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用超快雷射來殺菌,不會太小題大作了嗎?

南宮簫笛哥
・2017/02/12 ・2326字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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2016 年初,在泛科學分享過〈蚊子剋星:「雷射炮」問世!〉,現在想跟各位分享,還有人想用雷射來殺比蚊子更小的細菌(微米大小)與奈米大小的病毒!而且,目前科學家用來殺病菌的雷射可不便宜,是新台幣百萬以上的超快雷射。

有點小常識的人,聽到雷射殺菌馬上會想到:市面上不是已經有很多殺菌的東西了嗎?(不好意思,我不是說你沒常識。) 譬如烘碗機裡常有一個功能,開啟紫外光殺菌,又或者是我們日常常用酒精、漂白水來消毒(就是讓病菌無法作用),還有高溫也可以殺菌等等。既然已經有那麼多方法可讓細菌病毒失去活性,為何還要用這麼貴的雷射去滅菌?如果我這樣說:「暴力一點你也可以選擇潑硫酸讓細菌死光!或是放火燒了它!」你知道問題的關鍵了嗎?

病菌,你小心一點!圖/pixabay, CC0

重點在於「選擇性」!

如果想把手上的細菌消滅,誰會想放火燒自己的手?如何殺菌而安全不傷手,才是重點。酒精、漂白水並非對所有病菌有用,紫外線接觸久會引發皮膚癌,更別提手被沸水、硫酸潑下去會發生什麼事了!

美國亞利桑納州立大學物理系鄭功榮教授與他生醫背景的兒子鄭紹偉博士,在 2006 年左右開始研究如何用超快雷射讓病毒失去活性。他們首先找上會感染細菌的嗜菌體 M13,並研究 M13 在超快雷射不同功率照射下,如何失去活性甚至解體。

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  • 在超快雷射實驗室內工作看起來酷嗎?可以看看鄭教授在他的實驗室玩超快雷射的樣子。

超快雷射如何殺死 M13 嗜菌體的機制,在經過多年的研究才被了解。如下圖所示,病毒受到電場影響下會引發極性;超快雷射中的光,其實就是振盪頻率很快的電磁波,透過光場中的電場與病毒極性的交互作用,使病毒的原子間開始振動,這個機制稱「脈衝受激拉曼散射」(Impulsive Stimulated Raman Scattering, ISRS)。適當的參數下,譬如雷射脈衝寬度夠短及雷射功率高出某一個臨界值,超快雷射可使 M13 嗜菌體原子間的振盪過大,進而讓鍵結力弱的結構瓦解。最重要的是,這個功率並不會造成人體或哺乳動物細胞及蛋白質的損害,功率大概要提高上千上萬倍才會造成人體細胞損傷。因此,超快雷射能「選擇性」的殺死 M13 嗜菌體而對人體無違害。

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超快雷射可使 M13 嗜菌體原子間的振盪過大,進而讓鍵結力弱的結構瓦解。圖/鄭功榮教授提供

這個技術目前已被證實可用在消毒人類的血漿。未來也許可以應用在輸血上,輸血過程需要消毒,雷射可打入透明導管,為其中的血液進行滅菌。生物實驗中常常需要培養的細胞,也被證實可用這個技術來消毒。

當然目前還有許多需要更準確的消毒技術,譬如製藥產業。現在所用的生化方法雖然也可以滅菌,但常常殺敵一千,自損八百,甚至不該被殺的比應該被殺的災情慘重得多。利用物理方式,雷射並不會造成病菌結構中共價鍵的破壞,不需要加入額外生化物質引發化學反應,也不會造成溫度明顯升高,殺菌的副作用會小很多。

雷射不只殺菌,還可以幫忙做疫苗

圖/pixabay, CC0

最讓人期待的,可能是應用在製作疫苗的可能性。最近研究顯示,以這個技術處理過的 H1N1 流感病毒,其複製能力被破壞,但仍保有主要結構。經過處理的 H1N1 病毒注入老鼠中可引發免疫反應,因此有機會成為疫苗。如果將有打疫苗與沒打疫苗的老鼠做比較,在感染 H1N1 流感七天後,沒打疫苗的老鼠因為生病體重平均掉了 25%,而打疫苗的老鼠體重沒有明顯改變。這個研究顯示,此技術適合發展適合肉禽或人類的流感疫苗,但仍需進一步的動物或人體實驗證實。

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目前疫苗的開發主要用生化方法,需要花很長的時間發展出有效又安全的疫苗。最近 DNA 相關技術可加快疫苗研發速率,但效果較不顯著,需增加劑量使成本提高並增加副作用風險。目前生化方法都有針對性,需要對不同病毒開發,因此目前還有很多病毒沒有疫苗。譬如容易讓寶寶呼吸道感染的呼吸道融合細胞病毒(RSV),最近大家認識的茲卡病毒(Zika),曾讓台灣醫院封閉的嚴重急性呼吸道症候群病毒(SARS),讓人聞之色變的愛滋病毒(HIV)等等。因為人類對病毒束手無策,容易在人類間傳染、致死率又高的病毒才會引起恐慌。對抗不斷在變化的病毒,是否有一個共通的方法來應付各式病毒而產生疫苗呢?

物理方法是可能的解決方案,利用超快雷射處理病毒,沒有額外的化學物質,也許可快速、安全又有效的製造各種病毒的疫苗。目前為止,超快雷射已證實能使許多的病毒與細菌常去活性,其中包括 HIV 愛滋病毒、 H1N1 流感病毒、71 型腸病毒、A 型肝炎病毒、大腸桿菌等等,而每個病菌失去活性的「選擇性功率」不同,鄭教授把這個技術命名為「選擇性光學消毒」(Selective Photonic Disinfection, SEPHODIS)。

國人有許多 B 型或 C 型肝炎病毒帶原者,鄭教授也希望能跟相關單位合作,證實這個技術是有效的。這個技術距離實際應用,還有很長的一段路要走,如果成功可造福廣大人類,就像藥品的開發,動輒二三十年以上的實驗與測試。超快雷射已經在醫療手術刀及光學影像等生醫領域廣泛應用,也許未來還多了消毒與疫苗等實際應用。

延伸閱讀:

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  1. SM Journal of Biomedical Engineering, <An Updated Report of the Ultrashort Pulsed Laser Technology and its Perspectives in Biomedical Applications>
  2. Selective Photonic Disinfection – A ray of hope in the war against pathogens
  3. Bio-Optics World, <ULTRAFAST LASERS: Femtosecond pulses kill viruses, leave human cells alone>
  4. Journal of Biomedical Optics, <Chemical-free inactivated whole influenza virus vaccine prepared by ultrashort pulsed laser treatment>
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南宮簫笛哥
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任職於中研院物理所,雷射光譜實驗室負責人,生物影像核心設施管理負責人,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。擔任過國立臺灣大學、國立臺灣師範大學、美國麻省理工學院博士後研究員,工業技術研究院南分院工程師。曾被戲稱南宮博士,擅長簫及竹笛,故稱南宮簫笛哥 (「人講瘋豬哥」台語諧音)。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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