「把生物分子看得更清楚！」結構生物學最新神器──冷凍電子顯微鏡

• 作者／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《顯微技術與流感解密》

2025年初知名藝人大S因流感過世，震驚社會；隨著冬季氣溫下降，流感疫情又將蠢蠢欲動。所幸得益於顯微技術的進步，科學家們在百年前「看見」流感病毒，現在進而拆解流感病毒進入細胞的動態過程，希望能進一步研發更有效的抗病毒療法。

流感是感染人類流感病毒所引發的急性病毒性呼吸道疾病，常引起發燒、咳嗽、頭痛、肌肉痠痛、疲倦、流鼻水、喉嚨痛等，多數國家每年均會發生週期性流行。

看不見的敵人，橫掃全球

除了週期性的地區流行，流感也曾出現大規模疫情，造成世界性大流行。其中1918年流感大流行（又稱西班牙流感）最為嚴重，導致全球數千萬人死亡。

1918年正值第一次世界大戰，美軍在主要入境港口之一，法國的布列斯特（Brest）首次出現流感疫情；4月中旬，波爾多軍醫院也出現了疫情。這些疫情持續時間短暫且無害，死亡人數很少，士兵們很快就從所謂的「三日熱」（the three-day fever）中恢復。

之後，法國和英國部隊也陸續出現流感病例，位於法國聖納澤爾（Saint-Nazaire）的年輕士兵成群感染。1918年5月疫情擴散至索姆河前線（Somme）和洛林地區（Lorraine），前線每天報告新增1500至2000名病例。巴黎於6月受到影響，疫情持續蔓延至英國、德國、義大利，西班牙也未能倖免。

但當時第一次世界大戰的主要參戰國家，如德、英、法、美等國為了避免影響士氣，嚴格管制媒體報導疫情。然而保持中立而未參戰的西班牙，因為沒有實施戰時審查制度，西班牙媒體自由報導著流感相關新聞，甚至連西班牙國王阿方索十三世（King Alfonso XIII）感染重症的消息也被廣泛報導，造成西班牙疫情特別嚴重的錯覺，也因此被命名為「西班牙流感」。

經由戰爭和海運，疫情擴散至全球，西班牙流感出現三波疫情高峰。第一波發生於1918年春季；到了1918年秋季，出現第二波疫情，是死亡率最高的一波；第三波則發生於1919年冬季至1920年春季，死亡率介於第一波和第二波之間。1918到1920年，估計西班牙流感造成全球約5000萬人死亡。

雖然流感造成的死亡人數更甚於一戰死亡人數，但人們還不清楚流行性感冒是由什麼病原體造成。許多科學家開始積極投入假定病原體的研究，大量患者體內存在流感嗜血桿菌（Haemophilus influenzae，前稱費弗氏桿菌Pfeiffer’s bacillus），但也有些病患體內無法分離出病菌，無法滿足柯霍式法則的條件。不過當時流感嗜血桿菌仍被認定是流感的病原體。

柯霍氏法則（Koch’s postulates）：

1. 病體罹病部位經常可以找到大量的病原體，而在健康活體中找不到這些病原體。
2. 病原體可被分離並在培養基中進行培養，並記錄各項特徵。
3. 純粹培養的病原體應該接種至與病株相同品種的健康植株，並產生與病株相同的病徵。
4. 從接種的病株上以相同的分離方法應能再分離出病原體，且其特徵與由原病株分離者應完全相同。

直到1933年，英國科學家史密斯（Wilson Smith）、安德魯（Christopher Andrewes）和萊德勞（Patrick Laidlaw）在倫敦國家醫學研究所（NIMR）分離並鑑定出人類A型流感病毒。他們在流感患者身上收集鼻涕和喉嚨漱口液，過濾後滴入雪貂體內。之後雪貂開始打噴嚏並出現類似流感的症狀，並且傳染給同一籠的雪貂。他們證明了這種感染是可重複的，顯示該病原具感染性，而不是偶然。

1936年，一名年輕的倫敦國家醫學研究所研究員意外接觸到已感染流感病毒的雪貂的噴嚏分泌物。兩天後，他也出現流感症狀，並在喉嚨分離出病毒，血清出現特定抗體。這次意外完成的傳播鏈，實現了柯霍氏法則第三條。之後，B型和C型流感病毒也分別在1940年、1947年被陸續分離出來。

揭開奈米級真實樣貌

儘管此時人們已經知道流感的病原體是可過濾、體積比細菌小的病毒，但一直沒有「見到本尊」。

1931年德國科學家克諾爾（Max Knoll）與魯斯卡（Ernst Ruska）合力製作並發表了史上第一台電子顯微鏡。電子顯微鏡以電子束取代光來觀察物體，由於電子波長短於可見光，解析度提升到奈米等級，也使得病毒得以現形。

用電子顯微鏡觀察，流感病毒呈現球形或絲狀；球形病毒的直徑約100奈米，絲狀病毒的長度則通常超過300奈米。

在電子顯微鏡下，其實很難僅靠外觀分辨A型和B型流感病毒。A型流感病毒的最外層是一層來自宿主細胞的脂質膜，就像穿上「外套」一樣。套膜外則有明顯的尖釘（spikes）構造，就像佈滿尖刺的球體。這些「尖刺」主要由兩種醣蛋白組成：血凝素（HA）和神經胺酸酶（NA），是流感病毒感染能力的關鍵，也正是H1N1、H3N2等亞型命名的由來。

病毒外殼上還零星分布M2離子通道蛋白（M2 ion channel protein），但數量非常少，平均每100至200個HA，才有一個M2。套膜下則有M1基質蛋白（matrix protein M1）支撐病毒結構，維持病毒穩定。B型流感病毒的整體結構和A型非常類似，只是膜蛋白組成略有不同，除了HA和NA之外，另有兩種B型流感獨有的NB和BM2蛋白。至於C型流感病毒，外型就和A、B型明顯不同，它們在感染細胞表面時，能形成長達數百微米的「繩索狀結構」。

然而，電子顯微鏡有其限制：樣本必須固定、脫水，只能看到「結果」，而非「過程」。雖然隨著螢光標記與活細胞顯微術的進步，研究者也開始追蹤流感病毒在細胞內的移動路徑。但螢光顯微鏡看到的是標記訊號，而非病毒的真實形貌；病毒如何與細胞膜互動、是否造成結構變形，仍多半停留在推測層次。

以「病毒視角」看流感病毒互動

蘇黎世聯邦理工學院分子醫學教授山內洋平（Yohei Yamauchi）帶領的研究團隊，使用改良的「病毒視角」原子力顯微鏡（virus-view atomic force microscopy），首次在活細胞表面即時觀察到單顆A型流感病毒進入細胞的過程。

原子力顯微鏡是以奈米探針，在樣本表面掃描，透過感測微小的力學變化來重建樣本形貌。研究團隊將原子力顯微鏡與共軛焦螢光顯微鏡整合，一邊確認顆粒的「身分」，一邊記錄其造成的細胞膜變形。

他們看到流感病毒在細胞表面並非立刻被吞噬，而是先停留一段時間，並在接觸處誘導細胞膜產生局部下陷。慢慢地病毒被細胞膜包覆，最終完成內吞。結果顯示病毒不是「自行闖入」，細胞也「主動」參與反應。細胞將對內吞作用重要的網格蛋白（clathrin protein）聚集到病毒所在的位置，細胞表面也會在病毒所在位置隆起，把病毒「往內拉」。如果病毒遠離細胞表面，這種波浪狀的膜運動也會增強，彷彿細胞要把病毒「抓回來」一般。

從光學顯微鏡的「看不見」，到電子顯微鏡的「看見結構」，再到原子力顯微鏡的「看見動態互動」，顯微技術的演進不只是解析度的提升，更不斷改變人們對流感病毒的理解，進一步為疾病研究和防治開啟新的可能。

參考資料：

• Bouvier, N. M., & Palese, P. (2008). The biology of influenza viruses. Vaccine, 26 Suppl 4(Suppl 4), D49–D53.
• Berche P. (2022). The Spanish flu. Presse medicale (Paris, France : 1983), 51(3), 104127.
• Yoshida, A., Uekusa, Y., Suzuki, T., Bauer, M., Sakai, N., & Yamauchi, Y. (2025). Enhanced visualization of influenza A virus entry into living cells using virus-view atomic force microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 122(38), e2500660122.
• A year-round disease affecting everyone. WHO

延伸閱讀：

• 用電子照亮世界──電子顯微鏡如何帶來科學革命(1)
• 用電子照亮世界──電子顯微鏡如何帶來科學革命(2)

本文轉載自顯微觀點

低調的電子產品之母

拆開任何現代電子產品，都可以發現印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）的踪影。從地球外的人造衛星、最新款 iPhone 到傳統桌上型電話，印刷電路板都在其中乘載元件、傳遞訊號，因此也被稱為「電子產品之母」。

臺灣是舉世聞名的 PCB 出口大國，儘管出現廠商逐廉價勞動力外移的趨勢，臺灣企業的市占率依然超過三成，位居全球第一。

在追求精密化、提高良率的產業進步過程中，分析 PCB 切片顯微影像是不可或缺的步驟。要看得細膩真確，則有賴 PCB 樣本製備及影像判讀，兩項需要精密操作、耐心和敏銳判斷力的技術。

從拋光臺到編輯臺

現年 85 歲的白蓉生，是兩岸 PCB 業界備受尊敬的分析技術權威，曾獨立經營《電路板資訊雜誌》8 年，並擔任臺灣電路板協會《電路板季刊》總編輯 25 年。他磨練 PCB 切片檢驗與判讀能力 40 餘年，持續對業界分享他的獨門 PCB 顯微分析心得。

自 1980 年代以來，白蓉生公開發表超過 800 篇圖文並茂的 PCB 檢測技術文章，並擔任國內外重要廠商的技術顧問。他不藏私的經驗分享，促成 PCB 製造商的技術躍進與營業成長。

PCB 檢測過程中，光學顯微檢驗是最為基礎，也提供最多資訊的步驟。進入顯微載物台之前，PCB 需要經過切片取樣、封膠、研磨、拋光、微蝕等步驟。其中切片與研磨、拋光需要格外細緻的操作能力，才能在顯微鏡下呈現清晰平整的切面。

良好的 PCB 切片樣本，可以將整個切面維持在同一個焦平面，均勻呈現孔道的鍍銅品質、不同金屬間介面的良窳，整個水平面上的顯微景觀都維持清晰對焦。透過尋找細微瑕疵，來改進 PCB 的製造過程。

「在放大 1000 倍、3000 倍後，都可以維持切面對焦的樣本，才是合格的切片樣本。」

—在每一篇技術文章都分享數十張顯微影像的白蓉生如此強調。

精細樣本製備與多重顯微技巧

白蓉生以業界檢驗分級 QC（Quality Control, 品質管理）, QA（Quality Assurance, 品質保證）, FA（Failure Analysis，故障分析）為案例，「合格的 FA，追求整個切片視野的焦聚一致，一覽無遺。一般 QC 或 QA 人員，慣於接受觀察球面樣品，對於看不清楚的部分不了了之。」

他指出，業界常見的球面切片無法得到清晰的全面影像，是研磨與拋光的技術與耐心不足。焦點起伏不定的切面無法展現細節中的魔鬼，工程師自然也無法精進製程、更換材料以祛除瑕疵，。

現任職欣興電子技術顧問的白蓉生，在廠內建立 FA 切片師的培訓與考試機制，30 年來僅有 20 多人合格。製備合格切片之後，影像判讀是分析製程的必須能力，因此白蓉生設立與 FA 切片師並行的 FA 判讀師制度，迄今也只有 20 多人合格。

白蓉生感嘆，「切片與判讀都需要下苦功練習，30 年來只有 3 個人獲得切片師與判讀師雙料合格。」

—來向他學習切片與判讀技術的，往往是 PCB 業界的資深工匠或管理階級，要放下既有經驗與身段並不容易。

白蓉生笑說，「來學切片判讀的，常常是經理或副理，對專業經驗自視甚高。但他們所學愈深，就愈是謙遜。登堂入室，才發現前方學海無涯。」

隨著顯微技術演進，業界流行使用電子顯微鏡觀察切片，認為看愈小愈好。白蓉生卻堅持以光學顯微影像作為判讀依據。因為在電子顯微鏡下，只有黑白影像，無法利用顏色分辨不同材質。

白蓉生說「用電顯判讀的結果，無法分析顏色。我認為都是胡說，像是文盲在看書。儘管能看到很小的顆粒，分析人員也只能看著黑白影像說：『那是雜質』。」

切換明視野、暗視野、偏光干涉等光學技術，再搭配透視與立體顯微鏡的組合，PCB 切片中不同金屬在白蓉生鏡下呈現明顯對比，相同金屬也會因為歷經不同處理而呈現不同顏色。電鍍銅與化學銅的差異、電鍍與焊接的品質，都在白蓉生的顯微影像中一覽無遺。

領導業界規格 畢生追求精進

除了基本的明場自然光，白蓉生也分享他常用的顯微技巧：以明場光源搭配干涉，在最暗與最亮的偏光下可獲得透視效果。明場兼用偏光與干涉可以使銅面呈現立體效果，且電鍍銅會呈現藍色易於分辨。採用偏光與干涉的單純暗場則能呈現最佳的材質對比效果。

白蓉生強調，「因為能看出金屬介面的細緻型態，我們才能知道技術要如何改進。」

—「而不是把顆粒都標籤為『異物』，說服自己製程、材料很完美，失去進步的機會。」

在白蓉生指引的工藝改革下，原本表現平庸的欣興電子成為精密載板的重要國際供應商。他得意地說，「我們製作的 Daisy Chain 載板佈線連貫強韌，承受 500 次熱漲冷縮測試之後，電阻增加不到 5%。技術紮實到連 Nvidia 這種頂級客戶都大吃一驚。」

欣興電子雇用白蓉生為顧問後，他追求精進的態度製程水準帶來革命般的改變。白蓉生回憶，早先欣興電子的產品良率不到八成，「或許剛好可以維持公司運作，但也無利可圖。」

現在欣興電子的高階 IC 載板良率已穩定超過 9 成 5，股價也成長超過十倍。白蓉生笑說，「我沒有因為公司股票賺錢！我原本就不想要賺大錢，因為錢多了沒用，只是徒增煩惱。」

以紙上技藝傳遞電路板工藝

話雖如此，白蓉生也坦承，「當年創立《電路板資訊雜誌》是生活所需，因為從安培離職，沒工作就沒收入啦！」

從資深工程師轉為科技月刊發行人兼總編輯，白蓉生的生活更加忙碌，全副精神都浸泡在 PCB 技術知識的研讀和傳遞中。

他回憶，當時他自己擔任總編輯兼送報生，手稿交由妻子與另一位打字員處理，在沒有網路的時代，每一期要繳出 5 萬字圖文並茂的稿子。除了努力訪問國內廠商、專家，也要大量編譯國外刊物內容。當年雜誌收入以廣告費為主，每個月可以得到超過 20 份廣告委託，在沒有前例的科技月刊市場上，開拓出意外佳績。

《電路板資訊雜誌》從 1988 年發行至 1996 年，白蓉生在 8 年間自力編譯、採訪、寫作，從早晨六點到午夜睡前，都在蒐集資料、勤奮筆耕。

「我一周六天都在編雜誌，沒有應酬娛樂，也沒請過病假，因為連生病的時間都沒有！」

—月刊生涯的辛勤讓白蓉生難以忘懷。

雜誌停刊之後，白蓉生享受了兩年退休生活，發現自己閒得發慌。他受邀擔任臺灣電路板協會（Taiwan Printed Circuit Association, TPCA）的顧問及《電路板季刊》總編輯，繼續研究、傳授電路板顯微影像的判讀方法，以及細緻的製程改善技巧。

《電路板季刊》迄今已發行 100 期，白蓉生也成為華語世界最重要的電路板知識傳遞者。

懷有珍貴 PCB 分析知識與技術的白蓉生，在兩岸業界深受重視，是各大廠商極力邀請的講師。他的判斷力不是來自學校或公司的教育體系，而是靠著多年來的勤奮自學。

好學、勤奮與謙虛的自我養成

白蓉生說，他少時家貧，因此就讀師範學校以省下學費，還能領錢和白米幫助家境。但師範學校學歷不如一般大學（當時師範學校專門培育小學校教師，僅需 3 年教育），心有不甘的白蓉生在小學任教三年後，考上中興大學化學系，同時擔任小學老師和大學生。

白蓉生在大學畢業後進入中華航空擔任化學工程師，反覆的電鍍工作並未帶給他成就感，他於是轉職美商安培電子（Ampex）。1969 年起，白蓉生在安培電子大量接觸 PCB 製造與檢測的第一線作業，開啟了鑽研 PCB 分析判讀的專業道路。

1969 年，安培電子於桃園設廠，是臺灣 PCB 生產王國的發軔時刻。白蓉生在此接觸到國內最先進的 PCB 工藝。他樂於在下班之後繼續研究檢測材料，探索各種慣例外的顯微方法，逐步建立自己的 PCB 切片檢查技巧。

除了 PCB 製造工藝的獨到見解，對文學的喜愛也是白蓉生筆耕不輟的動力來源。他說，自己求學時力求節儉，一直步行上學，超過 40 分鐘的漫漫路途是他背誦古文的時間，對文學的興趣、寫作的欲望隨著路程逐漸滋長。

對於中年轉行，成立沒有前例可循的專業技術雜誌，白蓉生笑稱，「當初發行頭幾期雜誌就燒完 6 萬塊積蓄，我還真不知道能不能回本。」

從技術專家、顧問到專業刊物總編輯，白蓉生拓展並傳承 PCB 分析工藝將近半世紀。他至今保持30年前「永晝方塊每隨飯，長夜蟹文伴枕眠」的強韌動力，投入 PCB 檢測、寫作與講課，建構低調踏實的臺灣電路板工藝文化。

他認為，電子產業是臺灣立國基礎，業界訓練可以彌補產學落差，但好學、勤奮與謙虛的心態是學校或企業不能代勞的，得要由年輕世代主動保持。端正的學習心態結合不藏私的深入技術指導，能養成更多專業人才，使電路板工藝精進，提升業界整體價值。

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還好礙於倫理考量，沒有人打算經由技術手段將奧茲冰人復活。不過冷凍人的復活倒是不少科幻小說中常用的哏。

最早的一篇可以追溯到 1931 年，故事的主角叫詹姆斯，他死後遺體被保存在低溫和真空中發射到太空裡，就這樣漂泊了幾百萬年。後來他的遺體被外星人復活，復活的方式也十分特殊：只復活了他的頭顱，並為他裝上了機械身體。就這樣在人類已經滅絕的時代，詹姆斯獲得了永生。

其實在現實中，雖然幾百上千年不好說，但要讓一個人凍上幾十年，並且仍具有「復活」可能性的技術早已出現，那就是人體冷凍技術。

獲得永生的起點——人體冷凍

1962 年，羅伯特．艾丁格博士（Robert Ettinger）出版的《永生不死的前景》一書，是現實中的人體冷凍的起點。艾丁格博士在書中指出：人類和大量低等動植物一樣，具有「冷凍復活」的潛力。他還在書中預言人體冷凍技術可以使「我們大多數人獲得永生不朽的機會」，並對此進行了嚴密的科學論證。這本書的出版標誌著人體冷凍保存運動的開端，艾丁格博士後來也因此被稱作「人體冷凍之父」。

人體冷凍並不是簡單地將人一凍了之，而是以在未來的某個時刻將冷凍的人體喚醒為目的的冷凍。因此，在技術上，不但要考量如何將人凍住，也要考量在冷凍以及化凍時不會對人體產生傷害。像奧茲冰人那樣凍成一具乾屍，肯定是不行的。

不過經由前面小象由香和奧茲冰人的故事，我們已經了解，在生物體死後及時讓其進入低溫環境，可以很大程度上延緩甚至叫停讓屍體腐爛。同樣，人死後越快進入冷凍，細胞和身體受到的影響就越小。當然，只要提前簽好協議、做好準備、安排好一切事宜，及時進入冷凍狀態並不是什麼困難的事情。

要怎麼把活人冰起來？

常煮飯的廚藝愛好者都應該知道，一塊鮮肉，在經過冷凍再化凍後，往往會滲出大量的血水。這是因為在冷凍時，細胞中的水分會結冰，而這些冰晶會破壞細胞結構，從而造成細胞的死亡。凍肉化凍時滲出的血水，很大一部分就來自這些破損的細胞。這顯然是我們在以喚醒為目的的人體冷凍中不願意看到的結果。

因此，在對人體進行冷凍之前，需要經由手術和灌注，將人體中的血液替換為冷凍保護劑。冷凍保護劑可以降低冰點，減少冰晶的產生，最大限度地避免對身體細胞組織造成破壞。然後，人體才會進入降溫程式。經過 60 小時的降溫後，冷凍的屍體就可以被轉移到巨大的液氮罐中長期保存了。

如今世界上冷凍人的數量已經接近 500 人，但能夠獨立實施人體冷凍的機構只有 4 家，分別是美國的阿爾科生命延續基金（Alcor Life Extension Foundation）及人體冷凍研究所（Cryonics Institute）、俄羅斯的 KrioRus 和中國的山東豐銀生命科學研究院。其中人體冷凍研究所是由「人體冷凍之父」艾丁格博士創立，而阿爾科生命延續基金會中保存著全世界第一個被冷凍保存的人詹姆斯．貝德福（James Bedford）的身體。

按照計畫，貝德福本應該在進入冷凍狀態 50 年後，也就是 2017 年被喚醒，但阿爾科生命延續基金會至今並未行動。

一方面，我們可能仍未對喚醒冷凍人在技術上做好準備；另一方面，據傳聞，貝德福當年所使用的冷凍保護劑似乎對人體傷害甚大，也就是說，就算技術完備，貝德福是否能夠醒來也十分不好說。

人體冷凍很貴嗎？

進行人體冷凍的費用倒是並沒有想像中那麼高昂，以這幾家機構中收費最高的阿爾科生命延續基金會在 2017 年的報價為例，進行全身冷凍的費用約為 20 萬美元，還有一個更便宜並且更具有科幻意味的選擇——單獨冷凍頭部，僅需 8 萬美元。不過，在現有的技術手段之下，選擇人體冷凍，比起「追求永生」和「無限可能」，更像是在參與一場結果未知的科學實驗。

當然，技術仍然不斷進步，關於人體冷凍的最新進展似乎為貝德福以及其他被凝固在液氮罐中的人們帶來了一些希望：據報導，2020 年 12 月，一個在液氮罐中沉眠了 27 年的胚胎被取出植入一位母體的子宮，並分娩出一名健康的女嬰。

如果有一天，我們真的像艾丁格博士所說的那樣，打破生與死的邊界，獲得「永生」之時，生命是否也就失去了很多意義？

——本文摘自《真的假的！奇怪知識又增加了：自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想》，2023 年 7 月，晴好出版，未經同意請勿轉載。