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蝴蝶領結狀金粒讓室溫奈米雷射成真

NanoScience
・2012/11/16 ・886字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

美國研究人員採用有機增益材料及三維「蝴蝶領結」(bowtie)形狀的奈米金粒,設計出一種室溫下可用的新型奈米雷射(nanolaser)。這種電漿子奈米雷射能輕易整合至現存的矽基光電元件、全光學電路以及奈米級生物感測器中。

對許多科技應用而言,縮小光電與電子元件的尺寸是件相當重要的事,從超快資料處理到超高密度儲存皆然,而雷射的微型化也不例外。奈米級同調光源不僅對於探索微觀物理現象相當關鍵,對於打造可克服繞射極限(diffraction limit)的光學元件亦頗為重要。

最近由西北(Northwestern)大學的Teri Odom等人製造的單一雷射元件僅有病毒般大小,而且是第一個能在室溫環境下操作的此類裝置。研究人員利用兩顆耦合的金屬奈米微粒作為共振腔,成功打造他們的奈米雷射。這些金屬奈米結構(此實驗採用金)外觀呈三維蝴領蝶結狀,並可提供表面電漿子(電子的集合振盪行為)。就光的侷限而論,表面電漿子並無大小限制。整個奈米雷射裝置包含一層增益介質,由塗有染料的聚氨酯所構成,用來支撐蝴蝶結狀奈米金粒陣列,並有電介質層包覆其上。

Odom解釋,相較於先前的研究,此蝴蝶結構對稱性在製作電漿子雷射上有兩個重大優勢。第一,由於奈米天線(nanoantenna)效應,該結構在奈米空間中提供了定義良好的電磁熱點(hot spot)。第二,因為光會侷限在寬僅數十奈米的蝴蝶結缺口中,所以只有少量光線損失。令人驚訝的是,研究人員發現此三維蝴蝶結共振器陣列所發出的光線會朝向特定角度。光束指向性是雷射的重要特徵,然而目前大多數的電漿子雷射在這方面的表現仍有待加強。更棒的是,調整陣列的週期性可改變雷射光束的角度。

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奈米天線類似大家所熟悉的無線電天線,前者將電磁波頻譜中的可見光部分耦合至數十奈米寬的共振腔中,而後者則針對無線電波。Odom表示,他們的研究可望引起奈米科技社群的興趣,尤其是領域在奈米天線、電漿子學以及量子資訊處理的科學家,對光電和雷射產業應同樣具有吸引力。詳見Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl303086r。

資料來源:Nanolasers go bowtie-shaped. NanoTechWeb [Oct 11, 2012]

譯者:莫偉呈(茂迪太陽能)
責任編輯:劉家銘

轉載自 奈米科學網

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NanoScience
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DNA-PAINT:轉瞬標記 奈米解析
顯微觀點_96
・2024/10/03 ・3586字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

DNA-PAINT:易脫落的奈米「漆」

DNA-PAINT 屬於單分子定位顯微術(SMLM)大家族一員,它突破繞射極限的途徑類似 PALM 與 STORM:以閃爍(blinking)的螢光讓多個目標分子的位置輪番呈現,最後將多次定位影像以電腦疊合重建成完整的超解析分子地圖。結合電腦運算輔助和光學成像的統計原理,DNA-PAINT 可以達成極端細緻的 RESI 定位術,清楚區別兩個距離不到 1 奈米的螢光來源。

單看字面,DNA-PAINT 給人「以 DNA 作為油漆」的印象。事實稍有不同,這種技術以 DNA 作為「點累積奈米成像術」(PAINT , Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography)的探針。接上螢光染劑的短小 DNA 片段,可以靈敏標記蛋白質、染色體以及許多細胞內構造。

DNA-PAINT 的特別之處,在於利用「不牢固」的螢光標記製造閃爍效果。不同於 PALM, STORM 以光調控「固著在目標上」的螢光來源,DNA-PAINT 使用與目標連結力量薄弱的螢光探針,結合目標之後會快速分離。只有在探針與目標結合的瞬間,同時被激發光照射,探針上的螢光團才能發出螢光。目標分子與螢光探針分離後,依然保有和下一個探針結合的能力,因此不必擔心螢光團的放光能力衰退。

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Dna Barcoded Labeling Probes For Highly Multiplexed Exchange Paint Imaging
DNA-PAINT 原理:Docking strand(嵌合序列)附著在人造 DNA 構造上,溶液中漂浮著成像序列(Imager strand),成像序列上的螢光團不容易被激發(膚色)。成像序列與嵌合序列結合時,螢光團才會被激發(橘紅色) 圖片來源:Agasti, Sarit S., et al. Chemical science 8.4 (2017): 3080-3091.

DNA-PAINT 使用的 DNA 探針片段長度不超過 10 個鹼基,又稱寡核苷酸(oligonucleotides 或oligomers)。這些短小 DNA 片段可以附加上螢光染劑的螢光團分子,成為螢光探針。

DNA 探針的結合對象是另一段互補的 DNA 片段,此互補序列會預先透過抗體與定位目標連結,等待 DNA 探針前來結合。DNA 探針因為具有螢光團,被稱為「成像片段(imager strand)」,而牢固於目標的互補序列則稱為「嵌合片段(docking strand)」。對生物細胞進行 DNA-PAINT 時,嵌合片段與目標分子之間常有抗體或配體做為銜接,需要類似免疫螢光染色的前置作業,目標表面的抗原也可以因應實驗需求進行設計。

因為兩個短小 DNA 片段之間的結合力有限,成像片段與嵌合片段結合後會快速分離。而螢光團只有在結合目標時才容易放光,因此可以形成閃爍的螢光定位標記。經由電腦疊合閃爍的定位影像,DNA-PAINT 可以達成 10 奈米左右的超解析定位,若沒有序列成像的幫助,依然無法突破奈米以下解析度的光學障礙。

Direct Visualization Of Single Nuclear Pore Complex Proteins Using Genetically‐encoded Probes For Dna‐paint
以 DNA-PAINT 對細胞核膜上的 Nup96 核孔蛋白進行 3D 定位。在圖 a. 中,不同的螢光色彩象徵不同的空間深度。圖 b. 箭頭所指處,則是成對出現的 Nup96 蛋白。比例尺:圖 a. 2000nm, 圖 b. 50 nm. 圖片來源:Schlichthaerle, Thomas, et al. Angewandte Chemie 131.37 (2019): 13138-13142.

核孔複合體(Nuclear Pore Complex)上的 Nup96 蛋白是科學家經常探索的重要目標,即使是超解析顯微術也未能在自然狀態下呈現其構造。隆曼團隊以 RESI 對 Nup96 進行定位,不但清楚定位出符合電子顯微鏡拍攝的 8 對 Nup96 蛋白沿著核孔形成環狀結構,還能清楚呈現每對蛋白之間的 11 奈米的間距。

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結合序列成像(Sequential Imaging)與 DNA-PAINT 兩種技術,RESI 讓科學家得以運用一般門檻的顯微儀器、耗材,就能達到超乎以往想像的定位解析度。而 DNA-PAINT 這種巧妙的定位方法並非一蹴而就,而是數種有趣的技術累積而成。

PAINT 起源:不穩定又不專一的尼羅紅

PAINT(Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography, 點累積奈米成像術)系列定位法的螢光探針由一個螢光染劑分子與一個分子探針(probe)構成。親和性抗體、寡核苷酸(短小 DNA 片段)都可作為分子探針的材料,再由此探針結合目標分子或其上的抗體。除了 DNA-PAINT, PAINT 家譜上還有 FRET-PAINT, Exchange-PAINT, u-PAINT 等不同特質的成員。

在 2006 年由沙羅諾夫(A. Sharonov)和霍克崔瑟(R. M. Hochstraser)發表的第一代 PAINT 中,僅僅使用螢光染料尼羅紅(Nile Red)為標記。這種染劑在含水溶劑中無法發光,必須進入磷脂層等非極性環境才能展現其螢光活性。

因此尼羅紅無須結合探針,只要以低濃度加入樣本溶液中,就能觀察到其進入細胞膜脂雙層、大型磷脂囊泡(large unilamella vesicles)表層等疏水性環境中,受到激發放出螢光。尼羅紅與磷脂層的親和性不強,很快就會再次脫離,也容易遭到光漂白(photobleaching)而失去螢光,因此可作為一種閃爍的螢光定位標記。

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尼羅紅可以結合所有疏水性(hydrophobic)的構造,無法真的標記特定分子,缺乏分子生物學重視的專一性。但它開啟了 PAINT 以「不牢固螢光染劑」增進解析度的先河。與多數螢光顯微術追求螢光團穩定性與強度的定位技巧背道而馳。

Image 2
圖 a. 以尼羅紅標記磷脂層的直接成像;圖 b. 以 PAINT 技術進行上千次成像重建後的磷脂層定位。兩者定位解析度形成強烈對比。圖 c. 為 uPAINT 概念:接受激發光(綠色)照耀的螢光探針才會發光(紅色),漂浮在激發光範圍外的螢光探針保持黯淡(粉紅),即使未結合目標的探針也能發光,且僅能標記細胞膜表面的目標。圖片來源:Nieves, Daniel J., et al. Genes 9.12 (2018): 621.

4 年後,吉安諾內(G. Giannone)和荷西(E. Hosy)以具目標專一性的配體,例如抗體蛋白,連接螢光團形成螢光探針,達成具有專一性的 PAINT 超解析定位。透過進步的生化技術製作配體,這種技術幾乎可以定位所有類型的目標,因此被命名 universal-PAINT, 簡稱 uPAINT。

uPAINT 可以提升多種目標的定位解析度,但其螢光探針即使游離在溶液中,也能接受激發、放出螢光,形成背景雜訊。且結合螢光染劑的抗體無法穿透細胞膜,因此只能定位細胞膜上的目標。

因此 uPAINT 必須限縮激發光照射的範圍,對準目標、減少雜訊,例如微調全內反射顯微鏡(TIRF)的角度,形成「高傾斜層光照明」(Highly Inclined and Laminated Optical sheet, HILO)以限定激發範圍。

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同在 2010 年,隆曼與史坦豪爾(C. Steinhauer)嘗試以寡核苷酸為探針,定位 DNA 摺紙構造(DNA origami structure)上的目標,達到了奈米等級的解析度。DNA-based Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography 正式誕生,善用「不牢固的螢光探針」與電腦運算的輔助,以一般螢光顯微鏡就能突破繞射極限。

無限調色的虛擬油漆:Exchange-PAINT

2014 年,隆曼與同事阿凡達尼歐(M. S. Avendaño)、沃爾斯坦(J. B. Woehrstein)發表 DNA-PAINT 的巧妙變化,除了同時以不同探針標記不同構造,達成精準的多重定位(multiplexed localization),更實現以一種螢光超解析定位多種目標,讓多重標記的潛力加速實現。

這種多重標記被隆曼與同事稱為 Exchange-PAINT,同樣使用 DNA 片段作為探針。在同一個樣本的 10 種不同目標上,連結了 10 種不同的嵌合片段(docking strands),隆曼等人再以 10 種互不干涉的短小 DNA 序列(orthogonal sequences)作為成像片段(imager strands)。

他們每次只加入一種成像片段,針對一種目標進行閃爍(blinking)定位,並由電腦套上特定顏色,接著洗去既有成像片段,再加入下一種成像片段。最後將所有目標的獨立定位圖疊合起來,便能得到完整的奈米級定位。

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Multiplexed 3d Cellular Super Resolution Imaging With Dna Paint And Exchange Paint 2
圖 a.為 Exchange-PAINT 概念,每一輪定位針對一種目標,完成後洗去探針,再加入下一種探針進行定位,最後將每一輪的定位影像疊合起來。圖 c., 圖 d. 表現 Exchange-PAINT 的多工能力, 1 個 DNA 摺紙樣本上的 10 種不同目標可以依序定位,賦予顏色(實際上使用相同螢光染劑,不同成像片段),再以電腦重建疊合。每一種目標的定位都進行了 7500 次拍攝。圖 d., 圖 e. 中的比例尺為 25nm. 圖片來源:Jungmann, Ralf, et al.  Nature methods 11.3 (2014): 313-318.

只需要一種螢光染劑接上多種成像片段,Exchange-PAINT 便能以基本的實驗設備達到多重目標的超解析定位,不像多重標記的 DNA-PAINT 受限於染劑顏色數目,Exchange-PAINT 的門檻在於互不相干寡核甘酸片段的數目,在實驗中幾乎不可能窮盡。而可以使用一般螢光顯微鏡與螢光染劑達到埃(ångström)解析度的 RESI 技術,就是將 Exchange-PAINT 的多種目標定位應用於單種目標定位,透過不同探針標記同種目標製造發光順序落差,大幅提升解析度。

在「眼見為真」的生物學影像趨勢中,「增加偵測光子數量」是螢光顯微技術提升解析度的基礎光學原理,也是最主流的技術改良方向。而 DNA-PAINT 系列技術跳脫了對光子數量的追求,不受螢光染劑的光漂白及螢光壽命限制,以快速脫落的探針另闢蹊徑,使低成本的超解析影像得以實現,更展現生物物理學蘊藏的廣泛技術可能性。

參考資料:

  • DNA-PAINT 的最新應用:RESI序列成像解析度增強術
  • Jungmann, Ralf, et al.  Nature methods 11.3 (2014): 313-318.
  • Agasti, Sarit S., et al.  Chemical science 8.4 (2017): 3080-3091.
  • Nieves, Daniel J., Katharina Gaus, and Matthew AB Baker. Genes 9.12 (2018): 621.
  • Schlichthaerle, Thomas, et al.  Angewandte Chemie 131.37 (2019): 13138-13142.
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RESI : 基礎儀器定位奈米世界
顯微觀點_96
・2024/09/14 ・3117字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文轉載自顯微觀點

Abstract Of Digital DNA Construction.
圖/顯微觀點

電腦運算是近 20 年來生物影像突破繞射極限的可靠工具,例如 STORM(Stochastic Optical Reconstruction Microscopy), PALM(Photo-Activated Localization Microscopy),以電腦記憶、疊合,將多次拍攝的零散螢光重建成完整輿圖,解析度極限可接近 10 奈米。

現在,透過電腦輔助的序列成像解析度增強術(RESI, Resolution Enhancement by Sequential Imaging),科學家能將細胞內分子的定位解析度大幅提升到埃(Ångström, Å.等於1/10奈米)的尺度,清晰定位緊鄰的分子、觀察它們在細胞內的變化。

RESI 定位可呈現 DNA 相鄰鹼基間距,超越超解析顯微鏡,達到與電子顯微鏡同等的解析度,而且只需基本的細胞固定,近乎完全保持樣本原貌。

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在德國馬克斯.普朗克生化研究所率領團隊研發 RESI 的榮曼(Ralf Jungmann)認為,RESI 能填補介於光學顯微術與結構生物學之間的資訊空白,揭露更多複雜生命系統的真相,為分子生物學與藥物動力學開闢道路。

「發光順序」成為解析度新要素

使 RESI 成為「超級超解析」定位術(super-super resolution)的核心概念,是以不同 DNA 螢光探針對目標進行多次標記定位,定位過程由電腦為目標編上號碼(DNA-barcoding),使「發光順序」成為分辨目標的新維度,並以「定位次數」來大幅提升解析度、為量化分析提供充沛樣本。

Cd20
CD20 的分布在 RESI 定位下一覽無遺,透過 RESI 定位可發現,標靶藥物 RTX 使癌細胞表面的 CD20 聚集成鍊狀。圖片來源:Reinhardt et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).

例如,淋巴癌與自體免疫疾病的關鍵標靶:B 細胞表面 CD20 蛋白﹐雖然早已發現是重要的癌細胞特徵,也確認有效藥物,但其結構與分子動力學依然曖昧不明,學界對它的了解還不足以研發進一步療法。

儘管 CD20 蛋白的結構已被電子顯微鏡呈現,但電子顯微鏡的拍攝條件會破壞細胞膜結構,導致 CD20 變形、偏移。現在透過 RESI 進行定位,CD20 的構造、藥物效果,都可以在接近生理狀態下一探究竟。

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在 RES I分析下,榮曼等學者發現 CD20 總是成對出現(as dimers),並且在關鍵藥物 RTX(一種抗 B 細胞的單株抗體)加入後,會在細胞膜上聚集成緊密的長鏈。這些資訊是過往電子顯微鏡與超解析光學顯微鏡都未曾展現的。

序列成像:以次序換取空間

各種超解析單分子定位術的共同難題,是兩個目標分子過於接近,連電腦運算也無法辨別。假使兩個距離 1 至 2 奈米的相同分子輪流被激發,PALM, STORM 等仰賴隨機放光的超解析定位術即使分別收到兩個光源的螢光訊號,重建時也容易將緊密的兩者混為一點。

榮曼也強調,當兩個螢光團的距離小於 10 奈米,近場光學效應會大幅影響光調控螢光染色分子(photoswitchable fluorescent dyes)的表現。分辨兩個距離數奈米甚至數埃(Å)的分子,是單分子定位技術的最後關卡。

面對諾貝爾級超解析技術也無法克服的障礙,RESI 巧妙地以「標記」技術避開了光學難關。RESI 採用進化版本的 DNA-PAINT,螢光探針與目標結合轉瞬即脫落,並能使相鄰的目標結合不同探針,避免兩者同時發光,兩個緊密的分子幾乎不會干擾彼此成像。

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奠基於隨機放光的單分子定位術(SMLM),序列成像(Sequential Imaging)用不同顏色、不同激發光譜的 DNA 螢光探針,標記鄰近的兩個目標,使兩者輪流發光。如此一來,發光順序便成為辨別螢光標記的新方法:兩個目標距離僅 1 奈米左右,但因為發光順序、螢光顏色不同,在重建過程中能夠被電腦清楚區分。

在真實的細胞中,若想以不同嵌合片段(docking strands)標記鄰近的相同蛋白(例如Nup96 dimer, CD20 dimer),則多少需要仰賴運氣。目前的 RESI 使用隨機標記(stochastically labelling),而非直接指定標記種類與位置。

Image 1
以 RESI 定位核孔複合體的 Nup96 蛋白(圖d.),可以達到電子顯微鏡的解析度(圖 b.)。本實驗對同一個核孔進行 4 輪標記定位(圖d.),每次得到的定位資訊將重建疊合成最終定位圖。圖片來源:Reinhardt et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).

定位 Nup96 的實驗就是一個例子,榮曼團隊的4種嵌合片段中,需要有 2 種分別標記相鄰的 Nup96 蛋白,才能夠使兩個相鄰蛋白分別依序發光。榮曼強調,得到理想標記的機率,會隨著嵌合片段的種類提升。在榮曼團隊的定位實驗中,RESI 對 Nup96 的定位達到和掃描式電子顯微鏡同等精密的解析度。

榮曼認為:「理論上,透過發光順序的差異,RESI 技術可以分辨無限接近的兩點。」

定位次數帶來解析度新境界

基於光波繞射的性質,點光源的光線不會透過顯微鏡聚焦為理想的一點,而是呈現一個立體球狀照射範圍。這個讓科學家困擾一個半世紀的照射範圍,就是此光學系統的點擴散函數(PSF, Point Spread Function)。

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在顯微鏡焦平面上,PSF 會形成一個中心最亮、四周漸黯的圓形光斑(艾里斑,Airy Disk),若兩個光點的光斑大幅重疊,就會難以辨別。這也就是遠場光學顯微鏡的最大天然障礙:阿貝繞射極限的由來。

包含 PALM, STORM 等超解析技術的單分子定位顯微術(SMLM, Single-Molecule Localization Microscopy)也必須考慮 PSF。它們定位解析度(也稱定位精準度,σSMLM),接近點擴散函數的標準差(σDiff)除以每次定位偵測光子數(N)的平方根:

 σSMLM  σDiff / N1/2

解析度數值愈小,代表辨別極限的距離愈近,定位結果愈清晰。超解析定位技術不斷追求的,就是縮小 σSMLM。

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在點擴散函數標準差(σDiff)隨儀器性能固定的情況下,每次定位偵測的光子數 N 就是定位解析度的主要變數。多數單分子定位技術,都需要設法提升偵測光子數以看得更清晰。

與其他單分子定位術不同的是,RESI 採用的 DNA-PAINT 探針對目標分子反覆結合、脫落,不斷有新的螢光探針前仆後繼,迅速與目標短暫結合,可以對每個目標累積多次定位。

Image
DNA-PAINT 技術可達到小於繞射極限的解析度,但 10 奈米內的構造依然難以辨識。加上 RESI 以定位順序進行輔助,可以將解析度提升近百倍,達到 10 埃的尺度。圖片出處:S. C. M. Reinhardt et al., Nature 617, 711 (2023)

因此目標的「定位次數」(K)進入解析度數值核心。每個目標定位的解析度由單次定位的點擴散函數標準差(σSMLM),轉變為多次放光定位的平均值標準誤差(SEM, Standard Error of the Mean),其大小和定位次數(k)的平方根成反比。

SEM σSMLM / k1/2 ≈  Diff / N1/2) / k1/2

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此時只要提升定位次數(k),就可以得到更精密的定位(σRESI),毋須追求更強或更漫長的螢光來增加每次偵測的光子數(N)。再搭配以定位順序區分鄰近分子,RESI 就能得到近乎無限小的解析度。這種靈活的反覆定位模式,有賴 DNA-PAINT 技術奇特的「不牢固」結合(transient binding)搭配榮曼團隊研發的開源影像處理軟體Picasso 合力實現。

(DNA-PAINT 技術介紹請見:DNA-PAINT:短暫標記 奈米解析

參考資料

  • Reinhardt, S.C.M., Masullo, L.A., Baudrexel, I. et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023).
  • Max-Planck-Gesellshft. Ångström-resolution fluorescence microscopy. (2023)
  • Agasti SS, Wang Y, et al. DNA-barcoded labeling probes for highly multiplexed Exchange-PAINT imaging. Chem Sci. 2017 Apr 1;8(4):3080-3091.
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科學不只是數據,還能看到想要的東西──專訪高甫仁教授
顯微觀點_96
・2024/08/29 ・2167字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自顯微觀點

2018 年,陽明大學生醫光電研究所教授高甫仁在台北的「未來科技展」上,展示出一種直徑遠小於市面產品的內視鏡,只有不到 0.5 公厘。「內視鏡就像是帶著車頭燈的攝影機。」高甫仁說。這種小型攝影機像是條細長的電線,能夠透過微創手術深入人體內部,檢查呼吸道、腸胃系統或各種器官,藉由鏡頭前端的光源看見病灶影像。

圖/顯微觀點

「可是你會發現,光源沒有辦法做得更小。」內視鏡受限於發光二極體(LED)的體積,似乎難以再改良。然而,高甫仁利用比頭髮更細的光纖導入雷射,取代 LED 作為光源,大大減少內視鏡體積。如此一來,就能進一步縮小手術傷口,加快恢復時間。而且只需要一至兩根光纖,亮度就會超過好幾顆 LED。

雷射是一種能量集中的光束,再加上亮度高的特性,常被應用在光學儀器上。事實上,這已經不是第一次高甫仁利用雷射作為光學儀器的光源。鑽研雷射超過 20 年的他,深知這項技術所具備的潛力。

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超快雷射結合顯微技術

其中一項重要的應用領域便是超快雷射,這種雷射的持續時間極短,甚至可達到飛秒(10-15秒)的程度,能夠形成瞬間能量極強的光,「超快雷射能夠達到的能量密度,可能是一般雷射的百萬倍以上。」高甫仁解釋。

1990 年代,超快雷射技術崛起,開始應用在各種科學場域上。當時高甫仁正在美國康乃爾大學攻讀博士班,主要研究的領域是固態物理,例如探討原子或分子間的交互作用,讓他也有機會學習使用與架設超快雷射。

然而固態物理的實驗十分昂貴,常常需要在超低溫、高磁場、超高真空等環境下進行。因此當高甫仁從美國回到台灣從事研究工作時,便面臨到經費不足的困境,「太空實驗、高能物理都不是一個人或一個團隊能夠負擔的,因此我思考,是不是能透過個人創意,在比較簡單的實驗室就能做出特別的東西。」

超快雷射除了應用在固態物理,也逐漸在顯微領域上嶄露頭角。因此高甫仁認為,若超快雷射能夠與光學顯微鏡結合,就有機會做出一番成果。於是在陽明大學的近代光學實驗室裡,高甫仁成功自製出應用超快雷射作為光源的雙光子顯微鏡,「很多以前只是在教科書上看到的非線性光學效應,跟顯微鏡結合後,居然真的實現了;本來看不到的東西,現在直接就看得到。」

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一般使用傳統的螢光顯微鏡時,會採用較高能量、短波長的光子照射樣品,使螢光分子發出低能量、長波長的光子。若使用超快雷射作為光源,就能夠將能量低的光子轉換為高能量的光子,「就像用兩個五塊錢換一個十塊錢,可是兩個五塊錢要在同一時間打到同一個點,普通光源做不到這件事。」雙光子顯微鏡讓研究者可以觀測到深層組織,並降低雜訊干擾。

能量高、亮度高的超快雷射,還可以用來捕捉快速發生的自然現象,就像我們使用單眼相機拍照時,可以調控快門速度來清楚拍攝物體,「機械快門通常可達千分之一秒,電子快門可達萬分之一秒,但如果想要更快的快門,就得從光源下手,例如使用特殊的閃光燈,在百萬分之一秒內凍結影像。」若使用超快雷射,就能抓住兆分之一秒的瞬間。

「我一直對顯微鏡很著迷,做科學不是只有數據,而是能看到很漂亮的圖像、看到想要的東西。」高甫仁真切地說,「如果有一幅影像全世界沒有人拍過,而我是全世界第一個做出來的,就會感到非常振奮。」他說,二十多年前,他第一次看到氮化鎵(gallium nitride)所形成的光電流影像,當下的感覺無可比擬。

科學與藝術

「顯微鏡需要最尖端的科技,呈現的影像又具有藝術性,很少有領域同時具有這樣的特性。」高甫仁認為,顯微鏡所呈現的影像,就像哈伯天文望遠鏡所觀測的宇宙般令人驚豔,即使兩種科技的尺度天差地別,但都是透過光學成像技術映照出前所未見的世界。

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從生物樣品到半導體元件等各種樣本,高甫仁都曾用顯微鏡觀察過,對於光學成像已有自己的一套心得,「所有的光學成像離不開三個原則:挑選與使用光源、如何用光學元件成像,以及如何偵測影像。」

高甫仁也提及,隨著人工智慧(AI)的普及,顯微鏡也已開始採用 AI。現階段顯微攝影已具備快速拍攝大量影像的技術,然而如何分析與處理影像,成為當前各研究人員急欲解決的問題,「AI的運算能力加上深度學習技術,可以分析上千張影像之間的關聯性。」高甫仁認為透過 AI,將能夠補足傳統光學顯微術的不足之處。

此外,高甫仁表示,未來還可能會出現量子光學,掀起另一波的顯微技術革命。「利用量子狀態的相關性,可以讓取像時間大幅縮短。」就像量子電腦可以利用量子位元提升運算速度,解決當前棘手的問題,「利用量子光學,只需要更少的光子,就達到同樣的精準度。」

高甫仁認為,「顯微鏡的目的,就是透過影像連結尖端科學。」影像裡所述說的故事,以及所負載的科學意義,將會持續推動科學家鑽研更新的技術,發現更多前所未見的世界。

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。