lilyyu

「物質分析」是科學家最常做的一項工作；對於每一個在自己實驗室中的未知樣品，其中含有什麼（what）？含有多少（how many）？是研究者首先必須面對的挑戰。太仔細地分析無疑是耗時、耗心力又不見得有實際價值；或許我們只對某種分析物（analyte）它是否存在（exist）？量的多寡或濃度（amount or concentration）？才有興趣。但不管是定性（qualitative）或是定量（quantitative）上的資訊，操作簡單、快速得到結果的分析方法卻是分析上發展的趨勢。

酸鹼指示劑－實用的感測器：
  一杯澄清的水溶液中，要如何知道它的酸鹼性？或許用舌頭嚐一嚐，酸酸或是澀澀的馬上感覺出來了，但是這未免有些冒險了。古早的農夫就是如此冒險地在測試土壤的酸鹼度，這卻也激起了科學家尋找看安全的方法取而代之來檢驗酸鹼性；而從植物中找到了許多色素可做為酸鹼性的「指示劑」（indicator）。
指示劑的操作及觀測十分簡單：將代測之樣品溶液取出一部份，加入指示劑液；直接觀察溶液中指示劑劑顏色的變化。舉個例子：以酚太（phenolphthalein）作為指示劑，則在酸性下酚太呈無色、而鹼性下酚太轉變成粉紅色了。就分子層次上，詳細的變色過程如下式：
若僅僅認定酚太指示出了氫氧根離子的存在，那就太單純小看其能力了；事實上酚太的變色可約略透露出「量」的訊息：在以水為溶劑下，氫離子濃度大於10-8 M（即pH＜8）則指示劑呈無色，而氫離子濃度小於10-10 M（即pH＞10）則指示劑將出現明顯的粉紅色了。
酚太指示劑其實可算是一種氫氧根離子感測器（hydroxide ion sensor）：指示劑與待測受質（substrate）可逆的結合導致共軛結構的改變，進而產生顏色吸收的變化，最後此顏色改變可直接被觀測者讀出。

感測器的組成：
上面所簡單展示的酸鹼指示劑，卻也點出了感測器組成的訊息。一般說來，要構成感測器（sensor）必須要有兩個基本部分：一是分子辨識單元（molecular recognition unit）、二是信號轉換單元（signal transduction unit）。如所示：
(1). 分子辨識單元：
用來與待測受質（即分析物）交互作用（interaction）的部分。也就是類似一個「陷阱」，可以吸引受質並「捕獲」住；再接著引起後續的信號傳遞（signal transduction）。設計分子辨識單元有兩項指標：愈高的選擇性（selectivity）及愈強的親和力（affinity）愈好。基本上從生物分子中（如：酵素enzyme、抗體antibody等等）所取得的辨識單元經千萬年演化正具極高的選擇性及很強親和力，科學家們利用它們來建構感測器，因此常通稱為生物感測器（biosensor）。也有研究者自行設計或是類比天然的生物分子，利用合成技術製造出感測器，通稱為化學感測器（chemosensor）；或許現今化學感測器分子辨識單元的選擇性及親和力還無法媲美生物感測器，但是生物分子辨識單元的受質受限於常常只與生物有關，但以分子設計的受質應該是沒有任何限制。因此化學感測器或是分子辨識單元正快速地發展著。

(2). 信號轉換單元：
我們無法看到受質是否被分子辨識單元「辨識」，因此感測器中需要有告訴我們的讀出單元（readout unit），即將分子的辨識行為直接（direct）轉換為可被讀出的訊號。常用的轉換信號方式有兩種：可轉換成電化學訊號（electrochemical signal）或光學信號（optical signal）。電學訊號可能以導電度（conductivity）改變或電位（electric potential）變化來表現；光學信號則有顏色變化或莫爾吸光係數（molar absorption coefficient）的改變，或是更靈敏的螢光強度（fluorescence intensity）增減或波長移動。
感測器的整個作用流程可從中看出：首先感測器的分子辨識單元與受質進行可逆非共價性錯合平衡，而被辨識形成複合物，複合物中感測器部分的信號轉換單元因受質結合藉由「某些機制」而被誘導致物理化學信號改變，這信號變化經由儀器監測而直接被觀測到。
分子辨識與信號傳遞兩單元的整合是相當重要的，它直接反應到微觀（microscopic）的分子行為是否能有效的被直接巨觀（macroscopic）讀出。有極佳的分子辨識單元但無法輕易被觀察，算是設計不良的感測器；有極靈敏的信號傳遞單元但無法辨識特定受質，也是無用。之後我們談到的感測器比較偏向以光學信號方式讀出，特別是以螢光訊號表現的螢光化學感測器（fluorescent chemosensor）。
當我們專注在螢光化學感測器中，很直覺地可聯想出有兩種單元整合的方式：自身型螢光化學感測器（intrinsic fluorescent chemosensor）、聯合型螢光化學感測器（conjugate fluorescent chemosensor）。
所謂自身型螢光感測器是指辨識單元中與受質作用的部分有包含在螢光基團（fluorphore）（即信號轉換單元）內，亦即受質的被辨識直接影響到螢光基團光物理化學性質。而聯合型螢光化學感測器中，辨識單元與螢光基團是「絕緣地」被一些其他連接元（linker）連接在感測器分子內，受質的被辨識是間接反應在螢光基團。千萬不要認定分子辨識及信號傳遞單元有明顯的分界；但不管如何，有辨識行為一定會導致螢光基團受擾動到。
  先前提到酚太指示劑，若照上面介紹的名詞分類來看，則是屬於「自身型吸收色化學感測器」的類型；「辨識」氫氧根離子的部分包含在髮色團（chromophore）中，有無辨識到受質將「極劇」改變髮色團 p 電子共軛而造成髮色團從吸收紫外光移動為吸收552nm可見光，表現出的互補色正是從無色轉成粉紅色。補充一點：酚太的辨識機制是利用酚基上酸性氫（acidic hydrogen）對鹼性氫氧根離子的敏感度；是很單純的酸鹼平衡，並不像一般分子辨識機制需要一大堆弱作用力（weak interaction）的那般複雜。
讀者或許可發現，其實感測器與之前的分子辨識主體就只差在：前者多了信號轉換單元而已。針對螢光化學感測器，下列我們列了一些感測器的實際例子。

(1). 準分子的形成（Excimer Formation）：
在未與鈉離子結合時，AAO5O5中的環醚部分可曲性高，使得其上兩個anthracene螢光團是分離的，表現地有如anthracene一般；但在過量鈉離子存在下，環醚部分與鈉離子結合而導致構形改變且較剛硬，使兩個anthracene接近而有 p-p 堆積作用（p-p stacking interaction）形成準分子（eximer），準分子是激發態的anthracene及另一基態anthracene所重新排列分子軌域，所放出之螢光將明顯的紅位移（red shift）；由此螢光的紅位移，我們可知道是否有鈉離子與AAO5O5結合。這屬於聯合型螢光化學感測器的一種。  

(2). 光致電子轉移（Photoinduced Electron Transfer, PET）：
在未結上鉀離子時，窩穴體（cryptand, 類似冠醚，但有更多的結合位且有如洞穴）架橋上的氮原子會參與香豆素（coumarin）發光團的光激發過程：香豆素電子基態在光激發下，激發到電荷較分離的激發態；未鍵結的氮原子因能階較高而將電子轉移至香豆素基態上，導致激發態的電子無法回到基態放出螢光。在錯合上鉀離子後，氮原子的電子形成鍵穩定化而不能提供電子；香豆素的螢光過程不受干擾而放出螢光。由此螢光的增強與否，我們可知道是否有鉀離子與感測器結合。

(3). 能量傳遞（Energy Transfer）：
在未錯合上金屬離子時，能量提供者（donor）及能量接受者（acceptor）被可饒曲多醚鍊分開在頗遠的地方；因此當激發donor時所放出的螢光大部分都是donor本身的螢光。當錯合上金屬離子時，donor及acceptor被帶到鄰近的地方；此時激發donor時，因距離夠近使donor激發態能量有效率地轉移至acceptor，導致發出acceptor的螢光。這種螢光波長的變化可作為受質是否結合的依據。有時的acceptor並不會發出螢光（此acceptor稱為quencher），那就造成螢光驟減（quenching）了。這種驟減機制可設計成反過來的感測機制，即原先donor及quencher在一起，螢光不強；當受質結合時迫使quencher遠離donor，那螢光就增強了。欲造成能量傳遞傳遞的現象需有些要求：

1.適當的距離：
能量轉移是藉由螢光團之間的偶極-偶極作用，因此與兩螢光團間有極大關係。能量轉移效率E可表示成兩螢光團間距離R的關係      
其中R0指Förster距離（Förster distance），表能量轉移速率洽等於其他路徑速率時的距離，亦即50%螢光共振能量轉移。我們假設感測器在結合前後，兩螢光團之間的距離有明顯的變化時（特別在R0附近），藉由螢光共振能量轉移機制，我們應該就可看到螢光素螢光強度的增加、香豆素螢光強度減少。

2. 光譜要求：
當傳出能量donor的螢光光譜與接受能量acceptor的吸收光譜有重疊時才可能有螢光共振能量轉移，當重疊愈大時能量轉移愈容易。基本上光譜有重疊表示它們的能階有重疊，共振（resonance）本來就是在等能量時最強了，當等能階愈多（重疊愈大）時共振效率自然提高。