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生物相容的石墨烯電晶體陣列可讀取細胞訊號

only-perception
・2011/12/15 ・1243字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

研究者首度證明,一種基於石墨烯(graphene)的電晶體陣列,與活生生的細胞相容,還能夠記錄細胞所產生的電子訊號。這個概念驗證平台為這種前途無量的新材料的進一步研究開路。石墨烯獨特的結合特性使得它成為未來生物應用(那需要一種介於微電子裝置與神經細胞或其他活組織之間的直接界面)的領導性競爭者。一個來自德國慕尼黑工業大學(TUM)與 Juelich 研究中心的科學家團隊,將這些結果發表在 Advanced Materials 期刊中。

今日,如果說某人與某種電子裝置有密切且相依的關係,那非常有可能是指智慧型手機;然而,更緊密的連結也許位於可預期的未來。例如,”生物電子的(bioelectronic)” 應用已被提出,會將感應器 — 在某些例子裡會將致動器(actuators,促動器)– 放置某人腦中、眼中或耳中,以協助抵銷(compensate)神經損傷。在這個方向上的先導研究,是透過成熟的矽微電子學技術辦到,但實際上,那種方法也許會是條死路:彈性基質與含水的生物環境會對矽裝置造成嚴重的問題;此外,對於與個別神經細胞的可靠通訊來說,它們也許太「吵」了。

屬於數種正被當成替代品來探索的材料系統之一,石墨烯 — 基本上是二維的碳原子薄片,以稠密的蜂巢狀樣式連在一起 — 在生物電子學的應用那方面,似乎已有非常完善的研究:它具有優異的電子表現、在化學上穩定,而且具生物惰性(biologically inert),能輕易地在彈性基質上被處理,且應有助於其大規模、低成本的製造。來自 TUM-Juelich 團隊的最新結果證實了關鍵表現特性,並為石墨烯生物電子裝置之可行性的更進一步確認,開闢了一條路。

在 Advanced Materials 中報告的實驗步驟是從一個在銅箔上以化學氣相沈積(CVD)以及標準光微影及蝕刻製程製造的、包含 16 個石墨烯溶液閘極式場效應電晶體(graphene solution-gated field-effect transistors,G-SGFETs)的陣列開始。”這些裝置的感測機制相當簡單,” Dr. Jose Antonio Garrido 表示,TUM Walter Schottky 研究所的成員。”FET 閘區附近的電氣與化學環境變化,將會被轉換乘電晶體電流的變化。”

就在這個陣列之上,研究者培養一層類似心肌的生物細胞。不僅能在電晶體固有的電子雜訊之外偵測到個別細胞的「動作電位(action potentials)」,這些細胞訊號也能在高空間及時間解析度下被記錄下來。例如,一連串間隔數十分之一毫秒的波峰,正以動作電位被預期傳播通過細胞層的方向,移動通過電晶體陣列。此外,當細胞層暴露在濃度較高的壓力荷爾蒙正腎上腺素(norepinephrine)時,相應的波峰頻率增加也被記錄到。另一個要確定 G-SFETs 固有雜訊程度的實驗證明,那堪與超低雜訊的矽裝置相比。Garrido 指出那些矽裝置可是數十年技術開發的成果。

“我們正在進行的研究,有許多是聚焦在進一步改善石墨烯裝置的雜訊表現上,”  Garrido 表示,”以及聚焦在將此技術轉移到彈性基質(例如聚對二甲苯、聚醯亞胺,這兩種目前都用於活移植入)的優化上。我們也在研究改善我們記錄裝置的空間解析度。” 此外,他們也與位於巴黎 Vision 研究所的科學家合作,以調查石墨烯層在視網膜神經細胞培養中的生物相容性,另外還有一個稱為 NEUROCARE 的泛歐計畫,那旨在開發一種基於彈性奈米碳裝置的腦部移植。

資料來源:PHYSORG:Biocompatible graphene transistor array reads cellular signals[November 30, 2011]

轉載自only-percpetion

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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