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儀器與他們的產地:國研盃 i-ONE 儀器科技創新獎 開放報名,快來打造儀器改變世界!

PanSci_96
・2020/06/23 ・1872字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

儀器改變了世界

  • 1593 年,伽利略 (Galileo Galilei) 利用空氣熱脹冷縮原理,建造了第一支氣體「溫度計」。
  • 1595 年,第一個複式顯微鏡誕生,用來測量細胞結構。
  • 1609 年,伽利略發明天文望遠鏡,首次利用折射式望遠鏡觀測天體,開啟了天文學的研究。
  • 1759 年,‎約翰·哈里森(John Harrison)發明航海天文鐘(marine chronometer),以辨別經度,揭開大航海時代的序幕。

儀器的發明,讓我們提出的假設可以進行定量與更精確的測量,改變了我們看待世界的方式並且擴展了我們的感官範圍1

19 世紀、20 世紀和 21 世紀間科學發展的差異,部分源於探索世界的儀器不同。先進的儀器不僅可以促成新發現,回答日益複雜的問題,還可以提高知識生產的效率。除此之外,儀器促進了跨學科的研究。許多驚人的科學、工程和醫學發展,都是從基礎科學導向應用科學研究而發展的。

隨著基礎原子和分子物理研究日趨成熟,因應這些基礎科學研究所開發的儀器又再度被化學家和應用物理學家採用。在大學研究及新創公司帶領下,這些相關技術亦能應用於生物、臨床和環境科學。

爾後產生新的發現又使開發更強大的新穎儀器成為可能。例如,磁振造影(magnetic resonance imaging scanners),最初是物理學家和化學家為進行基礎研究而開發的,爾後才成為醫學上的診斷儀器。

因此,儀器的發展與科學保持著共生關係(symbiotic relationship),決定了未來的科學發展與社會進步1

儀器是結合光、機、電、真空、控制等物理、化學及生命技術之整合系統,種類繁多,各國分類標準及涵蓋範圍亦隨各國產業現況而異,依儀器用途概分為八大類組,涵括基本物理量量測儀器、光學量測儀器、化學分析儀器、材料分析儀器、表面分析儀器、電子測試儀器、醫療儀器、環境及安全衛生檢測儀器等2

要拿諾貝爾獎,先搞定儀器

2001 年日本政府宣布將在 50 年內奪下 30 座諾貝爾獎,截至 2019 年,日本總共拿下 19 座諾貝爾獎,平均一年就產出一位諾貝爾得獎者。美國和日本都是諾貝爾獎大國,要長出顯眼的科技樹,除了政府支持、經濟作為後盾之外,還有一項重要的原因就是高端儀器的製造與使用。

前中研院院長李遠哲獲得諾貝爾化學獎的主要原因就是設計出「交叉分子束實驗裝置」(crossed molecular beam apparatus),並用此儀器深入了解分子碰撞與化學反應的機理。

自製儀器除了可以拿諾貝爾獎以外,還可以幫助產業節省成本。就半導體產業來說,台灣雖為半導體產業龍頭,但製程所用的設備大多數都仰賴進口,價格昂貴且維修不易。

在台灣,隸屬國家實驗研究院的台灣儀器科技研究中心(儀科中心),可說是客製化光電儀器重鎮。

近年來投入半導體高階儀器設備及關鍵零組件之自研自製,研發出國內第一部自製先進半導體原子層磊晶蝕刻(atomic layer etching, ALE)設備,使用氮化鎵(GaN) 材料研製次世代半導體電力元件,作為製作微小結構「精準蝕刻」最佳工具,可應用在半導體製造業的特殊製程步驟,不僅可彈性調整零組件、降低維修成本,讓技術不再受制國外廠商。

另為因應產業界對於半導體製程之尺寸微縮需求,以及奈米科技於多元科技之應用發展,儀科中心自主開發原子層沉積 (atomic layer deposition, ALD)系統,與目前動輒台幣二千萬元以上的機台相比,儀科中心開發同樣性能之系統,性能與價格上,皆具市場競爭力。

國內第一部自製先進半導體原子層磊晶蝕刻(atomic layer etching, ALE)設備

有了自製的能力,還可以利用獨有的設備與技術,根據產業製造、學術實驗與生醫檢測等各界需求,客製化開發目前市面上「不存在」的設備。

儀科中心就曾經協助產業開發建置全台首創線上全檢「太陽能板產線智慧即時回饋檢測設備」,在 1 分鐘內即可完成一片板材檢測,不但檢測效能提升 30 倍以上,並可即時分析研判結果,據以對製程進行調整,大幅提升生產效能和品質;協助醫學界開發「生醫顯微影像光譜檢測系統」,整合顯微取像與高光譜模組,透過人工智慧學習,進行組織或病理試片分析,協助醫檢及研究人員進行攝護腺組織、子宮頸抹片、泌尿上皮細胞等初步組織或病理試片特徵分類。

國研院儀科中心依照客戶需求量身打造客製化儀器解決方案

儀器 Maker,快來報名參加「國研盃 i-ONE 儀器科技創新獎」!

如果你也想成為儀器 Maker,不妨報名由儀科中心承辦的「國研盃 i-ONE 儀器科技創新獎」,「創想」結合科學理論並動手「實作」,從中找到答案並解決問題,更可能誘發新的創意與發明。

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參考資料

  1. Advanced Research Instrumentation and Facilities, National Academies Press, P16 (2006)
  2. 《儀器總覽》,新竹: 國家實驗研究院台灣儀器科技研究中心,P5,1998年。

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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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科技魅癮_96
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