【人物】從物理化學跨域生醫 張煥正十年紮根 開發全球獨創 螢光奈米鑽石

2021/03/21
【人物】從物理化學跨域生醫 張煥正十年紮根 開發全球獨創 螢光奈米鑽石
鑽石不只能拿來求婚,還能做生醫研究,中央研究院原子與分子科學研究所特聘研究員張煥正,運用師承自李遠哲院士的離子束技術,開發出全球獨創的螢光奈米鑽石,因生物相容性高,已被作為生物體長期追蹤研究工具

People |人物  2020年 Vol. 79

師承李遠哲離子束技術 從物理化學跨域生醫

張煥正十年紮根 開發全球獨創 螢光奈米鑽石

鑽石不只能拿來求婚,還能做生醫研究,中央研究院原子與分子科學研究所特聘研究員張煥正,運用師承自李遠哲院士的離子束技術,開發出全球獨創的螢光奈米鑽石,因生物相容性高,已被作為生物體長期追蹤研究工具;他與團隊建立的細胞藥物定位與定量檢測平台,去年(2019)也獲得國家新創獎。今年因疫情影響,他再利用螢光奈米鑽石優勢,開發超高靈敏側流免疫檢測平台(SELFIA)作為新冠肺炎快篩使用。


撰文/彭梓涵 攝影/李林璦

「奈米科技」被譽為二十一世紀最重要的前瞻技術之一,在眾多的奈米材料(Nanomaterials)中,「奈米鑽石(Nanodiamond)」因為製備困難、絕緣體特性、及光學特徵不明顯,較少受到注意。

事實上,深受大眾喜愛的閃亮亮鑽石,在奈米世界裡脫去光彩奪目外衣後,一樣具備絕佳的導熱、耐磨、耐熱及半導體特性。

師承李遠哲離子束技術 領先全球獨創螢光奈米鑽石 

因為不具生物毒性、且有很好的生物相容性,奈米鑽石已被用在血管支架及人工關節外層以防摩擦,同時因為超強的吸附力,奈米鑽石也做為人體內藥物傳遞的載體。

另外,經過特殊處理的奈米鑽石,也能發出璀璨的「螢光」,是活體生物內用來長期追蹤與成像的理想奈米材料。

而賦予奈米鑽石「螢光特性」的發明,是出自於中央研究院原子與分子科學研究所特聘研究員張煥正的想法,他運用師承自李遠哲院士的「離子束(Ion Beam)技術」,在跨科學的研究中,於2005年製作出全球首創、獨創的「螢光奈米鑽石(Fluorescent Nanodiamond, FND)」。

螢光奈米鑽石獨特的光學和化學特性,被認為可以滿足螢光蛋白標記缺點,成為最佳替代探針,其獨創研究成果,受到美國國家衛生研究院(NIH)的肯定,重要性也被國際學界與產業界推崇與重視。

受薛丁格啟發 盼用物理化學解決生物學家難題

張煥正,學生口中的「安西教練」,和漫畫裡的人物一樣,和藹親切地迎接我們來訪。

從辦公室繞過李遠哲院士操刀設計的中庭,來到張煥正的實驗室,在一間最深處的工作室裡,擺放著張煥正親手建構的四萬伏特小型離子束加速器,這是「螢光奈米鑽石」最早量產的原型機,目前已退役成為實驗室鎮店之寶。

張煥正臺大農化系畢業,在傳統農化系裡,大部的同學都在做基礎的生物化學研究,大三時,張煥正修了物理化學的課,喜歡動手做實驗的他,開始想用「物理化學」的方法來解決生物學的問題。

張煥正不太從事「Me Too」的研究工作,會有這樣的想法,是受大學學弟林修正(現職大學化工與材料工程學系副教授)影響,林修正常常介紹「科學哲學」的書籍與他分享,其中陶染張煥正最深的,即是歐文.薛丁格(Erwin Schrödinger)的《生命是甚麼》(What's Life)一書。

薛丁格是20世紀重要的物理學家,他是量子力學開創者之一,而他著作的《生命是甚麼》,正是用物理和化學的知識,來解釋生命的現象,此書是開啟後現代分子科學領域重要的書,也是不少重量級分子生物學家如James Watson、物理學家Francis Crick等啟蒙之書。

張煥正說,「現在很多生命科學使用的技術,都是物理學家發明的,像是X射線繞射(X-Ray Diffraction)、磁共振成像(MRI)、質譜術(Mass Spectrometry)等。我也希望有所貢獻,從物理化學角度出發,跳脫傳統生物學家的研究方式,給予見解。」

「但這種跨學科(領域)的做法現在很熱門,當時卻很少人在做。」張煥正回想當年表示。

十年紮根、轉型  只等有天實現目標 

張煥正想走出一條不一樣的路,碩士畢業後,張煥正前往美國印第安納大學(Indiana University)攻讀博士,本來想進一步學習生物物理化學,但因為找不到合適的指導教授,最後決定繼續鑽研物理化學,把基礎打好,以後有機會再應用到生物領域。

「不過這是一條辛苦且漫長的路,要跨領域、要懂物理化學技術,還要介紹給生物學家使用。」1990年張煥正取得博士學位後,並未馬上在生物領域有所作為,他又花了三年在哈佛大學化學系擔任博士後研究員。

從碩班到博士後,張煥正花了十年努力轉型,打基礎。

他在哈佛大學時,在做水的離子團簇鍵結研究,剛好與李遠哲的帶電質子動態學研究有些關聯,兩人因此搭起了橋梁,張煥正也到李遠哲加州柏克萊分校的研究室,短暫停留學習離子束的知識與技術。

1993年,李遠哲準備退休回臺擔任中研院院長,按照美國慣例,退休後實驗室大部分的資源設備都會被處理掉或是分掉,李遠哲就問張煥正是否需要研究室的儀器。

「他二話不說的承接其中一套,隔年張煥正離開美國,就用一個貨櫃把儀器拉回臺灣,在原分所設立自己的實驗室。」他說。

回臺後,張煥正繼續跟李遠哲研究,並參與當時原分所陳貴賢所長計畫下的「人工鑽石合成」。

張煥正說,那是1990年代非常紅的題目,一般鑽石需要在高溫高壓條件下才會生成,有人發明低溫低壓化學氣相沉積法,是比較容易在實驗室合成的方法。 

不過,奈米鑽石不像其他奈米粒子,奈米鑽石很小,肉眼看不到,表面修飾也不易鑑定,在發展上一直沒甚麼進展。

而純淨的鑽石透明無暇,不會發出螢光,但在人工合成過程中,若有雜質參入時,就可以看到螢光。於是,在研究鑽石合成時,張煥正就有了生產螢光奈米鑽石的念頭。

獨創技術問世 關鍵竟是「Google搜索」

只是奈米鑽石在有雜質情況下,發出的螢光還是很弱,似乎也沒有特別用途,有學者就提出把鑽石裡的碳打掉,產生「氮-空缺顏色中心(Nitrogen-Vacancy Color Center, NV)」的概念,就能使奈米鑽石表現穩定螢光。

但該用甚麼打、怎麼打,就是大家腦力激盪的問題。張煥正翻找許多文獻,做了理論計算後,認為透過高能量的粒子轟擊人工合成的鑽石粉末,可使晶格產生缺陷。

而他最先想到的是用200萬伏特的電子槍打,可惜臺灣沒有這樣的設備,後來,又想到用李遠哲的離子束技術,但當時也不知道臺灣有沒有儀器。

「我們想要螢光、也知道概念,可是做不出來。」他苦笑。

直到Google出現,張煥正Google一下,發現中研院物理所就有一台300萬電子伏特的離子束加速器,馬上取得聯繫並借用。

張煥正以高能量的離子束轟擊鑽石粉末,順利使結構中產生氮-空缺顏色中心,證明他的理論計算是對的,他再以高溫加熱促進此空缺移動,終於在2005年領先全世界做出「獨創」的螢光奈米鑽石。

他笑道,「這個東西很特別,過去很多物理學家在做,他們懂光學,但不懂離子束,懂離子束的不懂光學,我就把兩個領域連結在一起,這是一個機緣,兩個完全不搭嘎的事,結合在一起才贏得『獨創 』,也要感謝Google,Google改變世界!」

Profile:張煥正

現職

中央研究院原子與分子科學研究所特聘研究員

國立台灣科技大學化學工程學系榮譽講座教授

台灣師範大學化學系合聘教授

經歷

台灣師範大學化學系合聘教授

中央研究院基因體研究中心合聘研究員

中國化學會會誌常務編輯

學歷

臺灣大學農業化學系學士

臺灣大學農業化學系碩士

美國印地安那大學化學系博士

>>本文節錄於《環球生技月刊》Vol. 79

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