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奈米銀:形狀決定毒性

NanoScience
・2012/07/16 ・747字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

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美國加州大學洛杉磯分校的科學家研究不同形狀的銀奈米材料對彩虹鱒細胞及斑馬魚胚胎的影響,結果發現碟狀奈米銀比其他形狀如球狀或線狀的奈米銀毒性更高。幸好銀奈米碟(nanoplate)只有在直接接觸細胞時,毒性才會顯現。

圖片來源:FORTOX

這個由 Andre Nel 領導的團隊採用由彩虹鱒魚及斑馬魚胚胎分離出來的細胞為測試對象,研究了銀奈米球(nanosphere)、奈米線(nanowire)及奈米碟在不同劑量下的毒性。實驗結果顯示銀奈米碟的毒性最高,銀奈米球只有在高濃度下才有毒性,而銀奈米線則毒性最低。

銀奈米碟的毒性來自於它會產生具有毒性的過氧化物(superoxide),在細胞內製造氧化壓力(oxidative stress),因此若事先以具有抗氧化作用的 N-乙醯基半胱氨酸(N-acetylcysteine, NAC)處理細胞,可保護細胞不受奈米碟的影響。此外,研究人員也發現銀奈米碟必須與細胞直接接觸,才會有毒性。

令研究人員意外的是,相較於參與測試的其他形狀銀奈米材料,奈米碟反而釋放出較少的銀離子進入培養基中,而目前學界認為這些銀離子就是銀奈米材料的毒性來源。該團隊以高解析穿透式電子顯微術(HRTEM)仔細檢查銀奈米微粒的表面,發現表面缺陷會增加微粒的反應活性,而在粒子表面鍍上半胱胺酸(cysteine)遮蓋缺陷則能降低毒性。不過,由於上述結果是在孵育介質(incubation media)中得到的,其缺乏蛋白質的環境可能有助於奈米碟與細胞表面的接觸。

該團隊指出,這項研究顯示奈米微粒的形狀對於其是否具有毒性有重大的影響,這個發現可望用來協助提升奈米科技應用的安全性,同時他們正計畫研究銀奈米碟一旦被吸入哺乳動物的肺部是否會造成危害。詳見 ACS Nano 6, pp.3745–3759 (2012) | DOI: 10.1021/nn204671v。

譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Silver nanoparticle shape affects toxicity—nanotechweb.org [2012-05-11]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-06-30] 

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NanoScience
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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

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想吃牠卻反被殺!如何解決甘蔗蟾蜍對澳洲的威脅?——《在大滅絕來臨前》
臉譜出版_96
・2022/02/05 ・4877字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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位於吉朗(Geelong)的澳洲動物健康實驗室(The Australian Animal HealthLaboratory)是世界上受到最嚴密控管的實驗室之一。這座實驗室位於兩座大門之後,而第二道門是專為抵擋卡車炸彈而設計的。有人跟我說,這座水泥牆的厚度禁得起飛機撞擊。設施內有 520 道氣密門,並有四種安全等級。「若殭屍來襲,你會希望自己能待在這裡。」一位工作人員跟我說。在最高安全層級管制區內——四級生物安全等級——處理的是裝有地球上最棘手的動物傳播病原體的小玻璃瓶,其中也包含伊波拉病毒(Ebola)病毒。(電影《全境擴散》(Contagion)的台詞就曾點名過這座實驗室。)

在四級生物安全等級單位工作的人不能在實驗室中穿自己的衣服,而且在回家至少三分鐘以前,必須先淋浴。對他們來說,設施裡的動物全都不能離開這裡。「離開的唯一途徑只能經由焚化爐。」有位員工這樣跟我說。

四級生物安全等級實驗室的必要功能。圖/維基百科

吉朗位於墨爾本的西南方,車程約為一小時。在我見到范.歐朋的同一次行程中,我也造訪了這座縮寫為 AAHL(與「maul」同韻腳)的實驗室。我聽說那裡正在進行基因編輯實驗,為此大感興趣。由於生物防治手段再度失敗的關係,一種名為甘蔗蟾蜍(cane toad)的大型蟾蜍成了澳洲人的心頭大患。AAHL 的研究者延續著不斷自我重覆的人類世邏輯,希望能用新一輪的生物控制手段來解決這場災難。他們的計畫也包含用 CRISPR 技術修改蟾蜍的基因組。

負責這項計畫的生物化學家馬克.提薩(Mark Tizard)同意帶我去現場參觀。提薩的身材高瘦,留著有瀏海的白髮,一雙藍眼睛炯炯有神。一如我在澳洲遇到的許多科學家,他也不是本國人,而是來自倫敦。

在 CRISPR 的技術中,嚮導 RNA(guide RNA)用來鎖定要被剪掉的DNA 段。在細胞試圖修補損傷時,經常會發生錯誤,導致基因失去功能。如果這時提供「修復的範本」,就能引入新的基因序列。※出處:MGMT. design

在蛋殼裡就能分辨小雞性別

在研究兩棲類之前,提薩主要研究的是家禽。幾年前,他跟一些 AAHL 的同事將水母的基因嵌入母雞體內。這種基因跟我準備要嵌入酵母菌的一樣,帶有會發出螢光的蛋白。因此,擁有此基因的雞會在紫外燈下發出詭異的光芒。提薩接著又找出一種嵌入基因的方法,得以使會發光的基因只傳給雄性後代。這麼一來,即便小雞還在蛋殼裡,就能讓人辨別出性別。

提薩知道很多人對經過基因改造的生物感到害怕。他們認為吃這些生物非常噁心,也極度厭惡讓這些生物問世的做法。雖然他不像是柴納那樣的煽動者,但卻也深信這些人的看法大錯特錯。

「我們有一種雞會發出綠光,」提薩跟我說,「某次有個學校團體來訪,當他們看到綠色雞的時候,有些小朋友說:『哇,太酷了。請問如果吃了這些雞,我會變綠色嗎?』

我回答:『你本來就會吃雞肉對嗎?那你有長出羽毛跟雞嘴嗎?』」

無論如何,按照提薩的看法,現在才在擔心這一小部分的基因問題未免為時已晚。

編輯基因是為了讓受損的生態系獲得改善

「在澳洲的自然環境裡,你會看到尤加利樹、無尾熊、笑翠鳥(kookaburras)等生物,」他說,「在我這個科學家眼中,看到的是多重版本的尤加利樹基因組、多重版本的無尾熊基因組,以此類推。這些基因組都在互相交流。接著,突然之間——『碰』一聲,你把別的基因組放過來,也就是甘蔗蟾蜍的基因組,而因為過去牠從未出現在這裡,所以與其他基因組的交流成了大災難——牠把其他基因組給消滅殆盡了。」

「大家沒看到的是,這已經是個基因修改過的環境。」他接著說道。入侵物種會改變環境,因為牠們帶來完全不屬於這裡的基因組。相較之下,基因工程師不過是在東一點、西一點改變一小部分的 DNA。

「我們做的事可能只是在蟾蜍兩萬個基因之中,加上約莫十個原本不存在的基因,但那十個基因會破壞其他的基因、把蟾蜍從生態系統中移出並回復平衡,」提薩說,「一般人對分子生物學(molecular biology)最經典的問題就是:『你們在扮演上帝嗎?』

「嗯,當然不是。我們是利用對生物體的理解,摸索著該如何讓受損的生態系獲得改善。」甘蔗蟾蜍的學名是 Rhinella marina,身上有棕色斑點、粗壯的四肢與凹凸不平的外皮。要形容這種動物的外觀,很難不強調尺寸。「甘蔗蟾蜍是體型巨大、長著疣的蟾蜍科生物。」美國魚類與野生動物管理局寫道。「坐在路邊的大型甘蔗蟾蜍容易讓人誤以為是圓石。」美國地質調查局也評道。

紀錄上最大的甘蔗蟾蜍身長約 38.1 分,重達 2.7 公斤——跟吉娃娃一樣重。1980 年代,在布里斯本的昆士蘭博物館中,有一隻名為貝堤.戴維斯(Bette Davis)的蟾蜍,牠長度約為 24 公分,幾乎跟餐盤一樣寬。只要是能塞進牠大嘴裡的東西,這隻蟾蜍幾乎什麼都吃,從老鼠、狗糧以及其他的甘蔗蟾蜍——統統沒問題。

甘蔗蟾蜍的原生地是中南美洲與德州的最南端。有人在 19 世紀中將其引進加勒比海地區。原先的想法是要讓蟾蜍去應付對當地經濟作物甘蔗造成危害的甲蟲幼蟲。(甘蔗也是外來物種;原本生長於新幾內亞。)這些蟾蜍從加勒比海地區被人送到了夏威夷,再從夏威夷送到澳洲。1935 年,有 102 隻蟾蜍被裝上開往檀香山的蒸汽船,其中 101 隻活了下來,最後來到澳洲東北海岸某個種植甘蔗的鄉村研究站。在一年內,牠們產出超過 150 萬顆卵。這些小蟾蜍被人刻意放入該區的河川與池塘中。

自從甘蔗蟾蜍被人引入之後,牠們已經擴散至澳洲多處。目前估計牠們
還會持續拓展地盤。出處:MGMT. design

許多人質疑蟾蜍對甘蔗是否真的有益。因為吃甘蔗的幼蟲棲息在離地很高的地方,這種體型相當於圓石大小的兩棲類碰不到牠們。但這並沒有打倒蟾蜍,因為牠們又找到許多其他東西吃,並且持續繁衍大量的小蟾蜍。從昆士蘭海岸的一小塊地方開始,牠們往北擴散至約克角半島(Cape York Peninsula),往南挺進新南威爾斯州(New SouthWales)。在 1980 年代的某個時間點,蟾蜍進入了北領地(Northern Territory)。在 2005 年,牠們抵達位於北領地西部,離達爾文(Darwin)不遠處的中點區(MiddlePoint)。

這一路上發生了有趣的事情。在蟾蜍攻城掠地的前期,牠們的入侵速度大概是每年 9.6 公里。幾十年後變成每年約 19.2 公里。當牠們抵達中點區時,已經加速到每年 48 公里。研究人員在測量最前線的蟾蜍大小時,他們找到了原因。最前線的這些蟾蜍的腿與昆士蘭的蟾蜍相比明顯長了許多,而且這項特質是會遺傳的。《北領地新聞》(Northern Territory News)將這則消息放在頭版,標題是〈超級蟾蜍〉。文章的配圖是一張穿著披風的甘蔗蟾蜍合成圖。「這些入侵北領地的可惡甘蔗蟾蜍仍在持續演化中。」報導大嘆。此現象跟達爾文的說法不同,演化的過程似乎「能」讓人類觀察得到。

澳洲一開始其實沒有蟾蜍!

甘蔗蟾蜍不僅體積大得惱人;從人類的角度來看,外觀還很醜:突出的頭骨,外加那一臉鄙夷的神情。但這種動物真正「討人厭」之處,其實是其身體的毒性。若成年蟾蜍被咬到或感覺受威脅,就會釋放出一種乳白色黏液,裡面有足以導致心臟停止的化合物。甘蔗蟾蜍的毒性時常讓狗遭殃,症狀從口吐白沫到心跳停止都有。笨到去吃甘蔗蟾蜍的人,通常最後都死了。

海蟾蜍(學名:Bufo marinus),又名美洲巨蟾蜍、甘蔗蟾蜍。圖/維基百科

澳洲原先沒有有毒的蟾蜍;事實上,這裡最初根本沒有蟾蜍。所以當地的動物都尚未演化到懂得提防牠們。甘蔗蟾蜍的案例有點像美國鯉魚案例的翻版,但角度又有些不同。鯉魚在美國之所以造成麻煩,是因為沒有生物要吃牠們;但甘蔗蟾蜍成為澳洲的威脅,是因為所有生物都想吃牠們。

因捕食甘蔗蟾蜍而導致數量銳減的物種清單長度相當長,並且包羅萬象。其中包含澳洲人稱為「freshies」的澳洲淡水鱷(freshwater crocodile);身長可達 1.5 公尺長的斑巨蜥(yellow- spottedmonitor lizard);其實就是一種小蜥蜴的北部藍舌蜥蜴(blue-tongued lizards);看起來像小型恐龍的橫紋長鬣蜥(water dragon);在英文中蛇如其名、帶有毒性的南棘蛇(common death adder);以及也有毒性的巨棕蛇(king brown snake)。目前,這份受害者名單裡的冠軍,是長相可愛的有袋目動物:北部袋鼬(northern quoll)。北部袋鼬體長約三十公分,有尖尖的臉和長了斑點的棕色皮毛。當袋鼬寶寶離開母親的育兒袋之後,母親會揹著小袋鼬四處走。

為了要減緩甘蔗蟾蜍的侵略速度,澳洲想出各種巧妙與笨拙程度不一的對策。

蟾蜍終結者(Toadinator)是一種搭載行動式喇叭的陷阱,能播放甘蔗蟾蜍的鳴叫聲(有人覺得聽起來像電話撥號聲,有人則認為像馬達的嗡嗡聲。)昆士蘭大學的研究人員研發出一種誘餌,能夠引誘甘蔗蟾蜍的蝌蚪並消滅牠們。還有人會用空氣步槍去射蟾蜍、用錘子重擊、用高爾夫球桿暴打、故意開車輾壓、把牠們黏在冷凍庫直到結凍、對牠們噴一款名為「止跳(HopStop)」的化合物(這項產品保證「能在幾秒內讓蟾蜍癱瘓」,並在一小時內送牠們上西天)。

各地社區也會招募「蟾蜍剋星」義勇軍。有個名為「金百利蟾蜍剋星(the Kimberley Toad Busters)」的團體建議,澳洲政府應該為捕獵蟾蜍提供獎金。該團體的訴求精神是:「如果人人都是蟾蜍剋星,那蟾蜍會被剋到死!」

一位澳洲小女孩與她的寵物甘蔗蟾蜍「冰雪皇后(Dairy Queen)」。
※出處:Photo: Arthur Mostead Photography, AMPhotography.com.
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讓甘蔗蟾蜍失去毒性與對澳洲的威脅

當甘蔗蟾蜍開始引起提薩的興趣時,他其實沒親眼看過這種動物。吉朗位於維多利亞州南部,蟾蜍尚未進犯。但在某一天的會議上,他隔壁坐著研究兩棲類的分子生物學家。她對他說,雖然大家不斷努力打擊蟾蜍,但牠們仍在持續擴散。

「她說,這實在很惱人,若能有什麼新的解決方法就好了,」提薩回憶道,「然後,我坐下來抓了抓頭。」

「我心想:毒素是透過代謝產出的,」他又說道,「也就是酵素,而酵素的產生必然有相關的基因編碼。嗯,我們有能毀掉基因的工具,或許也能毀掉生成毒素的基因。」

提薩找了博士後研究員凱特琳.庫柏(Caitlin Cooper)來幫忙處理這個技術。庫柏有頭及肩的棕長髮,笑聲很有感染力。(她也不是本地人,而是來自麻薩諸塞州。)過去沒有人對甘蔗蟾蜍做過基因改造,所以庫柏需要自己找出方法。她發現,蟾蜍的卵不僅要先洗過,還得用非常細的移液器快速刺穿,否則卵就會開始分裂。「我花了一點時間精進顯微注射技術。」她跟我說。

庫柏先著手改變甘蔗蟾蜍的體色,她把這件事當成某種暖身活動。某個關鍵的色素基因裡含有能讓蟾蜍(人類也一樣)製造酪胺酸酶(tyrosinase)的編碼,而酪胺酸酶能控制黑色素的生成。庫柏推測,若是讓這個色素基因失去作用,就能產出淡色而非深色的蟾蜍。她在培養皿中混合了一些精子與卵子,並在生成的胚胎中,以顯微注射技術注入數種 CRISPR 的相關混合物,並靜待結果。最先出現了三隻有奇怪斑點的蝌蚪——其中一隻死掉了,而另外兩隻(都是雄性)順利長成小蟾蜍。牠們被取名為小花與金金。「結果出爐時,我簡直欣喜若狂。」提薩跟我說。

庫柏接著把焦點轉向「破壞」蟾蜍的毒性。甘蔗蟾蜍將毒素存在肩膀上的腺體中。

若光憑毒素本身,那只會讓人作嘔。但蟾蜍遭到攻擊的時候,會產生一種蟾蜍毒鹼水解酶(bufotoxin hydrolase),能將毒素的毒性提升一百倍。透過 CRISPR 的技術,庫柏編輯出第二批胚胎的基因,她刪掉了帶有蟾蜍毒鹼水解酶編碼的基因,結果一批沒有毒性的小蟾蜍就誕生了。

——本文摘自《 在大滅絕來臨前:人類能否逆轉自然浩劫?》,2022 年 1 月,臉譜出版
臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?
科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

科技大觀園_96
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蝴蝶翅膀的夢幻色澤,藏著奈米科技
李鍾旻_96
・2021/07/27 ・2930字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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在昆蟲中,色彩鮮豔又顯眼的物種往往使人著迷,尤其蝴蝶向來是相當受人喜愛的一群昆蟲。一般人見到蝴蝶時,目光肯定會集中在牠們那五彩繽紛的翅膀。

蝴蝶的翅膀表面布滿著無數的鱗片,每一個鱗片的長度大約介於 50 ~ 200 微米之間(1 微米 = 0.001 公釐)。不同種類的蝴蝶,鱗片的形態也會有所差異,但共通點都是非常容易脫落。

包含蝴蝶的鱗片在內,昆蟲身上呈現出來的許多色彩,是由天然色素所構成,這稱作「色素色」(化學色)。但也有部分顏色屬於「構造色」(或稱物理色、結構色),與體表結構的物理性質有關。

結構賦予的幻紫湛藍

構造色通常由週期性排列的微觀結構,如小突起、溝紋等所造就,這些結構使光線產生反射、干涉、繞射等光學效應,而讓特定波長的光被保留了下來。

構造色並常伴隨著「炫彩」特性,也就是色彩光澤會隨著人眼觀看角度的不同而出現些微變化,讓一隻昆蟲顯得璀璨閃耀。有些蝴蝶在展翅時,會呈現出類似金屬、珍珠般的光亮質感,這類特徵往往便是源自構造色。(註:炫彩(iridescent),也常被譯作「虹彩」、「虹光」)

中南美洲叢林中的「閃蝶」Morpho,又稱摩爾福蝶)是構造色相當有名的例子。閃蝶的藍色翅膀鮮豔奪目,質感宛如珠寶,因此身價不凡,是眾多標本收藏家愛不釋手的珍品。

英國自然史博物館收藏的黑框藍閃蝶(Morpho helenor peleides)標本。圖/作者提供

閃蝶翅膀呈現金屬藍色,然而翅表面的鱗片並沒有藍色色素,這樣的炫目的色澤歸功於鱗片上奈米尺度的多層次塔狀結構。當陽光映照在鱗片時,部分光線可能會直接被反射,有些光線則穿過部分結構,接著被底下層次的結構反射,而許多被反射的光線,彼此還可能發生交互作用。最終,鱗片的這些微結構反射了大部分藍色光芒,使得翅表面呈現明亮耀眼的金屬質感。

File:Morpho sulkowskyi wings.jpg
閃蝶鱗片上的細微塔狀結構,其表面又有層層的溝紋與脊起,這是讓光線產生變化的主要因素。圖/Wikipedia

鱗片已經非常的小,當然鱗片上的結構是我們人類肉眼所看不到的,所以科學家在探究這些構造時,必須透過電子顯微鏡才得以一窺究竟。

拿現實生活中的物品來比喻,可以說閃蝶體表閃耀的色澤,性質有些類似 CD 光碟片的表面。光碟片在光線下會顯現七彩的光澤,而這些光澤是光碟表面細小微妙的溝槽造成的繞射效果。

不同角度下的大藍閃蝶(Morpho didius)標本,可見其金屬光澤會隨光照的來源有所變化。圖/作者提供

在台灣的我們,除了博物館裡才有機會目睹的閃蝶,有沒有什麼活生生的例子可以讓我們一窺構造色呢?常見的「紫斑蝶」Euploea),就是很好的觀察對象。牠們不只是數量多,同時又是蝴蝶中動作較為緩慢的種類,因此要近距離接觸牠們並不難。

紫斑蝶前翅背面雖然呈黯淡的褐色,但當牠們展翅時,這些鱗片在陽光下會散發出藍色至藍紫色的絢麗色彩,並且顏色深淺隨著角度的變化非常明顯。這同樣是由於光線照射在鱗片表面的物理結構,反射了特定波長光線的緣故。

圓翅紫斑蝶(Euploea eunice hobsoni)一身深褐色的鱗片平時看似不起眼,但翅背面在陽光下會轉變為鮮豔的藍紫色。圖/作者提供

其實不只是成蟲,構造色也可見於紫斑蝶的蛹。紫斑蝶的蛹呈亮麗金黃色或銀色,炫彩極為明顯,這是由於表皮底下層層排列的薄膜狀結構,對光線產生了影響。

當然,構造色的形式還存在許多昆蟲身上,常見的幻蛺蝶Hypolimnas bolina kezia)、蘭嶼的珠光裳鳳蝶Troides magellanus)都是構造色相當鮮明的例子。一些金屬質感的吉丁蟲、金龜子、灰蝶,其華麗的外觀往往也與構造色脫不了關係。

圓翅紫斑蝶的翅在某些角度下光澤不明顯。圖/作者提供

這一身醒目的光澤,對昆蟲而言可能帶有警告的意味,因為許多鮮豔明亮的昆蟲有毒,或嚐起來具有特殊臭味。日光下閃爍的炫彩也可能具有隱蔽的效果,或者與同種個體間的辨識溝通有關。

圓翅紫斑蝶的蛹,外觀質感如同金屬。圖/作者提供

似白非白的鱗片

我們可能常常直覺的把構造色與光亮的炫彩畫上等號,事實上在大自然裡,生物的構造色不見得都是如此。

我們在平地或山區都有機會見到,分布範圍相當廣的白粉蝶Pieris rapae),身上其實也具有大片的構造色,但我們在牠身上看不到光輝的炫彩現象。

白粉蝶的翅膀,有局部的鱗片具有黑色色素而形成深色斑塊,其他區域則主要呈白色,或略帶有一點淡黃。以往,白粉蝶身上單純的色彩多被認為是色素色,可是那些佔大多數的白色鱗片,實際上並不含白色的色素

白粉蝶的翅膀上有著非炫彩性的構造色。圖/作者提供

在白粉蝶的鱗片表面,具有許多枝狀的構造,其表面又附著了許多如珠子般的微小顆粒,顆粒本身也沒有色素成分。其實是這些顆粒反射了特定光線,導致翅膀呈白色的構造色。

不管是構造色的成因,以及所造就的色彩樣貌,當中複雜且多樣的機制,往往遠超出人類所想像。許多的昆蟲的表皮,構造色與色素色這兩類色源,並時常同時存在,兩者交織構成體表展現的色彩

用「光」代替顏料上色

物理結構形成的色彩,理論上能夠長期存在,能夠避免褪色的問題,人類也從中得到了不少科技靈感,試圖在工業產品上重現這般的顏色。

日本的纖維公司便參考了閃蝶翅膀的原理,研發出不使用化學染料,而是運用物理特性顯現色彩,名為「藍默纖維」(Morphotex)的環保材質。這樣的材質有什麼優點呢?構造色呈色的纖維不需要經過傳統的化學染色製程,能減少產生的廢料,亦減低了水資源與能源的消耗。

陽光下的異紋紫斑蝶(Euploea mulciber barsine),藍紫色光澤明顯。圖/作者提供

如果掌握了不會褪色的顏色技術,還有機會應用在太陽能板塗料、印刷、化妝品、鈔票防偽等方面,幫助解決許多技術問題。

昆蟲及各式動物與生俱來的外貌,有時比人類費力研發出的技術都要精巧得多,甚至可能悄悄改變人類的生活。人類應該善待並維護自然資源,這顯然是很重要的一項理由。

參考資料

  1. What Gives the Morpho Butterfly Its Magnificent Blue?
  2. Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R., and Wootton, R. J. (1999). Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proceedings: Biological Sciences, The Royal Society of London 266, 1403–1411.
  3. Ragaei, M., H.S. Al-Kazafy, N.A.E. Farag, H.H. Elbehery, and A. Abd-El Rahman. (2017). Role of photonic crystals in cabbage white butterfly, Pieris rapae and queen butterfly, Danaus glippus coloration. Biosci. Res. 14: 542-547.
  4. 王仁敏(2017)。蝶翼的絢麗幻色。蝶季刊 2017 卷 2 期:19 – 19。

李鍾旻_96
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目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。