磁性基本特性及磁性材料應用

杜怡君、張毓娟、翁乙壬、蘇怡帆、陳世毓、梁哲銘、葉巧雯、吳信璋、卓育泯

國立台灣大學化學系

本篇內容介紹磁性材料特性與其應用，主要分為三部份。第一部分簡單介紹磁性材料基本特性。第二為磁性材

料之應用；包含(1)磁性金屬奈米線具備小尺寸及優良之磁、電阻等特性；因可作為高密度之磁性儲存媒介；(2)

生物醫學上大多使用磁性奈米材料於核磁共振成像；近年來，將生醫材料應用於高熱試劑，並透過外加磁場的

準確定位，磁性奈米材料陡然成為身價百倍的腫瘤治療新寵；(3)磁性液體材料具有完全密封及無漏，其可應用

於太空衣的頸部接合的密封上，磁光效應之應用（如磁場感測器、光電元件、揚聲器等）醫療、血清製造等等

重多方面的應用；(4)興新磁性材料---EuNbO2N 具有巨磁應答(Magnetoresponses)特性；(5)磁性陶瓷材料。最後

藉由日常生活中不可獲缺的物品「耳機」來探討磁性物質對生活的影響。

關鍵詞：磁性奈米材料、磁性液體、磁應答(Magnetoresponses)、磁性陶瓷、耳機

1. 磁性物質 1 杜怡君

將物質置於外加磁場 H 時，其磁化強度 M 將產生變

化，兩者之關係可表示為：M = χH ；χ 為物質磁化率

(magnetic susceptibility)，其表示物質被磁化之難易程度，

物質依磁化率大小可分為五類：

1.1 順磁性(Paramagnetic)物質

順磁性物質在未受磁場影響下，每原子內部磁矩

為散亂分佈，其淨磁矩為零。所以對外無法顯示出巨

觀的磁性；但當有外加磁場時，每個各別的磁偶極矩

受到一力矩作用，而使其朝磁場方向轉動排列。順磁

性的磁化係數數量級約在10-3~10-5。所以巨觀下只能

顯現出微弱的磁性。順磁性物質多與溫度T有密切關

係，遵守χ= C/T (Curie Law) C:居禮常數，T為絕對

溫度。當升高溫度，熱擾動之動能會增加，導致原子

磁矩的方向不易轉成與外加磁場同方向，因此在固定

磁場下，磁化率與溫度成反比。常見顯現順磁性的導

電金屬如銅(Cu)，銀(Ag)，金(Au)等材料。

圖1-1：順磁性物質磁矩排列方式以及磁化率倒數與

溫度的關係

1.2 反磁性(Diamagnetic)物質

反磁性物質的淨磁偶極矩為零，電子軌道和自旋

運動所造成的磁偶極矩的平均總和為零。當材料受到

外來磁場作用，外加磁場使得物質電子軌道運動產生

改變的連帶效應，因而會感應出與磁場一反向的淨磁

偶極矩。反磁性一般都非常微弱，其磁化率< 0，數

量級約為 10-5，且磁化率與磁場、溫度皆無關係。所

有材料都具有反磁特性，常見之導電金屬如銅(Cu)，

銀(Ag)，金(Au)等材料。

圖 1-2：反磁性抗磁圖及磁化率倒數與溫度的關係

1.3 鐵磁性(Ferromagnetic)物質

鐵磁性材料在未受外加磁場影響之下，內部之原子

磁矩排列整齊且方向一致，但各單一磁區內原子磁矩雖

http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E9%9B%BB%E5%AD%90&variant=zh-twhttp://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E8%BB%8C%E9%81%93&variant=zh-tw

排列一致，可是每個磁區的排列方向卻不一定同向，所

以總磁矩仍然為零；但此類物質受到外加磁場時，只需

在很小的磁場作用下，鐵磁物質之特性就能夠表現出來

了。χ＞0，數量級約為 101~106，此時此物質可被磁化至

飽和狀態，即使移去外加磁場，材料仍保有沿磁場方向

之磁化。若這時想將鐵磁材料恢復到原先未磁化之狀

態，就必須再加一反向磁場，才能將淨磁化降到零。因

為內部某些磁矩已自發地趨向於前一次磁場的方向。鐵

磁性物質遵守 χ= C/T-Tc (Curie-Weiss Law) 。當在溫

度低於 Tc 時，為鐵磁性；而高於 Tc 時，因為熱擾動之

動能增加，使磁矩不易再維持同一方向，因而呈現出順

磁性。具有鐵磁性的元素不多(Fe、Co、Ni)，但具有鐵

磁性的合金(如 Nb-Fe-B)和化合物(如龐磁阻化合物)卻

各式各樣。

圖 1-3：鐵磁性物質磁矩排列方式以及磁化率倒數與

溫度的關係

1.4 反鐵磁(Anti-ferromagnetic)物質

圖 1-4：反鐵磁性物質磁矩排列方式以及磁化率倒數

與溫度的關係

1.5 陶鐵磁性(Ferrimagnetic)物質

陶鐵磁性物質在受外加磁場影響下，所表現出的巨

觀磁性與鐵磁性物質相當，只是磁化率的數量級低於鐵

磁性物質的磁化率，大約 10~103，但其內部的磁矩結構

則與反鐵磁性物質相同，只是反相排列的磁矩大小並不

相等，所以陶鐵磁性兩相反之磁矩互相抵消後僅剩鐵磁

性。陶鐵磁性物質當溫度升高時磁矩排列逐漸變亂，使

得自發磁化減少，當達 Curie 溫度時磁矩的排列完全散

亂，自發磁化隨之消失。溫度高於 Curie 溫度則呈現順磁

性關係，磁化率之倒數隨溫度變化曲線在高溫部分呈現很

好的線性關係，直線延長線相交於絕對溫度軸之負值。表

陶鐵磁性與反鐵磁性有密切關係。陶鐵磁性物質中常見

的有：Fe3O4、FeO、Fe2O3磁鐵礦。

圖 1-5：陶鐵磁性物質磁矩排列方式以及磁化率倒數

與溫度的關係 反鐵磁性也屬弱磁性，與順磁性同樣顯示一小正磁

化率，但溫度對磁化率的影響有明顯特徵，反鐵磁性物

質有一臨界溫度 T，T 稱為 Neel 溫度，當溫度大於 Neel

溫度時，其磁化率與溫度的關係與順磁性物質相似，溫

度高於 TN 磁矩會因受熱擺脫晶格排列與磁矩間作用力

之限制，磁矩則成散亂排列，滿足 Curie-Weiss Law；當

溫度小於 Neel 溫度時，磁矩成逆平行排列，正向與反向

磁矩彼此相抵消，磁化率隨溫度下降而變小，並逐漸趨

於穩定值，所以反鐵磁性物質在溫度剛好等於 Neel 溫度

時，磁化率為最大值。

2. 磁性物質之應用 2

2.1 金屬奈米線---鐵磁性之磁性理論

(1) 磁滯現象 自從 IBM 實現藉以磁性材料作為資訊儲存之媒

體以來，軟硬磁碟機就成為電腦數位資訊儲存媒體主

流，磁碟片上佈滿一層磁性物質，通過磁頭感應磁性

物質之排列方向亦可讀出資料，可將此磁性物質排列

方向改變，寫入資料，不因磁場之移除而失去資料，

其原理即為磁滯效應。

將鐵磁性物質置於外加磁場下，如圖 1-6 所示，

當外加磁場由零(A 點)逐漸增大時，鐵磁性物質之感

應磁場隨之增大。當外加磁場增大到某程度，無論磁

場如何增大，鐵磁性物質感應之磁場亦不再增加，即

達到飽和(C 點)，所具此磁場稱為該磁性物質之飽和

磁化量(saturation magnetization)。爾後逐漸減小外加

磁場，則鐵磁性物質之感應磁場亦隨之減小，但其路

徑並不沿原磁化曲線 (magnetization curve)CBA 返

回，乃為沿另一曲線 CD 變化。直至外加磁場降為零，

而鐵磁性物質仍保留磁性，即為磁滯(hysteresis)現

象，此點(D 點)所具磁場稱為該磁性物質之殘留磁化

量(remanence magnetization)。實際上，若欲使該磁性

物質之磁化量歸趨於零，則需外加一反向磁場以作為

去磁之用，如下圖所示，至少須外加如 E 點之反向磁

場才能使 M 場為零。此時，E 點之值稱為物質之抗

磁力或矯頑磁力(coercivity，Hc)，或稱之為抗磁場強

度(coercive field intensity)。相同於正向之外加磁場之

效應，反向磁場大至某一程度，鐵磁性物質磁化強度

亦將達飽和(F 點)，減小反向磁場至零點(G 點)，鐵

磁性物質仍具磁性。再通以正向磁場，磁化曲線將沿

曲線 GC 至 C 點而成一個封閉曲線。此封閉曲線即稱

為磁滯曲線(hysteresis curve)。

圖 1-6：磁滯曲線示意圖

(2) 磁異相性 於磁性物質中，影響磁滯曲線型狀最重要之因素

為磁異向性(magnetic anisotropy)。所謂磁異向性乃指

物質內在能量隨自發磁化方向改變而變化之現象，此

內在能量稱為磁異向能。磁異向性大致可分為下列各

類：

I. 磁 晶 異 向 性 (Magnetocrystalline

anisotropy) 磁晶異向性與材料之本質有關，為強磁體磁

化方向易沿某特定結晶方向排列之特性。簡言

之，在結晶格中之原子，電子運動受到結晶場侷

限，所產生之磁矩方向易指向某一特定結晶方

向，此即磁晶異向性。

II. 形狀異向性(Shape anisotropy) 多晶磁性材料若不具優選結晶方向，則磁晶

異向性對整體而言並不顯著。但假如材料形狀為

非球形，例如：長橢圓體，則此材料之長軸將比

短軸更容易磁化，此乃因短軸方向之消磁場(Hd)

較長軸方向大，故沿短軸方向著磁須較高之磁

場，此一形狀效應所產生之異向性稱為形狀異向

性。

III. 應力異向性(Stress anisotropy) 當物質置放於磁場中，因磁化過程而造成尺寸

之改變，此效應稱為磁伸縮(magnetostriction)，又

稱為歪磁。而物質受某一方向應力(σ)作用時，磁

化強度將旋轉至特定方向以降低磁彈性能

(magnetoelastic energy)，故於外加場作用下將增

加原磁化強度之變化，進而造成物質磁滯曲線之

改 變 ， 此 效 應 稱 為 反 磁 伸 縮 (inverse

magnetostriction)。對於立方晶體而言，若無應力

與其他外在異向性因素存在，則磁矩方向由磁晶

異向性決定；但若存在應力作用時，飽和磁化方

向將由應力與磁晶異向常數決定。 CD

IV. 誘導異向性 (Induced anisotropy)

由磁退火、塑性變形與輻射線所誘導產生之異向性，稱為誘導異向性。

B

E A

GF(3) 金屬奈米線之合成 3-11

奈米線製程部分，由於目前技術之瓶頸限制薄膜

蝕刻成奈米結構之線寬，無法利用topdown的方法任

意製造不同線徑之奈米結構；因此bottomup成為目前

較積極發展奈米結構材料製程技術。

I. 模板輔助成長法 模板輔助成長法又可分為AAM(anodic alumina

membranes) 輔助成長法與界面活性劑輔助合成

法兩類：

(a) AAM(anodic alumina membranes)輔助

成長法：乃以陽極氧化法形成具有奈

米尺度孔洞之多孔性氧化鋁為

template，分別利用各種化學方法，如

CVD、溶液化學法、凝膠(sol-gel)法、

電鍍法等，於奈米尺度孔洞中沉積奈

米線結構之材料。

(b) Soft template界面活性劑輔助合成法：

以微胞或逆微胞合成奈米金屬及半

導體晶粒，利用此方法可合成出分布

均勻之奈米晶粒。

II. 氣相－液相－固相成長法 VLS方法已廣泛應用於鬚晶成長，目前也被

利用於奈米碳管及半導體奈米線之成長，寬能距

材料如GaN等的奈米線也可以利用VLS有效成

長。此機制之優點為，藉由觸媒顆粒大小來控制

奈米線直徑分布；此外可用觸媒薄膜或顆粒之選

擇性沉積，於基板上選擇性成長奈米管或奈米線。

III. 雷射剝除法(laser ablation method) 雷射剝除法乃在早期就被應用於單壁奈米碳

管之大量製備，其合成裝置包含雷射源、石英或

氧化鋁管、含有反應物及催化劑之靶材、水平管

狀爐以及真空系統。先將靶材置入石英管中，放

入管狀爐內，爾後雷射光照射靶材使其氣化，此

些蒸氣原子於適當之氣氛及溫度控制下將以VLS

之方式形成奈米線。

IV. 電弧放電法(arc discharge method) 將樣品粉末塞入一石墨陽極內，另取一石墨

棒作為陰極，兩電極間之距離為數mm，在腔體

內充入500 torr 之Ar / O2 (1 / 4)混合氣，並於兩電

極間施加約55－65 A 之直流電流，電壓為13－15

V，電弧放電約5－6 秒後，樣品粉末將形成奈米

線吸附於陰極與腔體表面，並將兩電極間形成網

絡狀之構造。

(4) 鐵磁性金屬奈米線之應用 2, 12

磁性奈米線可作為高密度之磁性儲存媒介，磁記

錄為運用磁性媒體磁滯特性以儲存訊號(資料)並重現

之技術，此乃由西元 1898 年丹麥工程師 Poulsen 發

明，最先用於聲音錄放，而於 1959 年 Ampex 公司將

此技術用於影像錄放。西元 1950 年代 IBM 公司發明

硬碟機技術，並於 1957 年出廠世上第一台硬碟機

(HDD)-RAMAC，從此進入磁紀錄之黃金年代。百年

來，磁紀錄隨著新技術之發展與運用持續成長，不僅

用於專業資料儲存，並深入日常生活各層面。

磁記錄(稱為寫入)過程中，首先將聲音、圖像、

數位等資訊轉變為電信號，再透過記錄磁頭轉變為磁

信號，磁記錄介質即將磁信號記錄於磁記錄介質材料

中。取出記錄於磁記錄介質材料中之資訊時，僅須經

過同寫入過程相反之步驟，即可讀出。對磁記錄介質

材料之磁特性要求主要為：(1)適當高矯頑力 Hc，(2)

高飽和磁化強度 Ms，(3)高角形比，(4)高穩定性。目

前應用於磁記錄介質材料主要有：(1)鐵氧體磁記錄材

料，如 γ型三氧化二鐵(γ-Fe2O3)等。(2)金屬磁膜磁記

錄材料，如鐵 -鈷 (Fe-Co)合金膜等。 (3)鋇鐵氧體

(BaFe12O19)係垂直磁記錄材料等。

磁存儲材料是電子計算機記憶體所用的磁性材

料。較早應用的是磁滯回線接近矩形的矩磁材料，利

用其兩個剩磁態+Br 和-Br 表示計算機中「1」和「0」

的狀態，再利用兩個電流重合便可以「寫入」和「讀

出」二進位制的「1」和「0」。對矩磁材料的磁特性

要求主要是：(1)高的剩磁比 Br/Bm，低的矯頑力 Hc，

(3)短的開關時間，(4)高的信號/噪聲比。可以應用的

矩磁材料有：(1)鐵氧體磁芯材料，如錳-鎂鐵氧體

(Mn，Mg)Fe2O4 系統等，(2)金屬磁膜材料，如鐵-鎳

(Fe-Ni)係金屬磁膜等。巨磁電阻材料是正在研究和試

驗的一類新型磁記憶體材料，這種磁記憶體同目前應

用的半導體磁記憶體相比還有其特點和優點，因而受

到多方面的重視。

2.2 磁性氧化鐵奈米粒子的應用張毓娟、翁乙壬

磁性奈米顆粒於科技發展中的角色日益重要，譬如用

以製造具有新穎特性之材料，或是於生物醫學、藥物上的

應用。因此，如何製造出具特定大小、形狀、官能基和穩

定度的磁性奈米顆粒，遂成為當今科學研究的課題之ㄧ。

生物醫學上所需之磁性奈米粒子必須要是分散在水

溶液中。然而，磁性奈米粒子一般常是 Fe3O4、MnFe2O4、

CoFe2O4 等單晶所構成，其不溶於水，因此需要在磁性奈

米粒子表面披覆上一層親水性的界面活性劑，以使磁性奈

米粒子能穩定地分散在水中。此溶夜即所謂的磁性流體。

磁性流體中磁性奈米粒子受水分子熱擾動的作用，在無外

加磁場下，該流體無自發性磁偶極。但當有磁場施加在該

流體時，液體中的磁性粒子之磁矩會傾向沿著外加磁場方

向，因而產生了磁偶極。而當外加場移除時，由於磁性奈

米粒子受水分子熱擾動的作用，再度呈現出零磁偶極。這

現象即所謂之超順磁性(superparamagnetism)。

磁性奈米粒子另一個重要特性，就是其大小與生物分

子相近，故藉由適當地改造粒子表面的生化特性，可使粒

子與特定生物分子相結合，致使生物分子帶有磁性標記。

目前，生醫技術上經常使用此一特性進行免疫檢測、細胞

分離、基因轉殖及其他多項應用。

2.2.1 磁性奈米材料製備方法 13-21 張毓娟

芕著科技演進，目前已有許多合成磁性奈米材料的方

法，化學法有沈澱法、溶膠-凝膠法、微乳液法、液熱反

應法 (水熱法，非水溶液熱合成)、溶液蒸發法、溶液還原

法、電化學法、光化學合成法、超聲合成法、輻射合成法

等，每種方法可合成出不同性質的奈米材料，也有各自的

優缺點。接下來，將在上述眾多方法中選擇溶膠-凝膠法、

沈澱法、水熱法、化學還原法、化學氣相沉積法及微乳化

法，並引用兩個研究團隊的實驗結果做為例子，以期能加

深對磁性奈米粒子製程的了解。

(1) 重要文獻回顧 蘇怡帆 磁性奈米粒子通常由磁性材料(例如鐵，鎳和鈷

和它們的化合物)組成，基本的氧化鐵磁性奈米粒子

常用的合成法有共沉澱法(Coprecipitation)、微乳化法

(Microemulsion)、多元醇法(Polyol process)、有機前

驅物分解法(Decomposition of organic precursor)。上述

方式大多在水相或有機相環境進行合成，比較特別的

有 Denes 等人發展了可以在濃稠血漿環境下合成以

碳和鐵為基礎的磁性奈米粒子，為了就是當磁性奈米

粒子應用到人體時，可以降低磁性奈米粒子的不穩定

性。近年來也有許多不同的合成方式被提出，Lu等人

發展了固態合成單晶的氧化鐵奈米粒子並將其應用

在核磁共振顯像中；Shin等人利用熱分解的方式合成

了具有SmCo兩種材質的磁性奈米粒子；Kim等人利用

poly(urethane-co-acrylic acid)的網狀結構薄膜輔助磁

性奈米粒子的合成以及Pascal等人利用電化學的方式

控制γ-Fe2O3 磁性奈米粒子的大小以及結構。最近也

有學者提出不同形狀及組成的磁性奈米粒子，Yan等

人發展了一步驟直接合成FePt以及Fe3O4 混合的磁

性奈米粒子，此FePt磁性奈米粒子不需要靠其他無機

材料模版(inorganic templates)來加以連接即可形成鍊

狀，其長度可以由變化表面前驅物的比例調整。Koo

等人則使用乳狀合成法 (Emulsion-based synthesis)

合成可以伸縮膨脹、以高分子為結構的磁性奈米粒

子。當然除了鐵鎳鈷之外，一些其他材料也常被用來

合成複合型態的磁性奈米粒子，如Guo等人發展了具

核殼結構的Co@SiO2的磁性奈米粒子，Wang等人開

發出鈀包覆的磁性奈米粒子來替代鈀金屬，加速原本

以鈀做為催化劑，將鹵烷類 (R1-X) 以及末端雙鍵的

烯類 (R2=)合成中間為雙鍵 (R1=R2) 分子的Heck

reaction，此外以CoPt3 結合銅為材料的奈米粒子以及

奈米膜也有相關成果發表。

(2) 溶膠-凝膠法 張毓娟 溶膠-凝膠法是一種快速固化技術，因為製備的

氧化物處於穩定狀態。是一種一次成形又可用來製備

多孔胚體之技術，這個技術中包含聚合物的分解和金

屬的氧化。溶膠-凝膠法技術在陶瓷基複合材料的製

備中的前景是非常誘人的，因為它可以得到奈米結

構，在理想情況下，結構上溶膠-凝膠是各向同性的、

均一的。在溶膠變成凝膠之後可以嚴格複製裝有溶膠

的容器的內部形狀。溶膠－凝膠法廣泛應用於金屬氧

化物奈米微粒的製備，前驅物用金屬醇鹽或非醇鹽皆

可。溶膠-凝膠法是將醇鹽溶解於有機溶劑中，再加

入蒸餾水使醇鹽進行水解、縮合反應形成溶膠，而後

隨著水的蒸發轉變為凝膠，再於低溫中乾燥得到疏鬆

的乾凝膠，或進行高溫煆燒處理以得到奈米粉體或薄

膜的方法。例如，Culliver 等利用醇鹽水解製備平均

粒徑 2-3 奈米的 SnO2 粒子。在製備氧化物時，複合

醇鹽常被用作前驅物。在 Ti 或其他醇鹽的乙醇溶液

中，以醇鹽或其他鹽引入第二種金屬離子(如 Ba、Pb、

Al)，可製得複合氧化物，如粒徑小於 15 奈米的

BaTiO3，粒徑小於 100 奈米的 PbTiO3、以及粒徑在

80-300 奈米的 AlTiO5。

溶膠-凝膠法是利用液體般的溶膠流動性成形

後，不喪失溶膠的高均質性，固體化後形成凝膠狀

態。溶膠-凝膠法是一種製備玻璃、陶瓷等無機材料

的新技術。控制溶膠粒子的組成和粒徑，可精密控制

微細構造。在溶膠變凝膠的過程，會發生相當大的體

積收縮，此過程易在凝膠發生龜裂。欲將溶膠-凝膠

法用於工業時，需開發無龜裂凝膠的技術。其基本原

理是：將金屬醇鹽或無機鹽類經水解直接形成溶膠或

經解凝形成溶膠，使溶質聚合凝膠化，在將凝膠乾

燥、焙燒除去有機成分，得到無機材料。近年來許多

人用此方法製備奈米微粒。

溶膠 (sol) 係指粒徑介於 1-100 nm 且均勻分散

於溶劑中的固態膠體粒子，而凝膠 (gel) 則指膠體粒

子在部分溶劑去除後所形成具半流動性的固體。據

此，溶凝膠法即泛指將均勻分散的膠體粒子交鏈化或

將金屬前驅物經水解、聚縮合產生網狀結構物的製

程，如圖 2-1 所示。水解與聚縮合反應的速率受起始

原料種類與濃度、溶劑、觸媒、pH 值、溫度以及化

學添加劑等因素所影響，可藉此控制溶膠粒子的大小

及微結構。

圖 2-1：兩種溶凝膠製程之示意圖。

以奈米二氧化鈦之合成為例，在環流與攪拌下滴

下約 100 當量的水於 Ti(OR)4（R：異丙基）的異丙

醇溶液，可使 Ti(OR)4 進行如下反應，再經乾燥及煆

燒處理即可生成奈米 TiO2 粉體。

優點是所製得的粉體粒徑小、純度高且化學均勻

性良好；缺點則為前趨體 (precursor)原料價格高、有

機溶劑有毒性以及高溫熱處理下會使顆粒快速團聚

等。溶膠-凝膠法包含以下幾個過程：

I. 溶膠的製造方法 溶膠的製備有兩種方法，一是將部份或全部

的成分利用適當的沉澱劑先沉澱出來。經解凝

後，使原來團聚的沉澱的顆粒分散成原始顆粒。

因這種原始顆粒的大小一般在溶膠體系中膠核的

大小範圍，因而可製得溶膠。另一種方法是由同

樣的鹽溶液，通過沉澱過程的控制，所形成的顆

粒才不致團聚形成大顆粒沉澱，從而直接得到膠

體溶膠。

II. 溶膠-凝膠凝膠化 溶膠中含有大量的水，凝膠化過程中，使膠

體失去流動性，形成一開放的骨架結構。凝膠化

有兩種途徑：一是化學法，通過控制溶膠中的電

解濃度；二是物理法，促使膠粒間相互靠近，克

服排斥力，進而膠凝化。溶膠的凝膠化是依下列

方法得到：（1）由溶膠去除溶媒，（2）於溶膠內

添加凝膠化劑（3）在溶液體系內進行化學反應。

對溶膠內添加凝膠化劑常成陶瓷中的不純物殘

留，目前常用的溶膠-凝膠法集中於有機金屬化合

物，特別是以金屬醇鹽為原料的方法。

III. 凝膠的乾燥

將溶膠-凝膠法用於製造陶瓷，燒成前的前驅

物必須為無龜裂的乾燥凝膠成形體，為無缺陷的

凝膠乾燥體，技術的難易存於溶膠的種類、溶膠

粒子的大小與形狀、凝膠的構造。在一定的條件

下使溶劑蒸發得到粉體，乾燥過程中凝膠結構變

化很大。獲得乾燥凝膠的最簡單的方法是在大氣

中自然乾燥，利用此方法形成完全乾燥的凝膠

時，在即將開始固化前要求極緩慢的乾燥，這會

在乾燥凝膠表面發生正比於表面溶媒流速和試料

厚度，反比於表面溶媒擴散係數的表面應力。通

常溶膠-凝膠根據原料可分為有機和無機兩類。在

有機中通常以金屬有機醇鹽為原料，通過水解與

縮聚反應可製備得溶膠，經進一步縮聚可得凝

膠。金屬醇鹽之一般式為 M(OR)n，M 為價數 n

的金屬元素，R 為烷基，金屬醇鹽易與水反應而

加水分解，加水分解反應常因加水分解生成物與

金屬醇鹽或加水分解生成物相互反應而複雜化，

金屬醇鹽之水解與縮聚反應可表示如下：

經加熱去除有機溶液可得到金屬氧化物奈米

微粒。無機原料中一般為無機鹽，由於原料的不

同，製備方法不同，沒有固定的技術。此一技術

常用無機鹽作為原料，價格便宜比有機鹽之方法

更有應用價值。

(3)沈澱法 以溶液狀態混合一定成分原子或分子，添加適當

的分散劑及沉澱劑或加水分解使離子濃度超過其溶

解度積，即當水溶液中的離子 A+與 B-在離子積［A+］

［B-］超過其溶解度積時，溶液達到飽和而產生沉

澱。沉澱物包括氫氧化合物、碳酸鹽、硫酸鹽等，將

之煅燒後即可製成陶瓷奈米微粒，此為一般的沉澱

法，溶液中的微粒沉澱物常藉過濾從溶液分離。此法

為量產奈米陶瓷粉體的重要技術，目前由於液相法技

術的突破，使新高性能奈米複合材料的製造漸能符合

商業化成本的需求。此法中為避免粉體製備過程中硬

團聚現象的發生，過程中往往加入冷凍乾燥、超臨界

乾燥、共沸蒸餾等步驟，以改善此問題。沉澱法的優

點為成本低、操作簡單、易於放大量產及可製備複雜

的化合物；缺點則為團聚嚴重、易引進雜質等。

圖 2-2：共沈澱法之設備圖。

沉澱法包括共沉澱法、均勻沉澱法、多元醇為介

質的沉澱法、沉澱轉化法。 I. 共沉澱法

共沉法可獲得單種或兩種以上金屬元素純或

複合氧化物所用的方法。此方法是在含有單種或

多種陽離子的溶液中加入沉澱劑，在各成分均一

混合後，使金屬離子完全沉澱，得到沉澱物再經

熱分解而製得微小粉體的方法。圖 2.1 為共沉澱

法之設備圖。共沉澱法可製備 BaTiO3、PbTiO3 等

PZT 系電子陶瓷及 ZrO2 等粉體。以 CrO2 為晶

種的草酸沉澱法，可製備 La、Ca、Co、Cr 摻雜

氧化物及摻雜 BaTiO3 等。以 Ni(NO3)2·6H2O 溶

液為原料、乙二胺為偶合劑，NaOH 為沉澱劑，

將製得 Ni(OH)2 奈米微粒，經熱處理後得到 NiO

奈米微粒。另外，將 BaCl2 與 TiCl4 混合的水溶

液中滴下草酸溶液，則 Ba 與 Ti 原子將進行混

合，成為高純度的 BaTiO(C2O4)2 × 4H2O 草酸鹽

沉澱，再經 550℃ 以上熱解可為 BaTiO3 粉體。

與傳統的固相反應法相比，共沉澱法可避免引入

對材料性能不利的有害雜質，生成的粉末具有較

高的化學均勻性，粒度較細，顆粒尺寸分佈較窄

且具有一定形貌。

II. 均勻沉澱法 當從金屬溶液外圍添加沉澱劑時，一般會因

沉澱劑造成局部濃度過高導致不純物析出的現

象。在溶液中加入某種能緩慢生成沉澱劑的物

質，使溶液中的沉澱均勻出現，稱為均勻沉澱法。

此方法乃是克服由外部向溶液中直接加入沉澱劑

而造成沉澱劑的局部不均勻性。本法多數在金屬

鹽溶液中採用尿素熱分解生成沉澱劑 NH4OH，促

使沉澱均勻生成。製備的粉體有 Al、Zr、Fe、Sn

的氫氧化物及 Nd2(CO3)3 等。例如：尿素

(NH2)2CO 溶液加熱到 70℃ 左右，會因加水分解

而析出 NH4OH，NH4OH，自己本身又作為沉澱

劑而被反應掉，因此 NH4OH 的濃度會一直偏

低，使生成與沉澱持續發生，直到(NH2)2CO 完

全反應完為止。

III. 多元醇為介質的沉澱法 多元醇還原法已被發展於合成微細的金屬粒

子例如：Cu、Ni、Co、Pd、Ag。此技術主要利

用金屬鹽可溶於或懸浮於乙二醇 (EG)、一縮二乙

二醇 (DEG) 等醇中，當加熱到醇的沸點時，與

多元醇發生還原反應，生成金屬沉澱物，通過控

制反應溫度或引入外界的成核劑，可得到奈米級

微粒。以 HAuCl4 為原料，PVP 為高分子保護

劑，可製得單一分散球形之 Au 微粒。另外，將

Co(CH3COO)2·4H2O、Cu(CH3COO)2·H2O 溶於或

懸浮於定量乙二醇中，在 180-190°C 下回流 2 小

時，可得 CoxCu100-x(x=4-49)高矯頑力磁性奈米

微粉，在高密度磁性記錄上具有很大的應用前景。

IV. 沉澱轉化法 此方法乃依據化合物之間溶解度的不同，通

過改變沉澱轉化劑的濃度、轉化溫度以及表面活

性劑來控制顆粒生長和防止顆粒團聚。例如：以

Cu(NO3)2·3H2O、Ni(NO3)2·6H2O 為原料，分別以

Na2CO3、NaC2O4 為沉澱劑，加入一定量表面活

性劑，加熱攪拌，分別以 NaC2O3、NaOH 為沉

澱轉化劑，可製得 CuO、Ni(OH)2、NiO 奈米微

粒。此技術的實驗流程短、操作簡便，但製備的

化合物僅局限於少數金屬氧化物和氫氧化物。

(4) 水熱法 水熱法製備奈米粉末的特色和成熟技術，已經廣

泛應用於奈米金屬、氧化物、非金屬氧化物粉末的大

量化生產。“水熱”一詞大約出現在一百四十年前，原

本用於地質學中描述地殼中的水在溫度和壓力聯合

作用下的自然過程，以後越越多的化學過程也廣泛使

用此一辭彙。儘管拜耳法生產氧化鋁和水熱氫還原法

生產鎳粉已被使用了幾十年，但一般將它們看作特殊

的水熱過程。直到本世紀七十年代，水熱法才成為一

種製備陶瓷粉末的先進方法。簡單來說, 水熱法是一

種在密閉容器內完成的濕化學方法，與溶膠凝膠法、

共沉澱法等其他濕化學方法的主要區別在於溫度和

壓力。

水熱法是指在一密封的壓力容器中，以水作為溶

劑，製備奈米材料的一種方法。一般而言，在常溫-

常壓環境中不易氧化的物質，會因水熱法中高溫-高

壓的環境而進行快速的氧化反應。例如：金屬鐵和空

氣中的水氧化反應非常緩慢，但如果在 98 MPa、

400℃的水熱條件下進行 1 小時反應則可完全氧

化，可得數 10-100 微米的磁鐵礦粉體。

水熱法或溶熱法是在高於水或溶劑正常沸點的

加壓溶液下進行，主要設備為壓力釜 (autoclave)。由

於高溫高壓的緣故，溶質的溶解度、擴散係數及反應

性均明顯提高，反應也更容易進行。

水熱法通常以水為溶劑，產品多為氧化物或氫氧

化物。若將溶劑改為有機溶劑，一般即稱為溶熱法，

除了可應用於非氧化物或氫氧化物的合成外，有機溶

劑的選擇也可能影響粉體的結構與形態。

水熱合成反應主要是一種溶解、析出的程序，主

要包含水解和脫水兩步驟，影響因素包括溫度、壓

力、反應物濃度、反應時間、pH 值及添加劑等。

水熱法製備的粉體一般具有：粒徑小、分佈均

勻、顆粒團聚輕及可連續生產、原料便宜、易得到適

合化學計量比的奈米氧化物粉體之優點。且無須進行

高溫煆燒處理，可避免晶粒的長大及引入雜質、缺陷

等困擾，其所製得的粉體一般具有高的燒結活性。

如：水熱法製備的 ZrO2 奈米粉體，粒徑可達 15 奈

米，形成的球狀或短柱狀粉體於 1350 -1400℃ 溫度

燒結下，理論密度可達 98.5%。此製程中又可分為水

熱氧化、水熱沉澱、水熱晶化、水熱分解法以及新近

發展的微波水熱法、超臨界水熱合成法等，皆為製備

奈米氧化物陶瓷粉體的熱門方法。

水熱反應是高溫高壓下在水溶液或水蒸氣等流

體中，進行有關化學反應的總稱。利用水熱反應製備

奈米的方法已經引起研究者高度的興趣，其最小粒徑

平均已經達到數奈米等級。歸納起來可分成幾總類

型：

I. 水熱氧化法(Hydrothermal Oxidation) 將金屬、金屬間氧化物或合金,和高溫高壓的

純水,水溶液,有機溶媒反應生成新的化合物，典型

的反應可以下式表示，其中 M 為金屬，可為鐵

及合金等。

在常溫常壓的溶液中不易氧化的物質，也會

因高溫高壓下進行快速的氧化反應。鐵與空氣中

的水之氧化非常緩慢，但是，在水熱條件下反應

非常快速。在一般條件下不能氧化的金屬鋯在水

熱條件下也會氧化。圖 2.3 為水熱氧化裝置的示

意圖。把鋯粉經過水熱氧化時，在 100MPa、溫

度從 250℃-700℃時可得單一相的單斜晶氧化

鋯，其粉體的粒徑約為 25 奈米。

圖 2-3：水熱氧化裝置示意圖。

II. 水熱沉澱法(Hydrothermal Precipitation) 在水熱條件下進行沉澱生成反應生成新的化

合 物

III. 水熱合成法(Hydrothermal Synthesis) 合

物。

IV. 分解法(Hydrothermal

解化合物生成有用的化合

物。

V. 結晶法(Hydrothermal

Sol-Gol 等非晶質物質結晶

生成

VI. rothermal Reduction) 膠

凝膠

2-1：水熱法與粉體傳統製程及沉澱法、溶凝膠法的比

， 包 括 水 熱 均 勻 沉 澱 法 (Hydrothermal

Homogeneous Precipitation) 及 水 熱 共 沉 法

(Hydrothermal Coprecipitation)兩種方法。

在水熱條件下使兩種以上原料反應生成化

水熱

Decomposition) 在水熱條件下分

水熱

Crystallization) 在水熱條件下使

結晶質物質。

水熱還原法(Hyd

(5) 化學還原法 在水熱條件下還原氧化物生成金屬。與溶

法和共沉澱法相比，水熱法最大優點是一般

不需高溫燒結即可直接得到結晶粉末，從而省去

了研磨及由此帶來的雜質。水熱法可以製備包括

金屬、氧化物、和複合氧化物在內的 60 多種粉

末，表 2-2 為可能合成之金屬、氧化物、和複合

氧化物的實例。所得粉末的粒度範圍通常為 0.1

微米至幾微米，有些可以幾十奈米，且一般具有

結晶好、團聚少、純度高、粒度分佈窄以及多數

情況下形貌可控等特點。在奈米粉末的各種製備

方法中，水熱法被認為是環境污染少、成本較低、

易於商業化的一種具有較強競爭力的方法。

化學還原法通常是指使用各種化學還原劑，在均

勻溶液相中將金屬離子還原成金屬或金屬化合物奈

米粉體的方法。還原劑的種類及濃度會影響還原速

率，當還原速率遠大於核凝及粒子成長速率時，晶核

數量大且可幾乎同時產生，有助於粒徑的減小與均一

化。而為了避免粒子的凝聚及提高粒子的分散性與穩

定性，保護劑的添加不可或缺。

還原劑的種類很多，常見的包括硼氫化物

(NaBH4 , NaBEt3H , LiBet3H)、聯氨 (N2H4 )、醇類、

醛類、有機酸，及少數的有機溶劑與界面活性劑等。

利用化學還原法製備奈米粉體，由於添加的保護

劑在不同的晶面有不同的覆蓋程度，配合適當晶種的

存在，有時可能導致特殊形態的產生。例如以多元醇

法製備銀奈米粉體，若溶液中含有微量 Pt 奈米粒子

作為晶種，並以 PVP 作為保護劑，則所得產品為 Ag

奈米線而非近球狀粒子，如圖 2-4(a)所示。

表

較：

表 2-2：水熱法合成實例：

圖 2-4：(a) 以 Pt 為晶種、PVP 為覆蓋劑，利用多元醇法

製得的 Ag 奈米線之示意圖；(b) 在界面活性劑 CTAB 存

在下，以抗壞血酸鈉還原 Cu2+離子產生 Cu2O 奈米立方體

之示意圖。

(6) 化學氣相沉積 22-26 翁乙壬 化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）

是一種用來生產純度高、性能好的固態材料的化學製

程。此法被廣泛應用於半導體產業中，用以製備晶圓

上的薄膜。近來，亦有研究團隊利用 CVD 來製造由

磁性奈米顆粒組成的薄膜。根據不同的反應形式及製

程條件，CVD 可細分為許多種類，例如超高真空化

學氣相沉積（Ultrahigh Vacuum CVD, UHVCVD）、電

漿輔助化學氣相沉積 （ Plasma-Enhanced CVD,

PECVD）、有機金屬化學氣相沉積 （Metalorganic

CVD, MOCVD）等。雖然種類繁多，但各法的中心

原理相同。以下將闡述化學氣相沉積法的基本原理。

圖 2-5：典型的 CVD 裝置示意圖。(1.密閉容器 2.電熱爐 3.

氣化器 4.固體氣化器 5.回收槽 6.旋轉泵 7.液體排出泵)

CVD 是將反應物以氣體形式通入反應腔中，經

由氧化還原或與基板反應之方式進行化學反應，生成

物藉擴散作用沉積於表面上。CVD 系統包含一個反

應器、一組氣體傳輸系統、排氣系統和製程控制系統

（圖 2-5）。化學氣相沉積過程可分為五個步驟（圖

2-6）：（1）將含有氣相反應物之主氣流（mainstream）

導入沉積室（反應腔）。反應物可為欲沉積之元素本

身，或包含該元素之化合物，例如：欲沉積鐵，則可

使用 biscyclopentadienyl iron（ferrocene）。反應物亦

稱為前驅物（precursor）。（2）主氣流中的反應物藉由

擴散作用經過「界面邊界層」（interface boundary layer）

而到達基板表面。界面邊界層為流體及固體表面因流

速、濃度或溫度等差異所形成的過渡範圍。由於反應

物在主氣流及基板表面間的濃度差，反應物會經過界

面邊界層而擴散至基板表面。此擴散稱為「內擴散」

（3）反應物被「吸附」（absorbed）在基板上。（4）

吸附原子 （adatoms） 在基板表面遷徙（surface

migration）並進行表面化學反應以長成薄膜。（5）反

應之副產物及未反應之反應物被「吸解」（desorbed）

而擴散至界面邊界層，進入主氣流中而被排器裝置抽

離。此擴散稱為「外擴散」。

圖 2-6：化學氣相沉積過程。

薄膜的成長由許多過程所組成（圖 2-7）。首先，

到達基板的反應物必須將縱向動量發散，才能「吸附」

在基板上。反應物分子在基板表面進行化學反應，生

成薄膜。薄膜原子在基板表面擴散，稱為表面遷徙。

原子相互碰撞而結合，形成原子團，是為「成核」

（nucleation）。原子團必須在一定大小之上才能持續

穩定成長，故小原子團傾向彼此聚合而成為一大原子

團。原子團的成長會形成「核島」（island），當原子

填滿核島之間的縫隙，一完整連續的薄膜即形成。無

法與基板鍵結的原子（如反應之副產物）會脫離基板

表面，此過程稱為「吸解」。

圖 2-7：薄膜成長過程。

Matsui 團隊利 用 電漿 輔助 化 學氣 相沉 積

（PECVD）合成了 FePt 磁性奈米薄膜。PECVD 使

用電漿的能量而降低沉積反應的溫度。在 PECVD 系

圖 2-9： 不同 plasma discharge 時間對薄膜顆粒密度及顆

粒大小的影響 (a) 30 秒 (b) 2 分鐘 (c) 8 分鐘。

統中，反應腔內有上下二鋁製電極，基板置於下方電

極之上。兩電極外接一 13.56 MHz 之射頻電壓（radio

frequency, RF）而產生「輝光放射」（glow discharge）

電漿。反應溫度範圍在 100-400℃之間，由電阻絲或

燈泡提供熱能。主氣流被導入反應腔後，通過輝光放

射區域而進行沉積反應。在 Matsui 的該研究中，他們

探討了反應溫度和時間對沉積物型態及磁性性質的

影響。他們使用 biscyclopentadienyl iron (ferrocene)和

(methylcyclopentadienyl)trimethyl platinum 當作沉積

Fe 和 Pt 的前驅物，利用 transmission electron

microscope (TEM) 來觀察薄膜顆粒型態，而磁性性質

是 使 用 magneto-optical Kerr effect (MOKE)

spectroscopy 來測量。TEM 影像顯示了有兩種顆粒被

合成出來，一種為奈米尺寸且獨立的顆粒，另一為由

小顆粒聚集而成的大顆粒。當 plasma discharge 時間

變長，所得的薄膜顆粒密度越大，顆粒也越大。當反

應時間相同，隨著反應溫度提高，該材料的磁滯曲線

越大，也就是硬磁的性質增加。若固定反應溫度，隨

著反應時間拉長，該材料的磁滯曲線越大。在這個研

究中，Matsui 團隊探討了 PECVD 在合成磁性薄膜的

應用，以期能對於現今薄膜製造技術有所貢獻。

圖 2-10：反應溫度及時間對 FePt 奈米顆粒磁滯曲線的影

響左：反應時間固定（30 分鐘），反應溫度由上至下分別

為(a) 750, (b) 650, (c) 550℃。右:反應溫度固定(650℃)，反

應時間由上至下分別為(a) 8, (b) 4, (c) 2 分鐘。磁滯曲線是

在室溫下測量。

圖 2-8：FePt 奈米顆粒之 TEM 影像及粒徑分佈。

(7) 微乳法 27-30 微乳液（microemulsion）是由兩種互不相溶之液

體在界面活性劑的作用下，形成熱力學穩定的

（thermodynamically stable）、各向同性（isotropic），

外觀透明或半透明的液體分散體系。最常見之微乳液

種類有油包水型（water-in-oil, W/O）和水包油型

（oil-in-water, O/W）（圖 2-11）。微乳液體系由水溶

液、有機溶劑、界面活性劑（surfactant）及助界面活

性劑（co-surfactant）組成（圖 2-12）。水溶液通常包

含鹽類或其他可溶於水的物質；有機溶劑通常為

C6-C8 的直鏈烴或環烷烴；界面活性劑可分為陰離子

型（AOT）、陽離子型（CTAB）及非離子型（Triton X），

作用在於增加界面活性，降低油水界面張力，阻止微

胞聚集而提高微胞穩定性；助界面活性劑主要為脂肪

圖 2-13：奈米微粒形成機制。上圖：兩種微乳

液混合。下圖：在微乳液中加入反應物。A：metal salt.

B：reducing agent.

醇或胺類，亦可降低界面張力、增加界面膜的流動

性 ， 及 調 整 界 面 活 性 劑 的 HLB 值

（hydrophilic-lipophilic balance）。

圖 2-11 ： 水 包 油 型 、 油 包 水 型 微 乳 液 示 意 圖

由左至右：1. 微胞分子示意圖，黑色圓球者為親水端，線

條者為親油端。2. 水包油型。3. 油包水型。

微乳化法的優點在於其粒子表面包覆著界面活

性分子，不易聚集而有較好的穩定性。此外，界面活

性劑也扮演著類似「活性膜」的角色，選擇適當的界

面活性劑，經過化學方法可對奈米粒子進行表面修

飾，合成出具特定特質的粒子。然而此法與其他奈米

粒子製備方式相比之下，所得的粒子大小及形狀較不

一致，產率亦低。在製備過程中，需使用大量溶劑。

上述這些原因使的微乳化法並非最有效率的合成方

式。

微乳化法可用來製造奈米尺寸的磁性顆粒。

Zhang 團隊使用 water-in-toluene（油包水）及 sodium

dodecylbenzenesulfonate (NaDBS)來製造 4-15 nm 的

MnFe2O4 奈米粒子。他們首先準備了包含 Mn(NO3)2

及 Fe(NO3)3 的水相，接著加入界面活性劑 NaDBS，

然後加入大量的 toluene 使反相微胞 (reverse micelles)

形成。水與 toluene 的比例決定了微胞的大小，要製

造~8 nm 的顆粒，則水與 toluene 比例為 5：100。實

驗結果得到尺寸範圍在 4-15nm 的 MnFe2O4 單晶（所

以使用~8nm 顆粒來進行後續的定性實驗，因該尺寸

的數量最多），且這些奈米顆粒皆為 superparamagnetic

（superparamagnetism 是磁性奈米顆粒特有的性質）

（圖 2-14，圖 2-15，圖 2-16）。 在此研究中，Zhang

團隊探討了 MnFe2O4 奈米顆粒的微乳化法製程及其

特性，以期能開發更多此技術之應用，譬如製造局部

特殊的藥物傳遞磁性載體。

圖 2-12：微乳液體系（以油包水型為例）。

對於油包水型微乳液而言，其微胞中心之水相空

間（水核）為一奈米級空間，可當作化學反應之場所

而用以合成 1~100 nm 的奈米微粒。其合成奈米微粒

的機制為：（1）兩種微乳液混合（2）在微乳液中加

入反應物（如還原劑或氣體）。第一種方式為製造含

有不同反應物之微乳液，將之混合，則微胞們彼此碰

撞、融合，反應物因此互相接觸而進行反應。第二種

方式為製造單一種微乳液，接著在微乳液中加入反應

物，則反應物經由擴散作用進入水核而與水核內之物

質進行反應（圖 2-13）。由於奈米尺寸的水核是此法

的關鍵，所以選擇適當的微乳液系統是製備材料的前

提，必須考慮到界面活性劑的影響、水與界面活性劑

莫耳比的影響，及反應溫度和時間的影響。

圖 2-14：實驗所得的 MnFe2O4 奈米顆粒之 TEM 影像

大圖：放大兩百倍。小圖：放大一千五百倍。

圖 2-15：奈米顆粒粒徑分布。(粒徑平均值為 7.7±0.7 nm)

圖 2-16：在 20K 和 400K 所量測的~8 nm MnFe2O4磁滯曲

線。

2.2.2 磁性材料在生物分析之應用31-41蘇怡帆 赭麴毒素 (Ochratoxin) 為Penicillium跟Aspergillus這

兩類黴菌的二次代謝物，常存在於許多穀物或豆類中。赭

麴毒素A (Ochratoxin A, OTA) 與身體中的人類血清蛋白

(Human serum albumin, HSA) 具有高度結合能力，原本主

要運送低水溶性分子的HSA，會因我們食入赭麴毒素而喪

失部分運送能力。雖然目前沒有直接證據顯示 OTA對人

體有直接致癌性，但是在巴爾幹半島及南斯拉夫上曾出現

因食入含有赭麴毒素的穀類製品，而造成腎臟方面疾病的

案例。早期檢測赭麴毒素不外乎先將樣品中的赭麴毒素先

經由管柱層析分離後，再經由濃縮步驟後透過紫外-可見

光吸收光譜儀以及螢光光譜儀鑑定確認，近年來因為質譜

儀 (Mass spectrometry) 的 發 明 ， 可 以 用 質 荷 比

（Mass-to-charge ratio, m/z）辨別樣品中的赭麴毒素，但

在樣品分離純化步驟方面仍然需耗費許多時間；近年來所

發展的辨識探針，最普遍的方法是利用抗原、抗體的親和

反應，針對OTA設計具專一辨識的抗體來達到親和與純化

的效果，但是由於抗體的製造較為困難且價格昂貴，因此

發展快速且低成本的偵測方法將使得分析OTA更為便

利。文獻中已經證明了應用HSA和OTA的結合效果在奈米

分析方法的開發之可行性，因此這篇將利用氧化鐵奈米粒

子於其表面修飾對OTA具親和辨識能力的 HSA，發展一

種快速且低成本的分析方法。

(1) 磁性奈米粒子的特性與相關生物應用 磁性奈米粒子除了尺寸小之外，還擁有高表面積

/體積比、超順磁性以及吸收特定波長範圍的能量。可

以應用在藥物的運送，高靈敏度的藥物偵測、基因療

法及核磁共振顯影，在每個截然不同應用的關係就好

像鍊條與齒輪的關係息息相關。在那麼多的應用範圍

中，主要針對以下磁性奈米粒子的某些特性來發展。

I. 可被外加磁場所操控 當施以一個外加磁場時，磁性奈米粒子將會

被外加的磁場所吸引而聚集，與一般鐵磁性不同

的 地 方 ， 是磁 性 奈 米 粒子 具 有 超 順磁 性

(superparamagnetic)，可藉由磁滯曲線(hysteresis

curve)來解釋，是指對樣品施加一個正向磁場

時，樣品也會獲得一個正向磁化量，接著若移除

外加磁場時，一般磁性物質內部的磁性並不會馬

上移除，會經由時間慢慢地減弱或是利用施加一

個負的磁場使其內部磁性歸零。

不同顆粒大小的磁性物質其磁滯曲線也有所

變化，當磁性粒子的尺寸小於50 nm 時，其磁化

方向不再固定在一個單一方向，原因為粒子大小

若小到只剩單一或更小磁區而不會出現矯頑力即

為超順磁性，其磁滯曲線可看到磁性奈米粒子本

身的磁性是根據外加磁場來動作。根據這個概念

科學家發展出利用磁性奈米粒子做為探針材料，

可從複雜樣品中將我們的目標物給純化出來。

II. 比表面積大的特性 當物體經由切割之後，其總表面積會增加，

所以當相同體積的物體變小時，其表面積與體積

的比值會越來越大。而磁性奈米粒子因為粒徑都

在 50 nm 以下，具有高比值的表面積/體積比，

這意味著當同樣體積時磁性奈米粒子會比一般磁

性粒子擁有較大的表面積，因此能修飾上較多對

目標物有親和能力的分子於奈米粒子表面，以一

個磁性奈米粒子為中心，因表面積/體積比大，經

由表面修飾後，可以進一步鍵結上對不同抗原具

有辨識能力的分子，讓磁性奈米粒子具有多重功

能性。

III. 具有放熱的效果 鐵磁材料產生加熱的效果基本上是由於磁滯

損耗(Hysteresis losses)所造成，磁滯損耗為當鐵磁

體在反覆磁化過程中因磁滯現象所消耗的能量，

這些消耗的能量會以熱以及其他形式釋放出，此

觀念也可用到磁性奈米粒子方面。磁性奈米粒子

可當作放熱的介質，由於不同形狀磁性奈米粒子

對電磁波吸收的範圍也不一樣，且磁滯損耗的不

同對大小顆粒奈米粒子所形成的加熱效果也不

同；在癌症的治療方面有文獻報導利用癌細胞較

正常細胞不耐熱的生理現象，透過磁性奈米粒子

做為放熱媒介可將癌細胞經由標定後加熱殺死。

Fe3O4 磁性粒子之合成：在雙頸瓶中加入2.0

g 的氯化亞鐵 (FeCl2) 以及 5.4 g 的氯化鐵

(FeCl3)，並混合 25 mL (2 M)的鹽酸。將雙頸瓶

於超音波震盪器中震盪 10 分鐘，使氯化鐵以及

氯化亞鐵完全溶解成透明黃色液體後，利用 TF

二方活栓及血清塞封住雙頸瓶兩端開口。利用TF

二方活栓連接軟管至真空幫浦，抽氣約 10 分

鐘，將雙頸瓶內部抽氣至真空狀態以去除多餘的

氣體。以氮氣氣球將氮氣填入雙頸瓶中，將反應

置於攪拌器上以磁石高速攪拌，轉數設定在 500

rpm，並利用注射針頭從血清塞的一端緩慢注入

40 mL 28 %的氨水當作沉澱劑，此時溶液會由原

本透明黃色轉為咖啡色，最後形成黑色的四氧化

三鐵粒子，當注入完成後須繼續攪拌反應 1 小時

使反應更加完全。反應完成後利用強力磁鐵收集

磁性奈米粒子，並用去離子水重複清洗到無氨水

殘留，最後將磁性奈米粒子分散於 100 mL 甲醇

保存，此磁性奈米粒子經烘乾秤重後測得濃度約

為 2 mg/mL。

圖2-17：合成 Fe3O4@HSA 萃取探針的合成流程圖。

(2) 磁性奈米粒子做為探針的設計 用在各種探針的設計與發展，可直接在磁性奈米

粒子上面利用化學修飾的方式，加以結合不同的官能

基去針對待測的分析物，如抗體抗原的關係、

Streptavidin和Biotin、靜電吸引力、及配位基共價與

螯合的性質設計其親和辨識的探針。

做為探針設計的磁性奈米粒子通常以核殼

(Core/shell)結構以及內部混合型存在著，內部混合型

主要在調整奈米粒子主體的特性或產生新穎特性，而

在核殼結構方面，因生物分子如細胞、核酸、蛋白質

都會因非專一性吸附到具有磁性的核上，為了降低非

特異性吸附以及提高其專一性，會修飾一些分子形成

殼來調整奈米粒子的表面特性，當以 Fe3O4為核心，

在外面包覆著金做為殼層時，因為金會與硫有特殊的

硫金鍵結，所以可以將具有硫的分子成功地修飾在金

的表面，此修飾上金表面的分子的另一端具有 COO-

的分子便可以用來抓取帶正電的分析物。根據相同的

概念，科學家修飾上金屬、陶瓷、有機高分子或生物

巨型分子來改變表面特性，由此設計出來的磁性奈米

粒子在各領域應用方面非常廣，如催化、生物醫學、

核磁共振成像、數據儲存以及環境生態等。

I. OTA磁性奈米粒子之設計 文獻中曾提及 OTA 與 HSA 有高度的結

合能力，而磁性奈米粒子又可以經由包覆在外的

官能基修飾達到目標物所需要的生物專一性及選

擇性，而之前文獻中已針對此可行性進行探討，

所以此研究是利用HSA 修飾於磁性奈米粒子的

表面做為萃取探針。已知的修飾方法大致可分成

兩個方向：

圖2-18：Fe3O4合成Fe3O4@EDAS 的磁性粒子反應流程

圖

(1) 以靜電吸引力修飾粒子表面

我們知道 HSA 處於 pH 值高於它的pI值

時( HSA的pI值為 5.6 )，會帶淨負電荷，所以我

們可利用溶膠-凝膠反應讓磁性奈米粒子表面修

飾上 N-[3-(2-Aminoethylamino)propyl]

trimethoxysilane (EDAS)使其表面帶上正電，接著

利用靜電吸引力將 HSA 吸附在 Fe3O4@EDAS

奈米粒子的表面上，此方法修飾的 HSA 量較

少，因此對於萃取OTA 的效果會造成影響。

(2) 以共價鍵結方式修飾粒子表面

共價鍵結的方式通常會使用偶合試劑來使反

應進行，一般會利用 EDC先與HSA進行反應，以

活化HSA結構上的羧基，而活化後的羧基會被

Fe3O4@EDAS(反應流程圖見圖2-17)末端的胺基

攻擊而產生亞胺基(Imine)反應，此種以共價鍵進

行修飾的方法，其修飾量較多且較穩定。(見圖

2-18)

II. Fe3O4@EDAS 磁性粒子之合成 將合成好的磁性奈米粒子溶液(2 mg/mL, 100

mL)置於雙頸瓶中，架設迴流裝置並於上方以氮

氣氣球通入氮氣，攪拌器設定 350 rpm、110℃。

利用注射針頭將 2 mL EDAS 溶液注入雙頸瓶

中，並反應 24 小時以形成 Fe3O4@EDAS。反應

完成後利用強力磁鐵聚集 Fe3O4@EDAS磁性奈

米粒子，並以甲醇及去離子水各清洗3 次。最後

將Fe3O4@EDAS重新懸浮於去離子水(10 mL)中

並 放 置 冰 箱做 保 存 ， 經烘 乾 秤 重 後測 得

Fe3O4@EDAS 溶液濃度約為 15.5 mg/mL。

III. Fe3O4粒子表面修飾HSA 秤 10 mg 的 HSA 及 100 mg 的 EDC 配

製於 10 mL(0.1M) 的 MES 緩衝溶液中 (pH

6.80)，取約 31 mg 的 Fe3O4@EDAS 磁性奈米

粒子，利用磁鐵將溶液去除後加入已配製好的

HSA MES 緩衝溶液中，將整瓶溶液用鋁箔紙包

好以避免光分解，並置於震盪器上反應 24 小

時，即形成 Fe3O4@ EDAS @HSA 磁性奈米粒

子，反應之後用磁鐵磁性分離去除上清液，再用

去離子水清洗 3 次，最後分散於 5 mL 的去離

子 水 中 ， 形 成 濃 度 約 為 7 mg/mL

Fe3O4@EDAS@HSA 粒子溶液。

圖2-19：Fe3O4@EDAS合成為Fe3O4@HSA 的磁

性粒子反應流程圖。

IV. 以磁性奈米粒子為萃取OTA之步驟 配製 OTA 於去離子水中，並以去離子水稀

釋成下列濃度，2.0×10-7 M、1.0×10-7 M、2.0×10-8

M 、 1.0×10-8 M ， 每 瓶 各 200 mL 。 將

Fe3O4@EDAS@HSA 690 mg 加入樣品瓶中，利

用微量吸量管來回吸排(pipetting)一分鐘後，以強

力磁鐵(5000 高斯)磁性分離 10 分鐘並去除上

清液。加入 1 mL 去離子水，來回吸排 20 次清

洗磁性探針以去除非特異性吸附，磁性分離 10

分鐘。清洗 2 次後加入運作溶液(running buffer

(ACN:DIW=1:1+0.1%CH3COOH)) 20 μL 來回吸

排 1 分鐘將 HSA 上的 OTA 沖提出來。在進

樣方面，使用的進樣裝置是無鞘流界面，先將修

飾好帶正電的毛細管以去離子水潤濕後，利用水

幫浦將運作溶液充滿毛細管並移至電噴灑質譜儀

的的前端。進樣時以-10000 伏特將萃取出來的

OTA 進樣四秒鐘後，接著以-10000 伏特於運作

溶液下進行分析，圖譜收集時間為三十分鐘。

圖2-20：經由磁性奈米粒子萃取OTA以及清洗非特異性吸

附的實驗流程圖。

(2) 磁性奈米粒子萃取含OTA酒類樣品 I. 樣品的前處理

以超音波震盪 30 分鐘去除酒類樣品的氣泡

並使用高速離心機將沉澱物分離，之後利用針筒

與過濾膜過濾裡面的雜質，此處理好的酒樣品放

置在冰箱中保存。

II. 標準添加法 標準添加法為加入一系列的參考標準品於樣

品中，進行分析並求得檢量線，以外插法求得樣

品之濃度，此方式為針對基質干擾較大的樣品之

分析法。其中母液的配製法為將處理好的酒樣品

稀釋 100 倍配成 3.0×10-7 M (0.12 mg/L)的含

OTA 之酒母液，再用母液將不同濃度的 OTA

以序列稀釋成下列濃度，配製 5.0×10-6 M、

1.0×10-6 M、2.0×10-7 M、1.0×10-7M OTA，每種

濃度各三瓶，每瓶各 1 mL。

III. 萃取真實樣品 將 690 mg Fe3O4@EDAS@HSA 加入真實

樣品溶液中，以微量吸量管來回吸排一分鐘後，

利用強力磁鐵 (5000 高斯 )磁性分離 10 分鐘

後，去除上清液並加入 1 mL 去離子水來回吸排

20 次，用以清洗非特異性吸附，重複清洗 2 次

後加入運作溶液(ACN:DIW=1:1+0.1%CH3COOH)

20 μL 來回吸排 1 分鐘即可進樣由離子阱質譜

儀進行分析。

2.2.3 結論 此部分所介紹磁性奈米粒子之應用是利用共價鍵結

修飾 HSA 於其表面做為萃取OTA 的濃縮探針，由質譜

分析結果顯示此探針對於OTA有非常不錯的濃縮效果。

在酒的真實樣品裡，我們嘗試了市售的四種真實樣品

酒，分別為 Choya spark rum、Heineken beer、Choya spark

vodka、Ice fire vodka 並利用標準添加法進行檢量線之製

作，根據 OTA (m/z 402)以及 Bradykinin (m/z 1059)的選

擇離子層析圖譜面積積分的相對比值為縱軸，將此相對比

值在不同濃度添 3.0×10-7 M(0.1211mg/L) OTA 下做圖可

得到一迴歸線，利用迴歸線回推各酒樣品中的 OTA 含量

為 0.1189 mg/L、0.16 mg/L、0.1385 mg/L 及 0.09808

mg/L，與實際所添加的值 0.12 mg/L 相較誤差值分別的

誤差值為 2 %、32 %、14 %及 18 %，原因有可能是因酒

的成份組成不同造成誤差值因而不同，而我們從包裝上所

獲得的資料太少無法正確的推斷何種成份的添加會造成

干擾。而這些干擾可能是因成份中的某些物質而造成以毛

細管進樣時變異而造成誤差，此方法還須進一步改善。

而磁性奈米粒子因為本身具有超順磁性，可藉由外加

磁場來進行磁性分離，且來回吸排的方法也將萃取的反應

時間由平常的 1 個小時縮短至 1 鐘，有效縮短了分析樣

品所需的時間。本方法的偵測極限可以達到 10-8 M，比

台灣衛生署以及歐盟的參考食物中可容許殘留量換算成

溶液中 OTA 濃度為1.25×10-8 M 來得低，另外利用免疫

親和分析OTA 的抗原價格非常昂貴，而且取得也不容

易，而本方法所使用的 HSA 較便宜，可以降低偵測 OTA

的成本，只是在不同的基質干擾背景下，利用標準添加法

仍會有相當大的誤差值，因此還需進一步改善此方法，以

達到較高的可信度。

2.3 磁性材料在醫學上的應用 陳世毓 2.3.2 超順磁氧化鐵在核磁共振影像的應用 核磁共振影像是最常被使用的醫學影像技術，它靠體

內的水質子產生訊號。但在百分之三十的醫學文獻上發

現，僅有水不足以產生具區辨性的影像，還需要化學對比

試劑輔助。這些對比試劑就是磁性材料，以扭曲局部磁場

以增進影像對比。鬆弛率用以測量對比試劑的效率，對比

率越大影像增強越佳。超順磁性氧化鐵具有高度單一排列

的磁區，擁有非常大的磁矩，組成高效率的對比試劑。此

外其他化學組成影響鬆弛率的因素：結晶的程度、超順磁

性氧化鐵的粒子大小和粒子在體內的聚集程度，都會影

響。

隨著醫學的進步，人們發現重要且致死率極高的疾

病—癌症，透過對人體運行機制的了解，企圖嘗試降低癌

症的死亡率。歷經早期的製備、分散問題，磁性材料的發

展已漸趨完備，近年來大量使用在核磁共振成像、疾病診

斷與治療、藥物傳遞及基因治療等，以下介紹磁性材料的

最新應用。

2.3.1 超順磁氧化鐵 (superparamagnetic

iron oxide, SPIO)42 巨觀的鏽鐵(氧化鐵)平凡無奇，將其奈米化後，氧化

鐵粒子卻擁有不凡的特殊磁性，成為引人注目之先進醫學

材料。金屬離子或有機自由基含有未成對電子，他們就是

我們一般所熟知的順磁性材料。在磁場中，未成電子自旋

將依磁場排列成基態，使材料形成飽和磁矩(magnetic

moment)，移去該場則現象消失。鄰近電子排列方向相同，

形成磁場。磁性材料的形狀達最小(奈米尺寸)，沒有縱向

磁場，但所有自旋彼此排列成直線的單一磁場；該結果造

成磁矩大增，即超順磁理論。而典型的例子為超順磁性氧

化鐵 (SPIO)。

許多市售的超順磁氧化鐵透過改變外部批覆層，常被

用於標靶肝臟腫瘤的核磁共振影像之對比試劑。關於藥物

動力學、粒子大小和表面修飾仍被不斷研究。典型的對比

試劑在血液中的半生期，以陰離子披覆在一個小時發生變

異，人體中以澱粉披覆的可長達 24-36 小時，在大鼠體內

則是 2-3 小時。超順磁氧化鐵存在肝臟、脾臟和骨髓中，

超過七天以上才會被代謝出來，故可增加使用時效。

超順磁性氧化鐵也可以透過共價連接在生物體表面

之標的。標示上抗體可被使用在直腸癌、乳癌和I型血管

黏著分子 (VCAM1)的成像。其他的研究成果如I型免疫缺

乏病毒 i 31 (HIV-1) 的轉錄反式活化 (TAT) 胺基酸32，已知

其可快速通過細胞膜並累積在淋巴細胞，添加超順磁性氧

化鐵的測量訊號是傳統的一百倍以上。葉酸和超順磁性氧

化鐵共軛鍵結，也常被用於追蹤腫瘤細胞。除此之外，超

順磁性氧化鐵也被使用於標的體內幹細胞和乳癌荷爾蒙

成像。

圖 2-21：(核：殼)直徑比在表面電漿共振放射位移的影響。

氧化鐵在醫學應用上，最引人注目的莫過於最高氧化

態的四氧化三鐵 (Fe3O4)。像量子點一樣，超順磁性氧化

鐵本身具有毒性，於合成過程必須接上官能基，以增加生

物相容性。將超順磁性氧化鐵裝入膠囊狀的聚合物中，例

如：葡萄聚糖、多醣、聚乙二醇 (PEG) 和聚氧化乙烯

(PEO)。近來許多報導是關於金披覆順磁性氧化鐵以作為

核磁共振影像 (MRI)和脫落試劑 (ablation agent)。由圖一

可看出，隨 (核：殼) 比例增加產生紅位移的現象。

                                                       

圖 2-22：TAT-中間體藉由胞吞作用進入細胞。TAT 和帶負

電的細胞表面鍵結並鬆開膜形成大微胞。TAT-cargos 透過

微胞進入細胞，幾乎大部分皆被困住；必須經由 TAT-fused

HA2 共轉換，pH 下降時使微胞膜不穩定，增加 TAT-cargos

釋放量。

圖 2-23：監控磁性藥物於血管內之特定目標。

2.3.3 磁性奈米粒子在藥物傳遞上的應用 45 雖然每年有超過一百萬的肝癌病患，但由於缺乏適當

的治療方法，使患者正常的細胞受到極大的破壞，故急需

尋找適當的治療方法。近來也有將奈米磁性物質與藥物氣

化，再利用外加磁場，將藥物引至肺部特殊區域。此方法

未來將針對肺的受損區域做局部投藥，避免旁支反應。

如圖 2-23 所示，抗癌藥物 (例如：mitoxantrone) 與

磁性物質相互鍵結，藉由外加磁場，注射藥物在供給腫瘤

細胞的血管處或集中在特定的腫瘤組織。此方法不會限制

mitoxantrone 的化學結構，或其對腫瘤的標的。磁性奈米

粒子所扮演的角色是藥物傳遞中不可或缺的組成，而磁性

奈米粒子修飾在藥物上，最重要的是不能影響藥物的活

性，其次產生夠強的磁場，如圖三所示。

圖 2-24 中，含有磁性奈米粒子的藥物被氣化後，送

到肺部的特定區域。相較於典型的磁性藥物標的，藥物不

需要被胞吞後再釋出，被氣化的液滴直接就是藥物載體。

所以在此奈米磁性粒子無需針對不同藥物另外加修飾。

圖 2-24：霧化的奈米磁性藥物送入特定區域。

圖 2-25：比較(a)腫瘤樣品(b)樣品與 0.1 wt％四氧化三鐵和

(c)樣品加 0.1 wt％披覆金的四氧化三鐵，置入 1 cm 深的

乳房中，以 NIR-TRS 於波長 788 nm 激發，調節頻率在 100

M Hz。黑色橢圓表示腫瘤樣品的尺寸和位置。箭頭標示

最大吸收處差異。

2.3.4 超順磁性氧化鐵在癌症治療上作為高熱試劑 46 透過近紅外光激發，超順磁性氧化鐵在磁場週期作用

下，可做為高熱試劑 (hyperthermia agents)。磁性高熱是

以金屬產物的電子流轉換成磁場作為基礎，加上任何金屬

利用錳-鋅亞鐵鹽磁性奈米粒子 (MZF-NPs) 加熱誘

導基因活化。基因治療優於傳統治療之處，即表達特殊治

療基因在特定的細胞或組織。藉由錳-鋅磁鐵鹽奈米粒子

(MZF-NPs) 在交流磁場 (AMF) 下，加熱誘導基因表達。

PEI-MZF-NPs 對 DNA 有好的鍵結能力和高轉換效率升

溫。注射 2.6 和 4.6 mg MZF-NPs 在長腫瘤的裸鼠，可升

溫至 39.5 和 42.8℃ (如圖 2-27)；進行升溫治療後一天顯

示，β-半乳糖苷酶濃度升高到 3.8 和 8.1 mU/mg (如圖

2-28)。該結果證實，利用磁性奈米粒子在特定組織細胞，

可加熱誘導基因表達。

的電導過程都伴隨著電阻，使消失的能量轉換為熱。磁性

材料之相鄰鐵原子間存在極強的交換耦合作用，形成自發

磁化達到飽和狀態的微小區域，這些自發磁化之微小區域

稱為磁疇。磁性材料在交變的磁場中反覆磁化，磁疇間相

互摩擦產生能量耗損，該損耗稱為磁滯損耗。此外，磁性

材料反覆磁化時磁向量旋轉，和顆粒本身狀態不斷改變，

造成溫度上升；該反覆磁化過程中能量損失稱為奈爾鬆弛

(Neel relaxation) 及布朗鬆弛 (Brown relation) 45。在較深

的區域若需要同等級的加熱程度，就必須使用奈米尺寸的

超順磁性材料的強磁性材料，大小約 3-7 奈米。

低溫加熱 (42-45℃) 能針對局部做癌症治療。磁性奈

米粒子透過交流電磁場 (AEM fields)，選擇適當頻率達到

加熱效果，外部的正常組織則不受影響。促性腺釋放激素

(LHRH) 對乳癌細胞具有高親和性，常用於腫瘤特殊辨

識。如圖五所示，四氧化三鐵粒子尺寸範圍在 10-30 奈米

在交流電場速率 18℃/wt％-minute 下加熱。以金披覆於四

氧化三鐵外，LHRH 再修飾在金奈米粒子上作為腫瘤特殊

辨識奈米試劑，對乳癌進行光學偵測和電磁誘導升溫。

圖 2-27：錳-鋅亞鐵鹽奈米粒子在活體內的熱力學測試。

成功的將腫瘤組織裁切僅需 5-10 mg/cm3的超順磁性

氧化鐵。最主要的困難在於局部並在內部單一組織的分

離。目前已完成第一期測試結果，利用超順磁性氧化鐵作

為高熱試劑，未來渴望應用在前列腺癌的治療上。雖然奈

米粒子在治療的一年後仍存在體內，但無毒；且就目前的

觀察看來，沒有縮短生命的跡象。

2.3.6 結論

圖 2-26：人類乳癌腫瘤植入大鼠之金-奈米殼-間接光真皮

脫落作用。(a)以奈米殼和近紅外光進行體內治療後雷射造

成出血和組織移除病理解剖；(b)銀染觀察組織切片只是局

部區域的奈米殼(紅色輪廓)；(c)以蘇木紫 (hymatoxylin)

和曙紅 (eosin)染色同一平面以觀察奈米殼破壞組織的範

圍；同樣的(d)經核磁共振升溫成像(MRTI)，對 a、b、c

計算不可逆的升溫破壞區域。

早期發展的核磁共振影像，因超順磁氧化鐵的加入，

不僅增加藥物的半生期，結合外加磁場使得藥物更準確的

進入目標作用區，降低正常組織的傷害。此外，磁性奈米

粒子結合藥物氣化進行肺部治療，利用磁場將藥物引入治

療組織後，同時進行高熱試劑治療，誘發惡性腫瘤組織自

殺，同時降低藥品副作用並提升藥物的治療效率。在生醫

的應用上，磁性奈米材料扮演著治療與傳送的雙重角色，

不再拘限於過去的核磁共振成像。

2.3.5 磁性奈米粒子在基因治療上的應用 48

圖 2-28：加熱誘導 P1730OR (哺乳動物基因)β-半乳糖苷酶

轉譯至 SMMC-7721 (肝癌細胞)。

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2.4 磁性液體性質與應用概述 梁哲銘

本文簡單地磁性液體發展的過程、現今常用的

磁性液體製備方法、磁性液體的物理性質、日常生

活與科學研究方面的應用。

2.4.1 磁性液體發展簡介 磁性液體是由奈米級磁性顆粒均勻散布於載液中所

形成富含磁性的流體，因其具有液體的流動性與磁性，展

現出許多有別於其他流體的特性。本文簡單就磁性流體的

發展、製程、性質、應用等方面，做一簡單概述。

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磁性流體的發展，最早於 1898 年，由 Bredig Z 通過

電化學反應製備而成，在其後半個世紀，Ostwald W 等人

亦相繼使用化學方法製備出多種磁性液體，不過此時的技

術並不純熟，其顆粒尺度尚嫌過大獲世界面活性劑的選擇

不當使得溶液呈現膠體狀態（故磁性液體在初期時被稱為

磁性膠體），此時的磁性膠體極不穩定，故難以在應用上

有所發展，直至 1963 年，美國國家航空與航天局的 Papell

S.S. 採用油酸作爲介面活性劑及利用球磨法將其包覆在

奈米級的 Fe3O4 微顆粒上（直徑約爲 l0nm），並高度均勻

彌散於煤油（載液）中，形成一種穩定且性能優異的磁性

膠體，並將其應用於太空衣的頸部接合的密封上，成功使

得太空人可在真空中自由轉動頭盔，而引其科學家的注

意，磁性液體的研發與研究開始受到重視。

 

圖 2-31

奈米磁性顆粒：是一種奈米尺度之磁性顆粒，其成分大多

有 Fe2O3、Fe3O4、單一複合鐵化物、純鐵粉或鐵鈷合金，

目前較常使用 Fe3O4，為使奈米磁性顆粒能抵抗重力影響

而不易發生沉澱，其平均粒徑不超過 30nm 為佳，若把奈

米磁顆粒子直接置於載液當中，各粒子間會因為凡得瓦力

（Van der Waals force）之影響，相互間吸引並產生聚集；

故為使其能穩定分散且均勻分布，加入界面活性劑吸附於

奈米磁顆粒，如圖 2-29 中所視，介面活性劑另一端帶有

負電基團，使各粒子間產生互斥現象，而不致於發生沉

澱。界面活性劑：一種具極性官能基的結構，同時具有親

水與親油兩種不同性質的官能基團，由非極性的長碳鏈親

油基與極性的親水基所構成，如圖 2-30，官能基的其中一

端吸附於奈米磁性粒子上，另一端則延伸至載液當中，當

載液與官能基的外觀具有相似結構時，彼此就可以相互溶

解。界面活性劑的目的是將奈米磁顆粒的表面包覆，使各

粒子靠近時互相排斥，產生布朗運動，而不發生沉澱現

象；磁性液體尚有以下作用：1. 防止磁性顆粒的氧化；2.

克服凡得瓦力所造成的顆粒凝聚；3. 降低靜磁吸引力；4.

改變磁性顆粒表面的性質，使