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金屬奈米粒子 閃耀自訂顏色

only-perception
・2012/02/27 ・1168字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

哈佛的工程師展示一種新的可調式色彩過濾器(color filter,彩色濾光片),使用光學奈米天線(nanoantennas)達成對顏色輸出的精確控制。

傳統的彩色濾光片只能產生一種固定色彩,然而一個暴露在不同類型光線下的單一主動濾波器(active filter)卻能產生一系列顏色。

這種優勢在電視以及生物成像的應用中有其潛力,甚至有可能被用來創造標記貨幣的隱形安全標籤。這些發現發表在二月號的 Nano Letters 上。

Kenneth Crozier,哈佛工程與應用科學系(SEAS)電機工程副教授,等人改造了金屬奈米粒子的形狀,故其所顯現的顏色與照亮它們的光線的偏振密切相關。奈米粒子可被視為一種天線 — 類似無線通訊所用的天線 — 但其規模非常小,而且在可見光頻率下運作。

“由於奈米科技中的進展,我們能精確控制光學奈米天線的形狀,所以我們能調整它們,使其在不同的顏色與不同的偏振下,做出不同的反應,” 共同作者 Tal Ellenbogen 表示,SEAS 博士後研就者。”據此,我們設計了一款新的可調式色彩過濾器。”

在今日電視與監視器中被用來創造顏色的傳統 RGB 濾光片,有一固定的輸出顏色(紅、綠或藍)並透過混色(blending)創造出一種更廣泛的色盤。相較之下,奈米天線過濾器的每一個像素都是動態的,且當偏振改變時能產生不同的顏色。

研究者將這些過濾器封為「色電漿子偏振器(chromatic plasmonic polarizers,CPP)」,因為它們能創造出具均勻色彩的像素,或複雜的圖案,其顏色是位址的函數,會不斷變化。

為了證明這種技術的能力,縮寫字 LSP(localized surface plasmon,局部表面電漿)被創造出來(譯註:請參考原站附圖)。對於非偏振光或是已在 45 度偏振的光,這些字母都是隱形的(灰疊灰)。在 90 度的偏振光下,字母呈現出鮮明的黃,還有藍色的背景,在 0 度時,配色顛倒了。藉由旋轉入射光的偏振,字母會變色,從黃變藍。

“關於這項研究,有點不尋常的地方在於,我們有個會依偏振而產生反應的色彩過濾器,” Crozier 說。

研究者展望數種不同的應用:功能性地使用顏色,在顯示器或相機中呈現不同的顏色;或為了生醫成像在組織中展現偏振效應,以及將此技術整合到標籤或紙張裡,以產生安全標籤,能用來標記金錢或其他物體。

雖然要從當前組裝好的樣本看見色彩效應,需經放大,不過大規模的奈米列印技術可用來產生大到足以用肉眼看見的樣本。例如,為了建造一台電視,使用奈米天線的話將需要大量先進工法,不過 Crozier 與 Ellenbogen 表示,那完全可行。

Crozier 相信這個最新的進展,有一部分,採用了生物學的方法來對付顏色產生的問題。

Ellenbogen(諷刺的是,他是色盲)先前研究過視覺皮質的計算模型並且把這樣的知識帶到實驗室。

“色電漿子偏振器結合二種結構,每種都有不一樣的光譜響應,而人眼可將這二種光譜響應的混合視為顏色,” Crozier 說。

“我們通常會問,就光譜而論,反應是什麼,而不是就眼睛而論,反應是什麼” Ellenbogen 補充。

原始文獻:Tal Ellenbogen, Kwanyong Seo, and Kenneth B. Crozier
Nano Lett., 2012, 12 (2), pp 1026–1031
doi: 10.1021/nl204257g

資料來源:PHYSORG:Metal nanoparticles shine with customizable color[February 23, 2012 ]

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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