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以玻璃纖維計算原子數量

only-perception
・2012/01/14 ・1163字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

玻璃纖維(Glass fiber,即光纖)纜線對網際網路來說不可或缺 — 現在它們也能被當成量子物理實驗室使用。(奧地利)維也納科技大學是世上唯一的研究單位,在這裡,單個原子能在控制之下與超細纖維玻璃中的光耦合。特別準備好的光波僅與非常少量的原子進行交互作用,這使我們有可能打造出對微量物質超級敏感的偵測器。

Arno Rauschenbeutel 教授的團隊,Vienna 量子科學與技術中心的六個研究小組之一,已在 Physical Review Letters 期刊中發表這種新方法。這項研究計畫在與德國 Mainz, Johannes Gutenberg 大學的合作下完成。

超細玻璃纖維

實驗中所用的玻璃纖維只有 500 nm 寬。事實上,它們甚至比可見光的波長還要更細。”在實際狀況下,光波並沒有真的塞入這種玻璃纖維中,它會突出來一點,” Arno Rauschenbeutel 解釋。而這正是這種新方法的最大優勢:光波會與位於玻璃纖維外部的原子接觸(原子離玻璃纖維非常近,但並未接觸)。 “首先,我們陷住(trap)原子,故它們被排列在玻璃纖維的上方或下方,如同細線上的珍珠般,” Rauschenbeutel 表示。透過玻璃纖維傳送的光波接著被它所通過的每一個原子修改。藉由非常精確地測量光波中的變化,就能測定被陷在纖維附近的原子數量。

原子改變光的速度

當科學家研究原子與光的交互作用時,他們通常會看見有點混亂的效應 — 至少是在微觀尺度下:例如,原子能吸收光子,之後朝不同方向將它們發射出去。因是之故,原子可能被加速,並從它們原本的位置被拋開。然而,在 Vienna UT 的玻璃纖維實驗中,光與原子間非常溫和的交互作用業已足夠:”靠近玻璃纖維的原子使光速稍稍減了一點點,” Arno Rauschenbeute 解釋。當光波非常精確地在原子的方向上,向上與向下振盪時,光波會稍微偏移了一點。另一道在不同方向上振盪的光束並沒有撞擊到任何原子,因此也很難全面減速。不同偏振方向的光波,透過玻璃纖維來傳送 — 由於其速度不一,故能測得它們的相對偏移。這偏移告訴科學家有多少個原子使光波延遲了。

偵測單個原子

成千上百的原子會被陷住,離玻璃纖維不到千分之一公釐。它們能被測定的數量,可達數個原子的準確度。”原則上,我們的方法如此精確,故它能偵測到十個或二十個這麼少的原子,” Arno Rauschenbeutel 表示。”我們正研究幾種技術性技巧 — 例如減少原子與玻璃纖維間的距離。如果我們能辦到這件事,我們甚至能夠進行單個原子的偵測。”

非破壞性量子測量

這種新的玻璃纖維測量法不僅對新偵測器很重要,對基礎量子物理的研究也一樣重要。”通常,當我們測量某種系統時,其量子物理態就會被破壞,” Rauschenbeutel 解釋。”我們的玻璃纖維使得「控制量子態而不會摧毀它們」成為可能。” 這些靠近玻璃纖維的原子也能用來調整光波在其內振盪的平板。說不定,新的技術可能性也許因此被開發。”今日,量子光學是一種令人難以置信的創新研究領域,而 Vienna 研究小組在這方面可說是世上數一數二,” Arno Rauschenbeutel 表示。

資料來源:PHYSORG:Counting atoms with glass fiber[December 7, 2011]

轉載自only-perception

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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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》