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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

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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。

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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。

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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:

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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│中央研究院_96
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從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹,碳循環就能不斷延續,二氧化碳在不同型態間流轉,而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性,讓木材成為相對環保的資源。

但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

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從吸碳到固碳的循環

砍對樹,很重要

實際上,有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而,熱帶雨林是無數動植物的棲息地,它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐,不僅生態系統遭到破壞,還有一個嚴重的問題–黃碳,也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳,會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地,將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題,還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響,經營得當的人工永續林,能將對環境的影響降到最低,是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成,因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下,我們才能不必冒著破壞原始林的風險,繼續享用木製品。

人工永續林的經營者需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。

如何確保你手中的紙張來自永續林?

如果你擔心自己無意中購買了對環境不友善的商品,而不敢下手,只要認明FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。並且從森林到工廠、再到產品,流程都能被追蹤,為你把關每一張紙的生產過程合乎永續。

只要認明 FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。

家樂福「從 i 開始」:環境友善購物新選擇

不僅是紙張,家樂福自有品牌的產品都已經通過了環保認證,幫助消費者在日常生活中輕鬆實踐環保。選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌,這代表商品在生產過程中已經符合多項國際認證永續發展標準。

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「從 i 開始」涵蓋十大環保行動,從營養飲食、無添加物、有機產品,到生態農業、動物福利、永續漁業、減少塑料與森林保育,讓你每一項購物選擇都能與環境保護密切相關。無論是買菜、買肉,還是日常生活用品,都能透過簡單的選擇,為地球盡一份力。

選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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鎖定薄層 TIRF 顯微鏡成單分子研究關鍵
顯微觀點_96
・2024/05/20 ・2229字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

鎖定薄層 TIRF 顯微鏡成單分子研究關鍵

首圖

單分子技術(single-molecule techniques)主要是觀察「個別」分子特性和反應過程;其中,全內角反射螢光顯微鏡(Total Internal Reflection Fluorescence, TIRF)是單分子研究的基礎關鍵技術。

生物研究中,螢光顯微鏡是常見的儀器,利用螢光標記特定的分子。當螢光分子被特定波長的入射光激發,從低能階躍遷至高能階後,掉回原本低階能狀態的過程,便會而釋放出光子,發光成像。

但傳統寬視野螢光顯微鏡會激發整個深度的螢光分子,因此也會同時激發目標區以外的分子而造成雜訊;TIRF 則是利用介質的差異,將照明限制在較淺的深度、約 200 奈米以內,便可有效減少背景訊號。

還記得之前文章曾提過,當光從一種介質傳遞到另一種介質,部分反射,部分因為波速變化而發生折射,例如從水到空氣。

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折射角度遵守斯涅耳定律(Snell’s law):n1 × sinθ1 = n2 × sinθ2

其中,若 n1 折射率較高(光密介質)、n2 折射率較低(光疏介質),光線從 n1 射向 n2。

當入射角 θ1 小於臨界角 θc 時,光線部分往 n2 介質以 θ2 角度折射,部分往 n1 介質以 θ1 角度反射;當入射角 θ1 大於臨界角 θc 時,則沒有折射光線,產生全反射現象。

雖然全反射時,光不會進入第二介質發生折射,但在介面處仍會產生漸逝波(evanescent wave)。漸逝波的頻率與入射光相同,且強度隨與介面的距離增加呈指數衰減,並垂直介面、沿著 z 方向最多達到奈米級的深度。

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反射
反射
Tirf 影像

全反射時在介面處仍會產生漸逝波(左圖),TIRF 顯微鏡利用此作為螢光激發光源,將照明限制在較淺的深度(右圖左)。圖片來源:Olympus 官網

而穿透深度(d) 取決於入射照明的波長(λ)、入射角(θ1)以及介質的折射率(n)。

d = λ/4π × (n12 sin2θ1 – n22)-1/2

TIRF 顯微鏡便是利用這樣的漸逝波作為激發光源,激發樣本介面的螢光分子,產生全反射螢光影像。

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TIRF 顯微鏡依據光入射路徑,可分為稜鏡型(prism-based) 與物鏡型(objective-based) 兩類。

稜鏡型和物鏡型
TIRF 顯微鏡可分為稜鏡型(prism-based) 與物鏡型(objective-based) 兩類。圖片來源:Chemical Review 網站

在稜鏡型 TIRF 中,在樣本另一側使用稜鏡產生全反射,以激發細胞培養基上的螢光生物樣本,不需要特殊物鏡。但稜鏡型 TIRF 為了要達到較高的解析度,接收螢光的物鏡工作距離較短,樣本和物鏡間的空間較小,限制了研究者進一步對樣本進行操作。

物鏡型 TIRF 則是將物鏡除了作為收集螢光信號的鏡頭外,同時也作為發生全反射的稜鏡。入射光從物鏡邊緣射向樣本,並使用高數值孔徑(NA 通常在 1.45 以上)的物鏡實現大於臨界角的入射角,以產生全反射。

樣本與蓋玻片介面處產生漸逝波,激發樣本表面區域的螢光物質,同時以高數值孔徑的同一物鏡收集螢光顯微鏡影像。

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理論上,一般光源也可作為全反射螢光顯微鏡的光源,但前面提到穿透深度與波長、入射角及折射率等都有關係,因此常以雷射作為光源。例如中研院單分子生物核心實驗室就以三個常用波長(485、532、640 nm)的雷射作為光源,並自動調節入射光源角度及漸逝波穿透深度。

由於 TIRF 顯微鏡的可觀察深度僅在 200 奈米以內,因此常結合螢光共振能量轉換法(fluorescence resonance energy transfer, FRET)、光鉗(optical tweezer)等技術,大量地應用在蛋白質、細胞膜等研究。而相較於也能鎖定 z 軸光學切面、不會受到太多背景干擾的共軛焦顯微鏡,TIRF 也能以更快速度獲取細胞膜運送物質,如胞吞、胞吐等作用的影像。

中研院單分子生物核心實驗室負責人黃婉媜便曾提到,由於 TIRF 顯微鏡的可觀察深度僅在 200 奈米以內,恰好細胞膜上非常多離子通道和受體以及訊息傳遞分子都位於此深度內,是研究藥物作用及藥物動力學很好的工具。

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中研院單分子生物核心實驗室使用 TIRF 顯微鏡結合 FRET 技術,偵測蛋白質與 DNA 分子間交互作用。攝影/楊雅棠

參考資料

  1. 胡書銘(2008)。全反射螢光顯微術於生物單分子研究的樣品簡易處理。科儀新知,(164),82-88。
  2. 楊德明、林夏玉、蔡定平(2003)。全反射原理及在生物螢光顯微鏡之應用。科儀新知,(133),67-73。
  3. Olympus: Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy
  4. MICROSCOPY U:Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy

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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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少了目鏡的數位顯微鏡
顯微觀點_96
・2024/04/16 ・1996字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

顯微鏡在觀察微小物體上發揮非常重要的作用,但傳統光學顯微鏡通常愈將倍率放大,景深就愈淺,在觀察立體的生物標本或是組織切片,觀察者無論怎樣調焦,依然無法獲得完全清晰的圖片。數位顯微鏡便能解決這樣的問題。

數位顯微鏡和光學顯微鏡最大的差異在於觀察方式。數位顯微鏡不像傳統顯微鏡透過目鏡來觀察,而是使用數位相機獲取畫面,再將即時畫面投影到連接的電腦螢幕。

三要件組成數位顯微鏡

數位顯微鏡結合了傳統光學顯微鏡、數位多媒體和數位處理技術,其成像系統通常包括三個模組:顯微鏡光學模組、資料擷取模組、數位影像處理和軟體控制模組。

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顯微鏡光學模組執行顯微成像的功能,將欲觀察的樣本影像聚焦。一旦聚焦,資料擷取模組就會將影像以數位格式儲存在感光元件,如 CCD(電荷耦合裝置‍)或 CMOS‍(互補式金氧半導體),再透過 USB 或其他介面傳輸到電腦儲存裝置。

軟體控制模組則是整個數位顯微鏡系統的核心,可即時控制、優化擷取的影像,並加以處理、分析測量。尤其隨著功能更強大的電腦出現,數位顯微影像可以得到更有效和高效的處理,例如可以取代手動計數功能,或是快速推疊或拼接影像。

公式

Dtot 表示景深,λ 是照明光的波長,n 是物鏡至觀察物體間介質的折射率,NA 是物鏡的數值孔徑

e 是放置在顯微鏡物鏡圖像中,可分辨的最小距離,M 是橫向總放大倍率

從公式可以看到,景深和總放大倍率幾乎成反比。而以過去難以同時兼備的高倍率和大景深來說,使用顯微鏡調整焦點,搜尋並到達分佈在不同深度的樣本後,再以數位成像設備捕捉分佈在這些深度的所有清晰影像,傳輸到電腦就能產生高品質、清晰的影像。

另外,也可結合雷射和共軛焦顯微鏡觀察不同深度的橫斷切面影像,再利用電腦影像處理和 3D 重建演算法,便能可以獲得高解析度的立體輪廓,進而觀察複雜的細胞骨架、染色體、細胞器和細胞膜。

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數位顯微鏡的電腦即時處理也常應用在動態或活體(in vivo)檢測的研究中,例如細胞膜潛在變化、藥物進入組織或細胞膜的過程等。

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數位顯微鏡的倍率計算

傳統顯微鏡的總放大倍率為目鏡倍率 x 物鏡倍率,既然數位顯微鏡拿掉了目鏡改以數位相機、電腦取代,該如何計算總放大倍率呢?

數位顯微鏡除了光學放大倍率,還必須考慮數位放大倍率,因此總放大倍率=光學放大倍率 x 數位放大倍率

  • 光學放大倍率:物鏡放大倍率 x C 型轉接環放大倍率

由於連接顯微鏡和相機通常有一個 C 型轉接環(C-mount),且內建鏡頭。因此必須先將物鏡放大倍率乘以轉接環的放大倍率。

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  • 數位放大倍率=螢幕(顯示器)尺寸/感光元件尺寸

數位放大倍率必須考慮的元素有螢幕和感光元件。通常螢幕的對角線尺寸以英吋為單位,因此必須先將測量值轉換為毫米(mm);以 19 吋顯示器為例,其對角線測量值則為 19 吋 x 25.4=482.6 (mm)。

感光元件尺寸同樣以對角線的測量值來計算。以 1” 的晶片來說,其對角線測量值為 16(mm)。

感光元件規格(英吋)對角線
1″12.89.316
2/3″8.86.611
1/1.8″7.25.49
1/2″6.44.88
1/2.5″5.84.37
1/3″4.83.66
1/4″3.22.44

因此若以 10X 的物鏡搭配 0.67X 的 C 型轉接環,變焦 5X 後使用 2/3”CMOS 攝錄器拍攝並投影在 24 吋螢幕上。此時總放大倍率為:10 X 0.67 X 5 X 24 X 25.4 / 11 = 1856.5 (倍)

不過,隨著技術的不斷進步,數位顯微鏡和光學顯微鏡間的界限變得越來越模糊,有些數位顯微鏡採用更多光學元件,光學顯微鏡也採用了數位相機技術;相信打破藩籬的那一天指日可待。

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參考資料

  1. Digital vs. Optical Microscopes: An In-Depth Comparison
  2. How to Calculate Microscope On-Screen Magnification
  3. Chen, X., Zheng, B., & Liu, H. (2011). Optical and digital microscopic imaging techniques and applications in pathology. Analytical cellular pathology (Amsterdam)34(1-2), 5–18.
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