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超高速光學顯微技術,連使出電光一閃的病毒粒子都拍得到!

研之有物│中央研究院_96
・2017/05/08 ・2396字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

超高速光學顯微鏡,有影片有真相

動體視力對於運動員很重要,而研究移動快速的細胞、病毒、細菌時,為了讓顯微鏡底下的世界看得更快更清楚,中研院原子與分子科學研究所的謝佳龍助研究員,與團隊一起研發每秒可拍五十萬張影像的光學顯微技術,有助科學家在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象。

謝佳龍團隊集結光電、生物、材料專家,研發過程不斷思考「超高速光學顯微影像技術」應用於跨領域的可能性。圖/張語辰

超高速光學顯微鏡,追求速度與激清

2014 年諾貝爾化學獎,頒發給「超解析螢光顯微鏡」的發明團隊,當科學家得以在奈米尺度看見生命中最小「元件」運作時,例如細胞、病毒、細菌,就能發現傳統顯微技術無法察覺到的生物現象。看見各領域都想辦法為生物科學、醫學盡一份力,改善人類的健康,電機和光電工程背景的謝佳龍受到啟發。

我一直在尋找有什麼光學技術既簡單又可靠,而且影響力還能超越光學領域。

謝佳龍運用光學專業,改良廣泛使用的傳統明場(brightfield)顯微鏡,和團隊一起研發 COBRI 顯微鏡,可觀察奈米尺度單粒子在三度空間的高速運動。

COBRI 顯微鏡的核心概念是採用雷射作為光源,取代傳統的白熾燈,再透過干涉的方法,偵測線性散射(linear scattering)光訊號。當一個粒子的折射率和周圍環境不同時,在光的照射下便會將部分的光散射,運用這個特性就可以量測被觀察的粒子位於何處、又移到動哪裡。

當雷射光通過層層關卡穿透樣品後,會產生 COBRI 訊號和激發螢光訊號,並各自投影到高速 CMOS 相機和 EMCCD 相機。資料來源/Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells ;圖說改編/林婷嫻、張語辰
超高速光學顯微鏡全貌:這是謝佳龍團隊大幅優化的第二代版本,並同時紀錄傳統的螢光標籤影像以利比較。圖/張語辰
超高速光學顯微鏡局部:雷射光會先穿過 SM 、AOD 、層層透鏡後,再前往樣本放置台。圖/張語辰

追蹤拍攝單粒子時,「快狠準」是最重要的。謝佳龍團隊不斷改進顯微鏡的時間和空間解析度,一開始只想做到每秒拍幾千張影像,但慢慢地團隊越來越貪心,不斷試著超越極限。

目前實作中以一個 20 奈米直徑的金粒子為例,每秒可超高速拍攝五十萬張影像,並將金粒子的中心位置做到準確度 2 奈米的定位。

「要是我們可以做到……就好了」每次我向團隊說出更難的提議時,大家會崩潰吶喊「怎麼可能!」,但現在回頭看,過去不可能的事都是有可能的。

什麼東西跑得快?就決定觀察你了,病毒!

超高速光學顯微鏡,開啟許多過去無法進行的單分子生物研究。在中研院分子生物研究所的張雯博士的協助與建議下,謝佳龍團隊著手觀測牛痘病毒顆粒著陸在細胞表面上的高速運動。

生物學家們可以透過實驗了解病毒降落在細胞後會「發生什麼」,但無法直接看到「怎麼發生」,不知道病毒在過程中做了哪些奇怪的行為。

一開始,謝佳龍團隊在實驗室等了一整個下午,病毒都沒有掉到要觀測的細胞樣本上,比向月老求姻緣更難預測病毒降落細胞表面的時機。後來團隊成員黃逸帆想到一個方式突破困境,各位觀眾,請見下圖。

黃逸帆將牛痘病毒粒子裝在極細的玻璃管中,並將玻璃管移至細胞樣本上方,就能在局部釋放出病毒粒子,提高病毒接觸到細胞表面的機率。圖/張語辰

謝佳龍團隊透過超高速光學顯微鏡看見:當牛痘病毒粒子附著到細胞膜之後,一秒內便被侷限在幾百奈米的範圍中,並在微秒時間尺度下,做非常高速的橫向擴散運動(擴散係數〜1μm2/s)。影像紀錄的 3D 空間精準度 <3 nm,時間解析度高達每秒 100,000 幀。

超高速光學顯微鏡下,牛痘病毒於細胞表面著陸移動軌跡(擴散係數〜1μm2/s),圖中所有數據皆以 5 kHz 記錄。資料來源/Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells ;圖說改編/林婷嫻、張語辰

我們看見病毒掉到細胞膜之後,在細胞膜上非常快速的擴散運動(diffusion),短暫地跟一些區域互動,最後找到一個區域停留,這是在我們觀察之前沒有人知道的。

觀測奈米尺度的活體現象,意義是?

以病毒為例,當病毒要入侵宿主細胞時,它如何遊走、它會不會進入細胞,跟病毒如何辨識細胞表面受體很有關連。雖然傳統分子生物實驗方法可以間接推測其關連性,但超高速光學顯微鏡能為整個過程提供第一手直接證據,有畫面有真相。

另外,超高速光學顯微鏡是在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象,也能協助科學家檢驗傳統螢光標記的觀測方式,有沒有影響活體樣本原本的行為。

每個人都會有夢想,而對於打造出超高速光學顯微鏡的男人而言,謝佳龍希望能應用清楚看見奈米粒子高速運動的特性,協助找出健康問題的解決方案,例如細菌感染、腸病毒、登革熱病毒、或神經細胞的特定狀況。

儘管距離實現夢想還有一段路要走,但是謝佳龍想了想,很有自信地說:

只要朝對的方向走,再慢也會到達目的地。


延伸閱讀

執行編輯|林婷嫻  美術編輯|張語辰

CC 4.0

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位


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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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今年夏天絕不能錯過——「搞笑諾貝爾獎世界展」首度登台!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/05/17 ・1966字 ・閱讀時間約 4 分鐘

你一定知道諾貝爾獎,但你知道世界上竟然還有搞笑諾貝爾獎(Ig Nobel Prize)嗎?搞笑諾貝爾獎是對諾貝爾獎的有趣模仿,甚至還會邀請真正的諾貝爾獎得主來參加!

搞笑諾貝爾獎由美國的科學雜誌《不可思議研究年報》的主編馬克·亞伯拉罕斯發起,每一屆都號稱「第一屆」,每次都會頒發十座獎盃給各領域中「無法被複製」或「荒唐到不應該再來一次」的研究者,頒獎要旨是希望讓大家能夠"先大笑,再思考"。臺灣也有多位學者共襄盛舉,並曾六度獲獎,臺灣立法院更曾拿下和平獎,其中原因竟然是因為他們以打架替代戰爭!典禮現場更是充滿歡笑,讓人佩服科學家怎麼一本搞笑做研究!

搞笑諾貝爾獎頒獎現場超搞怪!

  • 量身打造獎盃,每年都以當年獲獎的研究為靈感,製作不同主題的獎盃!
  • 不值錢獎金,得獎者會獲得比壁紙還不值錢的高額辛巴威幣作為獎金。
  • 甜便便小姐,得獎者只有 60 秒的時間能發表感言,只要一超時,年幼的「甜便便小姐」就會大叫:「請停下來吧!煩死人了!」直到得獎者下台。
  • 全場亂飛的紙飛機,頒獎典禮中會安排一名背著一個紅色靶心的人,讓台下觀眾將手中紙飛機射向台上的靶心。
2009 年的得獎者們。

今年夏天搞笑諾貝爾獎世界展將首次登台!廢到笑的研究與發人省思的成果,一次集結歷屆讓人目瞪口呆的得獎研究及五大互動體驗,讓你一本正經的捧腹大笑!展區內充滿更多腦洞無極限的幽默科學得獎,一定要揪朋友一起來漲知識。

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ㄎㄧㄤ到爆獎項搶先看

搞笑諾貝爾獎世界展將集結眾多搞笑諾貝爾獎的獲獎研究,其中有許多讓人會心一笑的內容,像是鴿子也懂藝術?日本學者就曾做過實驗,證明鴿子可以分得出畢卡索和莫內的畫;在野外遇到熊怎麼辦?只要穿上防熊裝就不用怕;指甲刮黑板的聲音經研究證實為世界上最讓人痛苦的聲音!

曾有科學家發明出可迅速變身防毒口罩的胸罩,並成功獲得搞笑諾貝爾獎的公共衛生獎,其發明聽起來很荒謬,但背後原因是胸罩是會隨身穿戴的物品,能夠在緊急時刻變成防毒口罩保護他人,符合了搞笑諾貝爾獎頒獎要旨「先大笑,再思考」,另外還曾有一年的「獸醫學獎」頒給發現幫乳牛取名字,就能夠增加產乳量的專家學者!以及最經典的貓貓是液體嗎?也都存在於搞笑諾貝爾獎的得獎研究裡!

  1. 鴿子也懂藝術?|連鴿子都分得出畢卡索和莫內的畫!
  2. 野外遇到熊了怎麼辦?|穿上防熊裝,再也不怕!
  3. 動物也吃重口味!?|綠頭鴨也有戀屍癖!?
  4. 用「屁」交流!|看看鲱魚怎麼用放「屁」溝通!
  5. 逃跑鬧鐘|還想賴床按鬧鐘嗎?鬧鐘本人跑起來給你追!
  6. 最討厭的聲音!|指甲刮黑板太邪惡了!
  7. 如何增加乳牛的產乳量?|不妨給牠取個名字吧!
  8. 胸罩變口罩|在突發的緊急狀況時胸罩變防護口罩!?  
  9. 恐龍走路長甚麼樣子?|在雞的屁股裝上一根棒子就知道!
  10. 貓是液體嗎?|喵星人的貓體力學大解密!

五大互動體驗,只有實驗了才知道

展區現場將規劃五種關於搞笑諾貝爾獎得獎研究的實際互動體驗,讓你能夠化身為小小研究學者,一起來實際試試看、探討世界上經典的搞笑研究!

  1. 吐司永遠是塗奶油的那面先落地嗎?
  2. 挑戰「說話干擾器」!你能夠堅持把話說完嗎?
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 圖/歷屆得獎者授獎畫面
圖/日本展出現場照

展覽資訊

  • 展覽名稱:搞笑諾貝爾獎世界展
  • 展覽日期:2022 年 6 月 25 日(六)至 2022 年 9 月 11 日(日)
  • 展覽地點:國立臺灣科學教育館 七樓南側特展區(臺北市士林區士商路 189 號)
  • 展覽時間:平日9:00-17:00/週末、國定假日、暑假 9:00-18:00
    (閉展前 30 分鐘停止售票及入場)
  • 休展日:6/27(一)、9/5(一)
  • 主辦單位:寬宏藝術經紀股份有限公司、三貝多股份有限公司
  • 企劃單位:株式会社ドリームスタジオ(Dream Studio Company)
  • 授權單位:IMPROBABLE RESEARCH, INC.

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