電粒子係為中性，因此該不帶電粒子僅會受到因負電位偏壓而帶有正電的奈米孔道所給予之一反向電滲透力，使該不帶電粒子無法進入奈米孔道，此時系統電流訊號為單純背景離子電流值；再對該不帶電粒子施加一正壓場(△P>0)，使該不帶電粒子受到一正向壓力作用力，並緩慢增加該正壓場，使該正向壓力作用力約等於該反向電滲透力時，該不帶電粒子便會開始朝向奈米孔道內移動，進而影響系統電流訊號出現變化，此時該正向壓力作用力之量值係為一臨界壓力值；透過該臨界壓力值以計算出一臨界壓力流量，並透過該正電位偏壓之數值以計算出一外加電場強度；及根據ζ_NP=-(μQ _p1)/(εEA)之公式並帶入所有得出之數值以計算出奈米孔道之界面電位，ζ_NP為奈米孔道的界面電位，μ為溶液黏度，ε溶液介電常數，Q _p1為臨界壓力流量，E為孔道內局部電場強度，A則為奈米孔道之該第一開口面積。
如申請專利範圍第5項所述之方法，其中，該臨界壓力流量係透過而計算得出，並且該局部電場強度係透過而計算得出，其中V為所施加之該負電位偏壓，△P _c1為該臨界壓力值，a為奈米孔道之該第一開口孔徑，b為奈米孔道之該第二開口孔徑，d則為奈米孔道之長度。
如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之方法，其中，該中性不帶電粒子之製作方法係包含：將氫化大豆磷脂醯膽鹼、聚氧乙烯(40)硬脂酸酯分別溶解於氯仿-甲醇(v/v%=1/1)溶劑中，接著以2mL莫耳比9：1比例加至圓底燒瓶，並於50℃恆溫水槽中恆溫3分鐘；將溶劑抽乾，使圓底燒瓶瓶壁上形成脂質薄膜；分別加入4mL的氯化鉀電解質緩衝溶液(總共含有七種，分別是pH 7.4/45mM、pH 7.4/50mM、pH 7.4/55mM、pH 7.4/60mM、pH 6.4/50mM、pH 6.8/50mM、pH 7.8/50mM)，進行水合反應，溫度維持50℃，使瓶壁上的脂質薄膜脫落分散在溶液中；及將圓底燒瓶放入50℃水浴和功率60W的超音波儀中20分鐘，即可製備出粒子濃度為5mM下的該中性不帶電粒子。
一種利用如申請專利範圍第2至7項中任一項所述之方法所偵測出之奈米孔道界面電位以偵測奈米粒子界面電位之方法，其方法包含：製備帶有負電之至少一奈米粒子，並將該奈米粒子放置於奈米孔道之該第一開口處外之儲水槽中；對奈米孔道施加一正電位偏壓(V>0)後，由於該奈米粒子帶有負電，因此該奈米粒子會遭受到因正電位偏壓而帶有負電的奈米孔道所給予之一反向電滲透力和一正向電泳力，而因為該正向電泳力大於該反向電滲透力，所以該奈米粒子會朝向奈米孔道內移動，使得系統電流值將出現因粒子通過孔道所產生的明顯電流訊號變化；再對該奈米粒子施加一負壓力場，使該奈米粒子受到一反向作用力，並緩慢增加該負壓力場，使該反向作用力加上該反向電滲透力約等於該正向電泳力時，該奈米粒子便會停止向奈米孔道內移動，先前該奈米粒子通過孔道所產生之電流變化訊號將不在出現，此時該反向作用力之量值係為一臨界負壓值；及根據之公式，其中，ζ_p為該奈米粒子的界面電位，ζ_NP 為奈米孔道界面電位，△P _c2為該臨界負壓值，△P _c1為該臨界壓力值，並將所有數值帶入以計算出該奈米粒子之界面電位。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，帶有負電之該奈米粒子之製作方法係包含：將氫化大豆卵磷脂、油酸、聚氧乙烯(40)硬脂酸酯分別溶解於氯仿-甲醇(v/v%=1/1)溶劑中，接著以2mL莫耳比4.5：4.5：1比例加至圓底燒瓶，並於50℃恆溫水槽中恆溫3分鐘；將溶劑抽乾，使圓底燒瓶瓶壁上形成脂質薄膜；分別加入4mL的氯化鉀電解質緩衝溶液(總共含有七種，分別是pH 7.4/45mM、pH 7.4/50mM、pH 7.4/55mM、pH 7.4/60mM、pH 6.4/50mM、pH 6.8/50mM、pH 7.8/50mM)，進行水合反應，溫度維持50℃，使瓶壁上的脂質薄膜脫落分散在溶液中；及將圓底燒瓶放入50℃水浴和功率60W的超音波儀中20分鐘，即可製備出粒子濃度為5mM下的帶有負電之該奈米粒子。
一種利用如申請專利範圍第2至7項中任一項所述之方法所偵測出之奈米孔道界面電位以偵測奈米粒子界面電位之方法，其方法包含：製備帶有正電之至少一奈米粒子，並將該奈米粒子放置於奈米孔道之該第一開口處外之儲水槽中；對奈米孔道施加一負電位偏壓(V<0)後，由於該奈米粒子帶有正電，因此該奈米粒子會受到因負電位偏壓而帶有一正向電泳力和帶負電奈米孔道所給予之一正向電滲透力，而因為兩者合力為正向，所以該奈米粒子會朝向奈米孔道內移動，使得系統電流值將出現因粒子通過孔道所產生的明顯電流訊號變化；再對該奈米粒子施加一負壓力場，使該奈米粒子受到一反向作用力，並緩慢增加該負壓力場，使該反向作用力約等於該正向電泳力與正向電滲透力相加合力時，該帶正電奈米粒子便會停止向奈米孔道內移動，先前該奈米粒子通過孔道所產生之電流變化訊號將不在出現，此時該反向作用力之量值係為一臨界負壓值；及根據之公式，其中，ζ_p為該奈米粒子的界面電位，ζ_NP為奈米孔道界面電位，△P _c3為該臨界負壓值，△P _c1為該臨界壓力值，並將所有數值帶入以計算出該奈米粒子之界面電位。