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用手機看見分子的結構排列: 手機變身數位偏光顯微鏡!

Scimage
・2014/01/07 ・1043字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

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光是觀察物質最有用的方式,因為所有物質都會跟光作用,對於微小的物體,最一般的生物光學顯微鏡利用物質吸收光的強弱來看出內部的結構,金像顯微鏡技術利用反射光來看清楚不透明物體的表面。但是對於分子內部的排列,一般的方式的顯微鏡就沒有辦法得知了。

當物質的結構有方向性排列的時候,常常會讓通過的光改變偏振的方向,因為光是電磁場的震盪,所以因為分子有方向性的排列就會讓不同方向的電磁震盪傳遞速度不同,所以光走著走的偏振方向就轉方向了。這些物質有方向性的排列發生在很多地方,像是擠拉出來的高分子纖維,受到外力的物質,有方向性的晶體,有規則性排列的分子,細胞組織結構等等…而要看到這些分子的排列方向性,最簡單的方式就是利用偏光來觀察了。原理是利用一對偏振方向垂直的偏振片,本來光應該無法通過,可是如果兩偏振片中間放置有方向性排列的物質,因為電磁震盪的速度各方不同,光的偏振就會轉向,然後可以通過一對偏振片,就會在黑暗的偏振消光條件中看到因為光改變振動方向的亮光。

雖然原理簡單,應用範圍也很廣,從高分子液晶的檢測,生物物質結構的分析,礦物的光學分析到疾病如痛風的診斷等。但是目前市面上有的偏光顯微鏡都很高價,如果加上專業的旋轉載物台與數位紀錄設備,除了專業研究人員之外幾乎沒有其他人有機會使用。

之前介紹了怎麼利用手機變成數位顯微鏡,其實只要再多加一點點裝置就可以變成專業的數位偏光顯微鏡了。設計上很簡單,在光源處跟手機的鏡頭前加入一對偏振片,鏡頭前端的偏振片固定方向 ,利用燈源的圓形結構可以自由調整光源的偏振方向來達到不同的消光條件。再利用C形的結構,在原有的載物台上加上有刻度的轉盤,這樣一來手機用的全套偏顯微鏡就完成了!1535496_702984669736053_873124136_n 上面就是在手機顯微鏡上加上偏光模組後合體的照片,可以看到上面提到的一對偏振片跟轉盤。轉盤的功能在調整觀測物體的方向來觀察其偏振特性,在礦物研究上很有用。 以下是觀測白雲石的結果,上方照片為沒有偏振消光下的顯微照片,下方照片則是在偏振消光後的照片,原本看似平凡的石頭,卻透露出非常多彩又美麗的訊息。 ( 樣本感謝台大地質系黃同學提供 ~)

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之後製作的手機顯微鏡也都會提供偏光模組讓想使用的朋友使用,希望這樣的輕便易用的偏光顯微鏡能讓更多朋友能更容易接觸到這種有用的技術,看到更多分子方向性排列所透露出來的自然秘密!

轉載自scimage科學影像

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看得見細胞的紙 蓪草紙見證台灣產業變遷
顯微觀點_96
・2025/12/26 ・2617字 ・閱讀時間約 5 分鐘

你知道透過顯微鏡觀察紙張,其實很難看到完整的細胞樣貌嗎?因為大多數的紙,常經過搗碎「煮成」紙漿後,才壓製成型。因此將紙張放在顯微鏡下觀看,往往只剩植物纖維的網狀結構。然而,有一種紙在顯微鏡下卻能完整呈現植物細胞的形狀,甚至在太陽光下透光觀察,蜂窩般的六角格紋也能一覽無遺。這就是承載台灣經濟社會變遷史的「蓪草紙」。

蓪草紙為什麼能看到細胞?

和一般造紙方法不同,蓪草紙不是將植物打漿後壓製而成,而是取材自蓪草莖髓。工匠將蓪草莖截斷,取出中央白色的髓心,再將蓪草髓心緊壓在盤面,使用裁刀依髓心邊緣滑行,「削出」一張張輕薄的蓪草紙。蓪草紙的厚度則由銅片與盤面間的高低來調整。

因為蓪草紙是直接由莖髓切片製成,細胞結構未被破壞,保留了幾乎完整的細胞,因此當蓪草紙放在顯微鏡下,便能看到完整地細胞型態。

蓪草紙的微細構造
光學顯微鏡下觀察蓪草髓心切面的蓪草紙結構。圖片來源:國家文化記憶庫,林盈宏攝影

蓪草-台灣第一個被正式命名發表的植物

十八、十九世紀中外貿易展開,當時清政府唯一開放對外貿易的港口-廣州開設許多專售外銷水彩畫的商鋪。中國畫家受到西方技法影響,透過精細的分工合作,使用西畫材料在綾絹、蓪草紙等各式媒材上,大量製作帶有中國風土風情的畫作,是當時西方人到中國購買的最佳伴手禮。其中,蓪草紙潔白透明,當時在西方被稱為「米紙(Rice Paper)」。

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由於十九世紀的歐洲正掀起博物學熱潮,除了透過畫作滿足對東方的想像,畫作所使用的媒材也引發西方人的興趣,因此歐洲植物學家開始疑惑:「米紙到底是從什麼植物而來的?」

正式為蓪草紙材料「蓪草」命名的是英國植物學家威廉.虎克(William Hooker)。

他在1830年發表對米紙的初步觀察,但無法確定來源植物。他曾經這樣形容:「如果將這張紙放在眼睛和光線之間,就會發現一種精美絕倫的細胞組織,這是任何人類藝術都無法創造或模仿的」。

其後,虎克仍陸續針對「米紙」進行研究。他於1841年被任命為英國皇家植物園邱園(Kew Garden)園長後,更是動用了所有官方和非官方的聯繫,透過廣州、廈門的商人與外交人員蒐集標本,不斷比對葉、花與莖髓,最終在1852年發表學名為 Aralia papyrifera,暫歸於五加科的五加屬(Aralia)。

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之後德國植物學家卡爾.科赫(Karl Koch)認為蓪草的花瓣、雄蕊和葉片形態與五加科的其他屬及物種相差甚遠,便將其獨立為新屬,改名為 Tetrapanax papyriferus,並沿用至今。

蓪草在台灣的歷史身影

蓪草在東亞其實早已是社會常用、熟悉的植物,並以多種名稱「蓪草」、「通草」、「通脫木」散見於各類典籍。例如中國六朝史料集《建康實錄》便曾記載晉惠帝曾命宮女準備五彩「蓪草」紙花。唐代藥學著作《本草拾遺》中則記錄著「『通脫木』,生山側。葉似萆麻,心中有瓤,輕白可愛,女工取以飾物。」

而虎克則曾經記錄他向長期居住在印度的哈德威克將軍(General Hardwicke)詢問「米紙」事宜。哈德威回復印度當地人將製作「米紙」的植物用於多種用途。他們將最粗的莖切成薄片製作人造花和各種精美裝飾品來裝飾神龕;也利用「米紙」製作帽子。「米紙」的材料對當地漁民來說也非常有用,可以做成適合他們漁網的浮筒。

中國清末因畫在蓪草紙上的外銷畫價格便宜、畫幅小便於攜帶,外銷市場需求日益增加。加上鴉片戰爭爆發後,原本位於廣州的外國行商陸續移到廈門,連帶也帶動台灣的蓪草產業蓬勃發展。

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蓪草在台灣的分布雖遍及全島,但受到氣候、土壤等影響,以新竹以北一帶山區生產的品質最佳,因此過去的新竹可說是蓪草產地的重鎮。

日治時期,日本政府進一步將蓪草列為台灣的重要殖產項目之一,設立農業試驗場改良品種、選定區域推廣栽種,原本野生採集的蓪草變成人工栽培,產量和品質都大幅提升。當時改良的美術蓪草紙被用於製作人造花、婚慶裝飾、扇子、畫材、蓪草卡片等,受到歐美各國的喜愛。

戰後國民政府接收台灣,蓪草製品(如蓪草紙、蓪草花及裝飾品)是重要的出口支柱,以外銷美國市場為主。在「客廳即工廠」的五、六〇年代,蓪草加工製品可說是許多家庭生計的依靠。

可惜隨著石化工業興起,價格低廉的塑膠花取代了蓪草花的製作,重創台灣蓪草產業,新竹的老牌業者金泉發蓪草行也在1972年結束長達約130年的蓪草事業。

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蓪草的產業消長,反映了出台灣社會經濟的轉型過程。現今市面上雖然幾乎已不見蓪草紙的蹤影,年輕世代甚至根本不知道什麼是蓪草,但仍有許多人、組織致力於蓪草文化的推廣,開設工藝課程和工作坊、蒐集史料,盼讓這段歷史重新被看見。

蓪草紙不僅是能「看見細胞的紙」具有其科學趣味,也是一段跨越東西方的博物學探險旅程,更是台灣社會經濟史的一頁篇章。 下次當你拿著蓪草紙透著陽光觀察那一格格清晰的細胞形狀時,相信看見的不只是生物結構,也會看見台灣走入世界科學舞台的起點,以及一段歷經繁榮沒落、正在重生的文化記憶。

蓪草心與蓪草紙
蓪草心與蓪草紙。圖片來源:國家文化記憶庫

參考資料:

延伸閱讀:

馬祖藍眼淚:從海岸奇景到顯微鏡下的祕密

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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顯微鏡下的淚水結晶 ——《眼淚的地形學》
顯微觀點_96
・2025/10/22 ・1486字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

喜極而泣的淚水、悲傷難過滴下淚水,眼淚表現著人當下的情緒;不僅如此,眼淚更是保護眼睛、避免角膜受傷的關鍵要素。

但你可曾想過,微觀的眼淚長成什麼樣子?科學藝術家透過顯微鏡觀察眼淚,發現人的眼淚居然有著和雪花相似的晶體,且每一滴淚的結晶樣貌都獨一無二,可說是獨特的藝術品。

蘿絲‧林‧費雪(Rose-Lynn Fisher)是一位常駐洛杉磯的美國攝影師,曾用掃描式電子顯微鏡(SEM)的視角捕捉蜜蜂的微觀結構,並以《蜜蜂》(Bee)的照片集聞名。

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2008 年費雪因痛失至親,經常落淚。因此有天她突發奇想,如果將眼淚放在顯微鏡下拍攝是什麼樣子?她看到眼淚水分蒸發後呈現結晶排列,如同地球的地形一樣,簡直就像「情感領域的鳥瞰圖」。因此她陸續蒐集 100 份眼淚樣本進行顯微攝影,出版了攝影集《眼淚的地形學》(The Topography of Tears)。

無獨有偶,遠在荷蘭海牙的攝影師莫里斯‧麥克斯(Maurice Mikkers) 也正從事眼淚的顯微攝影,在他的顯微視角下,眼淚結晶則像雪花一般。

莫里斯開始拍攝顯微鏡下的眼淚,始因於 2015 年某天,他重重地踢到桌腳不禁落淚的經驗。

當時莫里斯正在研究雙氯芬酸(Diclofenac),一種非類固醇抗發炎藥的結晶。當他拿著結晶幻燈片從廚房走回辦公室時,腳趾大力地撞到桌子,落淚的那一刻,他腦中想著:「我要拿微量吸管捕捉臉頰上滾落的淚水。」

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他將蒐集到的眼淚滴在顯微鏡玻片上,並且透過顯微鏡看見淚水呈現美麗的結晶樣貌。

莫里斯原本也不知道必須使用什麼樣的顯微技術才能「看見」眼淚,一開始嘗試了明視野和偏光照明的方式,雖然都有非常漂亮的結果,但他仍覺得「缺少些什麼」。爾後,他使用了暗視野照明方式。

「我驚呆了!眼淚在黑暗的背景上,形狀就像一個小星球,星球地貌呈現出美麗的圖案和形狀,感覺就像是一顆『眼淚行星』」,莫里斯這麼說道。

不同照明技術下的成像。

莫里斯也試著探究為何眼淚在顯微鏡下呈現的結晶樣貌各有不同。不過,雖然推測受淚液的組成影響,其中包含水、脂質、葡萄糖、粘蛋白、乳鐵蛋白、淚蛋白、免疫球蛋白、尿素、鈉、鉀、氯、錳和溶菌酶等;甚至情緒性的眼淚還包含催乳素、促腎上腺皮質激素。

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此外,莫里斯透過親友和計畫募集三種類型的淚水。第一種是用於潤滑的「基礎型淚水」(basal),透過看著電扇、通風器等,睜眼 60 秒以上且不眨眼的方式蒐集;第二種是因為吃辣椒、切洋蔥等導致流淚的「反射型淚水」(reflex);第三種則是因為快樂、悲傷痛苦而留下的「情緒型淚水」(emotional)。

但莫里斯發現,儘管是同一種類型的淚水,在顯微鏡下仍然呈現不同的圖像。「它們都是獨一無二的」,莫里斯說,因不是在完全受控的環境形成,眼淚的溼度和溫度不同,也可能讓有完全相同化學成分的兩滴眼淚在顯微鏡下看起來非常不同。

小知識:明視野 vs 暗視野照明

參考資料:

  1. https://medium.com/micrograph-stories/the-journy-of-imaginarium-of-tears-5f70c8fb6f53
  2. https://www.smithsonianmag.com/science-nature/the-microscopic-structures-of-dried-human-tears-180947766/
  3. https://www.businessinsider.com/what-tears-look-like-under-a-microscope-2015-10
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平凡結構藏智慧,毛髮打結的微觀探索
顯微觀點_96
・2025/09/28 ・2403字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文轉載自顯微觀點

「毛髮打結」的影像看似平凡無奇,卻不僅呈現自然界隱微的結構,還蘊藏著對生命深刻的敬意。憑藉著這幅作品,格爾德.岡特(Gerd Günther)更從全球顯微攝影大賽(2024 Global Image of the Year,IOTY)中脫穎而出,榮獲材料科學優勝獎。

圖/顯微觀點

令人驚嘆的是,獲獎者岡特的本業並非科學家或攝影師,而是一位農場主人,顯微攝影只是他「業餘」的愛好。

岡特於1958年出生於德國杜塞道夫;中學畢業後,於哥廷根大學學習農業科學,並從1986年後一直在杜塞道夫以自耕農為業。

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好奇的種子在顯微鏡下發芽

1970 年代,岡特中學期間,受到學校老師啟發開始接觸顯微攝影,讓他對這陌生又熟悉的結構產生濃厚興趣。當時岡特使用黑白底片,留下顯微攝影最初的記憶。直到 2000 年左右,數位時代來臨、數位相機系統問世,顯微攝影門檻下降,他才開始專注於顯微攝影的創作。

「……仔細觀察自然界中常見的事物,可以發現意想不到的特質,令人心生敬畏……我的目標是將普通的課本知識提升到知識認知和理解的層面,使欣賞成為一種享受。 」-《一粒沙中:探索大自然的設計》,安德烈亞斯‧費寧格(A. Feininger,1986

這句費寧格的話醒目地呈現在岡特架設的顯微攝影作品網站中,宛如一盞明指引創作方向的明燈,點明岡特攝影的核心理念。也透露出他的攝影品大多出自於對自然的敬畏以及日常平凡細節的好奇心,讓科學變得富有美感與哲理。

「你只需走出家門,就能進入微觀世界」,岡特認為顯微攝影最吸引人之處在於,不需長途跋涉,就能不斷發現新的結構、形狀、生命形態和色彩。而驅動他持續探索微觀世界的動力,是對大自然無盡的好奇,以及對迷人卻隱而不現寶藏的嚮往。

因此,從植物的葉脈到昆蟲的鱗片、從肥皂泡泡到礦物晶體,都是他顯微鏡捕捉的影像。為了呈現更完美的影像,他也會在閒暇時,利用各種DIY小工具改良拍攝流程,讓作品兼具科學性與美感。

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連結萬物平等的生命之結

2024全球顯微攝影大賽的獲獎作品《馬鬃與人髮之結》則是岡特探索微觀世界精神的最佳表現。

格爾德.岡特(Gerd Günther)。圖片/IOTY官網

這幅作品將馬鬃與人髮精心打結後(縱向人髮、橫向馬鬃),以明視野方式進行拍攝。透過150倍放大的視野,觀者得以清晰地看見兩種毛髮的粗細差異,但無論是人髮還是馬鬃,其外層覆蓋著如同魚鱗般的角蛋白鱗片,結構幾乎別無二致。

評審團盛讚這副影像是「視覺上極具感染力的證明:生命的共通性遠比差異更顯著。」

「我每天都與馬打交道,我對人髮和馬鬃在強度和外觀上的差異很感興趣」,岡特提到要創造出這幅看似簡單的作品,過程其實非常困難:要將兩根細小的毛髮打結並固定在顯微鏡下,需要極高的耐心與精細技巧。他嘗試了無數次,才終於拍到滿意的影像。

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對岡特而言,這件不僅包含紀實元素也蘊含情感的作品,除了象徵人類與動物之間的友誼外,人髮與馬鬃在結構上的相似性,也提醒我們所有哺乳動物,乃至所有生物之間的聯繫,遠比我們想像的緊密許多。也因此,應該對地球上所有生物都給予同等的尊重。 岡特的生活依舊以農耕為主,但科學觀察以及對顯微世界藝術性的獨到見解,讓他經營的那片農場,不再只是農務勞作的場所,而是他日復一日汲取靈感的起點,也透過顯微鏡折射出他對自然的無盡好奇。

參考資料

延伸閱讀

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