2019 泛知識節來了！

• 20170919 南投，圖／國研院提供。

福爾摩沙衛星五號於今年 8 月 25 日發射，台灣時間 9 月 8 日（美西時間 9 月 7 日）光學遙測酬載開始進行取像後，發現影像略有模糊及光斑現象產生，研判可能是遙測取像儀焦距偏移所造成。

國家實驗研究院旋即成立由 9 位專家學者組成的遙測取像專案小組，以確認焦距偏移原因並進一步提升影像品質。在專案小組多次工作會議的建議指導下，太空中心團隊運用取像儀的溫度調控機制及「回溯修正」（deconvolution）的失焦影像還原技術，大幅改善福衛五號影像品質，目前已可達黑白 3 米、彩色 5 米之解析度。國研院太空中心將在專案小組協助下，朝原訂目標黑白 2 米、彩色 4 米之解析度繼續努力。

所謂溫度調控是改變衛星內部溫度，以利用熱漲冷縮之原理改變遙測取像儀之焦距。經過反覆測試與分析，最後發現調整部分區域溫度，將固定主鏡的結構體升至 35℃，次鏡支撐環升至 30℃，可將光斑直徑縮小約 15%。而「回溯修正」則是以數值方法找出代表福衛五號影像光斑之點擴散函數（Point Spread Function, PSF），再對該影像進行回溯修正（deconvolution）運算，將失真的影像還原。

截至目前為止，福衛五號已成功取像累積超過 1000 組黑白／彩色影像，經過前述兩種方式處理過之影像，解析度可達黑白 3 米、彩色 5 米。目前相關調校工作仍持續進行中，專案小組也建議其他改善影像方式，期能再提升影像解析度。

此外，太空中心曾研議藉由改變衛星軌道高度以調整遙測取像儀焦距之方案，然而經由模擬結果，專案小組研判此方式對影像品質幫助不大，不建議太空中心執行。

在調校與改善衛星影像期間，國研院太空中心也已將福衛五號影像除光斑程序由初期的人工處理，改進為自動化處理，以加速影像處理速度，目前影像處理作業時間約會額外增加兩小時。待所有影像處理程序與方法確認後，太空中心將增加配置 GPU 電腦，預計未來將只需增加約一小時的處理時間，即可及時提供客戶影像產品及支援災害防救等任務。

至於遙測取像儀之所以產生焦距偏移現象，太空中心人員經由不同溫度的衛星影像分析研判，取像儀焦點向後偏移（即 CMOS 感測器位置較實際成像面近）約 1 毫米。至於發生此現象之可能原因，目前正進行實驗確認中。

• 本篇修改自國研院新聞稿。

• 國立中山大學化學系助理教授王家蓁研究團隊的研究成果已獲國際知名期刊《Scientific Reports》刊登。圖片來源： 國立中山大學提供

《本草綱目》中記載「當歸」可以「和血補血」，國立中山大學化學系助理教授王家蓁研究團隊首度以科學方法證實「幾千年來老祖宗的智慧不是隨便說說」，她發現當歸中的一種活性成分「苯酞類化合物」確實能調節並提升血液輸送氧氣的功效，研究成果已獲國際知名期刊《Scientific Reports》刊登，未來經由動物與人體實驗，可望應用於開發 PM2.5 預防醫學。

本研究起因於王家蓁一次在吃「當歸麵線」時的靈光乍現，「大家都聽說過當歸可以補血行氣，那時我就想說這是真的嗎？」秉持追根究柢的精神，王家蓁回到實驗室即投入當歸對血液影響的研究，她將當歸萃取液滴入人體血液進行體外實驗觀察，透過共振拉曼光譜、血氧平衡實驗及蛋白質理論計算模擬，歷經三年半，終於證實當歸中的一種活性物質，對於血液中負責輸送氧氣的主角─血紅蛋白（又稱血紅素）確實有調控其分子結構的作用，並藉此提升血液釋放氧氣到組織細胞的功效。

「這是全球首次以科學方法由分子層級證實當歸真的可以『補血行氣』」，王家蓁表示，當歸被人類使用已有千年歷史，此研究終於證實其能補充血液功能，促使氧氣行於週身器官細胞。將持續進行動物、臨床實驗及安全劑量等測試，未來將可望開發新藥物或預防醫學，應用於各類與缺氧相關的重大疾病，包括心血管疾病、腦神經退化性疾病（如阿茲海默症）及癌症等。

身兼中山大學氣膠科學研究中心主任的王家蓁指出，根據衛福部 106 年 6 月公布的最新台灣十大死因中，有高達 7 項疾病皆與 PM2.5 暴露相關。各項與 PM2.5 相關的疾病中，慢性阻塞性肺病（COPD）是很容易被輕忽的肺部疾病，卻高居全球人類死因的第 3 名。近來已有研究發現每天多增加 10 μg/m³ 的 PM2.5 暴露量會增加 2.5% COPD 致死率。當肺部發生阻塞時，氧氣及二氧化碳在受損的肺泡中進行氣體交換的效率也會降低，導致無法吸入足夠的氧氣維持身體正常運作，細胞及組織缺氧是伴隨 COPD 發生的必然結果。 因此，「找出有效方法提升血液氧氣輸送及釋放效率」是可能幫助預防或緩衝 PM2.5 對全身各器官組織造成衝擊甚至病變的策略之一。

本次有關當歸中活性物質對血液功能影響的研究成果，未來可望應用於開發 PM2.5 預防醫學。由王家蓁主導的中山大學氣膠科學研究中心團隊，目前正與國內醫療體系和國外研究單位攜手合作，積極開發能夠降低 PM2.5 導致的各種重大疾病的新藥物和預防方法。

當歸中富含的活性物質有何種效用？

人類生命之得以維繫，完全仰賴於是否有足夠的氧氣能夠順利輸送至全身各器官及組織細胞，使他們得以正常發揮應有的生物功能。一旦細胞發生缺氧（cellular hypoxia），輕則導致生物功能失調及各種病變衍生，重則可能在極短時間內因缺氧窒息而導致死亡。在人體中負責扮演氧氣運送的關鍵主角就是血液中的血紅蛋白（又稱血紅素）。

血紅蛋白是大自然賦予人類維繫生命運作之內建高度精密的分子機器。血紅蛋白是由兩個 α 球蛋白單體、兩個 β 球蛋白單體所組成的四聚體。人體內氧氣的輸送及釋放即是透過血紅蛋白這四個球蛋白單體間的協同作用及其對應的分子構型來完成。我們呼吸時，微觀下的血紅蛋白分子其實也在呼吸，透過兩種不同血紅蛋白構型─包括鬆弛態 （relaxed, R state） 及緊張態 （tense, T state） 之間的轉換，血紅蛋白可以行使攜帶或釋放氧氣的任務。

血紅蛋白可說是科學家最早開始研究的蛋白質之一，分子生物學家 Max. Perutz 教授早在 1962 年就因首先解析出血紅蛋白的結構而獲頒諾貝爾化學獎的殊榮。但除了血紅蛋白本身之外，人體內還有一種重要化學成分，2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG） 在紅血球內扮演異構調控因子（allosteric modulator）的角色，可以輔助血紅蛋白在適當時機將氧氣釋放給各器官及組織細胞。然而，隨著年紀增長，人體內合成 2,3-BPG 的效率會逐漸降低，導致血紅蛋白釋放氧氣的效率逐漸下降。

王家蓁研究團隊經過 3 年半時間，利用共振拉曼光譜首先證實當歸萃取物對於血紅蛋白具有顯著異構調控的效應，將血紅蛋白穩定於低氧親和力而較容易釋放氧氣的構型狀態。經過抽絲剝繭找出當歸中的可能活性物質，再利用血氧平衡實驗，確認血紅蛋白的生物功能指標—對氧親和力確實有規則性地受到當歸中所富含的該類活性物質之有效調控。為了掌握這些活性成分之所以能夠有效調控血紅蛋白結構及功能的分子機制，王家蓁研究團隊進一步利用蛋白質理論計算模擬找出血紅蛋白受到當歸活性物質調控的活性位點，並進而推衍出一過去從未被提出的血紅蛋白異構調控可能機制。

• 本文改寫自國立中山大學新聞稿

參考資料

• Chen, W. R., Y. Yu, M. Zulfajri, P. C. Lin, and C. C. Wang. 2017. ‘Phthalide Derivatives from Angelica Sinensis Decrease Hemoglobin Oxygen Affinity: A New Allosteric-Modulating Mechanism and Potential Use as 2,3-BPG Functional Substitutes’, Sci Rep, 7: 5504.

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• 圖為基於集成共振單元之消色差超穎透鏡，由於色散已被完整消除，因此焦距不會隨著入射光波長的變化而改變。圖片來源：中研院

智慧型手機、眼鏡、顯微鏡必備的透鏡，受限於材料的折射率無法做到極微小的尺寸。而超穎介面（Metasurfaces）的光學設計結構雖然可以做到極小，過去一直面臨會由於色散產生色差等問題，未來的奈米光學要如何做到更小、更精準的光學元件呢？

中央研究院應用科學中心主任蔡定平特聘研究員，與臺灣大學電機系管傑雄教授及南京大學等研究團隊共同合作，利用自創的革命性新觀念—「集成共振單元」，研發出寬頻且消色差的「超穎透鏡」（Achromatic Meta-lens），成為國際上奈米光學領域近期最重要的發展之一，對未來研發輕、薄、微小、精、準的平面型光學元件有極大的幫助。本論文已於 8 月 4 日發表於《自然通訊》（Nature Communications）。 超穎透鏡的發明也已獲得美國與臺灣專利。

透鏡在日常生活中是一種被廣泛應用的光學元件，例如智慧型手機、眼鏡、顯微鏡等，但受限於自然界中光學材料的折射率，使得光學裝置的體積普遍都相當大。超穎介面（Metasurfaces）是一種通過於次波長尺度下操控電磁波特性如相位、振幅與偏振等的光學設計結構，因此對於光電元件微型化的發展有著極大的助益。目前研究學者已成功利用超穎介面展示了平面超穎透鏡（Flat meta-lens），並證明超穎透鏡的成像能力更優於目前市場上廣泛使用之物鏡。然而，這些設計方法對於實際應用層面仍面臨了幾個重要的問題，色散所產生的色差便是其中之一。

如何在寬頻帶內消除色差是一項極大的挑戰，對於連續波段消色差的結果，日前最好的研究成果僅有 140nm（近紅外波段，相較於中心波長約 9.2% 頻寬，Optica 4, 625-632, 2017）以及 60nm（可見光波段，相較於中心波長約11%頻寬，Nano Letters 17, 1819, 2017）。如何擁有一個完整的物理設計原理以達到極寬頻且消色差之超穎透鏡，對所有需要使用精準平面超微型光學元件的裝置來說便是十分重要的關鍵基石。

本次橫跨中研院、臺灣大學與南京大學的合作研究團隊，使用自創之革命性新觀念：「集成共振單位」，並結合幾何相位（Geometric phase）的概念，透過電腦精算設計出超穎表面結構，製作出寬頻、消色差的超穎透鏡。值得一提的是，此超穎透鏡的消色差行為在近紅外波段達到了 480 nm 的頻寬，相較於中心波長約 33.3% 頻寬，是目前為止最廣的工作頻寬。

蔡定平主任表示，「過去透鏡需要運用像是透鏡曲度等方式來控制光，往往需要將二至四個透鏡相疊後才能達到理想的效果，而超穎透鏡即是運用奈米科技就能精準的控制光，讓透鏡能變成非常小的平面，應用上可望讓透鏡如紙片一樣薄，也能有效解決一般透鏡出現色差的問題！」。

寬頻消色差的超穎透鏡的製程與半導體元件之製程相同，未來可望能大量低成本地生產出既小又平的各種超穎透鏡。

「這項新突破可為光學鏡頭帶來革命性發展，未來預計能夠在手機鏡頭、一般監視器鏡頭、或行車記錄器上，只要一片微小的超穎透鏡即可達成任務，會比目前的鏡頭更小更便宜、畫質更清楚，運用的範圍也更廣泛！」蔡主任表示。

本研究由科技部學術攻頂計畫支持。

 參考文獻

• S. Wang et al., Broadband achromatic optical metasurface devices. (2017)