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邁向科學研究的前線: 手機變身螢光顯微鏡!

顯微鏡可以讓人看清楚小世界裡發生的事情,但是進入研究分子的時代,因為光的波長只有到數百個奈米(nm),所以以光學顯微鏡無法直接觀察分子的種類與型態,雖然可以利用電子顯微鏡,不過操作使用上難度高,研究人員也難輕易使用,偏光顯微鏡能提供分子排列的訊息,但是如果能用光學的方式直接看到分子或確定不同種類的分子存在與否,就能讓很多重要的物理或生物資訊被研究發現。而螢光顯微鏡就是目前在研究上用的最多與最重要的技巧之一。

一般顯微鏡利用光的吸收跟反射測來觀測物體,偏光顯微鏡利用光波的偏振特性,而螢光顯微鏡就是利用光在波長方面的特性的來觀測分子。原理是特定種類的分子(稱為螢光源,fluorophore)在吸收短波長的光之後可以放出長波長的光,觀測時如果能把原本的波長的光濾掉,只剩下激發後較長波長的的光被看到, 這樣一來就可以斷定特定的螢光分子是否存在。這樣的概念看似簡單,卻能帶來分子種類的解析性,舉例而言,像是把抗體加上螢光基團,就可以利用螢光辨識特定分子是否在樣品上,利用螢光蛋白序列加上改造的基因,就可以知道基因轉殖有沒有成功,把特定蛋白加上螢光蛋白,就可以在空間中甚至在細胞內追蹤分子或觀測神經纖維網路。在研究前沿上有數不完的研究,從生化檢測、基因定序、神經細胞結構等等,都是靠著螢光顯微鏡才能實現。

在技術上因為螢光訊號很弱,螢光顯微鏡通常用水銀燈或其他氣體放電燈作為光源,確保很強的光照,為了要濾除非螢光的訊號,需要很好的光學濾片組,這也讓螢光顯微鏡一直都只能在研究中或是在很貴的儀器內才能進行螢光偵測。

手機是現在人人都有的智慧裝置,結合了照像與傳輸分享的強大功能,如果在手機上如果能夠實現螢光的顯微觀測,將對科學發展有很大的幫助,有研究能力的手機顯微鏡與手機偏光顯微鏡之前已經由科學影像實現了,那手機有可能完成螢光觀測這項任務嗎?

讓手機顯微鏡變成有螢光的能力設計是這樣,首先在光源方面,因為半導體技術的發展,很多窄波段的固態光源變成可能,不再需要從全光譜中濾出特定的光出來, 而是可以直接有效率的使用半導體光源,所已選用合適的短波段高亮度的LED就能大部分解決激發光源的問題,且同時能降低對激發濾片(Excitation filter)的要求,可以以吸收式的濾片達成。

在光路上,目前一般的螢光設計是epifluorescence,由同個物鏡照出激發光,偵測背反射的螢光訊號,可以減少對發射濾片 emission filter的要求,但是同軸照明需要較複雜的設計與雙色濾片dichroic filter,基於同樣的考量,可以改用暗視野照明來達成,加上發射濾片emission filter,始發射光與螢光的光譜沒有交錯, 就可以觀測螢光了!

以深藍紫色激發為例,目前可取得最好的固體光源的光譜如下,波長到450nm即全部消失。

p1

在選用的emission filter上,濾除連續光譜的日光後的光譜圖觀測如下,可以看到470nm以下的光全部被濾掉。

p2

所以選用這組光源與發射濾片,即可以以藍紫光觀察從綠光到紅光的螢光。設計相關的激切結構跟濾片在手機顯微鏡上,實際完成的手機螢光顯微鏡成品如下:

p3

整體發出的紫藍紫光是由載物台下方進行暗室野照明所發的,就可以有效的激發出螢光訊號,注意在播片的邊緣有不同顏色的色光,那就是塗在坡片上的螢光物質所發出的螢光經由全反射而照出。

以下以兩個例子來說明這螢光模組的能力,首先可以同時關測到不同顏色的螢光(螢光染料壓的指紋),紅色與綠色各試不同的染料,黃色是混合之後的顏色。

p5

在生物的觀察上,也可以觀察到斑馬魚身上卵黃的自體螢光訊號。

p6

除了深藍紫光之外,為了讓離激發光源比較遠的紅色螢光能更被有效率的激發,在實現手機螢光顯微鏡上,也設計了另一組以470 nm為中心的光源,目前兩組的光源與長通螢光濾光片的光譜如下,這樣一來所有常用的綠色到紅色螢光都可以被激發觀測。

p7

(其中下方淺藍色跟激發光跟長通濾波有交錯,需額外使用一片 excitation filter 來濾除)

螢光模組是手機顯微鏡,除了實現手機偏光顯微鏡後 ,另一個把專業顯微技術在手機實現的計畫,希望將會讓很多原本屬於實驗室的觀測可以再被更簡單的觀察記錄,有讓更多人與實驗室有方便的工具作更方便的觀察與檢測!


首次製作將提供台灣的實驗室進行申請使用螢光模組,歡迎有想一起測試的研究朋友加入科學社群 科學maker 索取,期間為 7/10-7/20。

科學影像的顯微鏡製作計畫目前專屬的科學社群 科學maker 已經有超過 4000 位朋友加入,分享觀測的顯微照片超過4000多幅,來協助製作科學儀器的朋友超過 百人,花整天的時間替更多人製作科學儀器,目前贈送超過 70所偏遠學校手機顯微鏡做為教育之用,除了個人使用外,也開始要協助如泛科學的科學活動或是台大的NTU博物館行動展示盒計畫等大眾的科學活動,也進入了國小,國中,高中,大學等校園數百所正式的學習環境,做為充實顯微設備與改善課程用,希望手機螢光顯微鏡的實現,能讓手機顯微鏡變的更有能力,走入實驗的現場,讓台灣有更好的科學實驗環境!

手機顯微鏡網站手機顯微鏡 & 科學maker,對手機顯微鏡有興趣的朋友,歡迎加入科學maker,一起使用與分享顯微鏡的觀測~

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Jiahsu

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