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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。
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
- 謝佳龍的個人網頁
- 奈米生物光學實驗室
- Huang YF, Zhuo GY, Chou CY, Lin CH, Chang W, Hsieh CL*, “Coherent brightfield microscopy provides the spatiotemporal resolution to study early stage viral infection in live cells," ACS Nano, 11(3), 2575 (2017).
- 〈在顯微鏡下拍一場高速電影：透過慢動作重播窺探生物系統的奈米世界〉
執行編輯｜林婷嫻 美術編輯｜張語辰
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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
