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大人的實驗科學:用手機顯微鏡變身書桌科學家

Scimage
・2014/05/11 ・2050字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 463 ・五年級

不同於科學萌芽時期人們對於科學的好奇而自發性的探索,有著紳士科學家或業餘科學家,目前科學研究的進行方式往往被認為是研究人員的事情,而這些科學家們 不是在大學研究機關就是在大公司中的實驗室裡進行科學研究。但是隨著技術的進步,如同電子技術把原本屬於科學研究的大型電腦變成人人手中的電子裝置而引起 一波波的社會網路革新一樣,新的生產資訊技術與數位製造技術也已經可以改變科學儀器的製作生產方式,只要知道原理,人們開始有能力可以在合理的範圍內製造 出每個人都能有擁又方便使用的科學儀器。

而全世界各地也越來越多人開始注意到這樣實驗精神與大眾實驗能力的擴展,會對社會型成新的改革的動力,一些公民科學計畫或是結合大眾來進行研究的計畫也越來越多,人們希望這些努力能進改變局限在學術圈之中的研究,在未來能將科學實驗能力用新的方式影響改變社會。

出於同樣的想法,先前介紹過手機顯微鏡在科學影像scimage與科學maker朋 友的合作下,已經完成產出上千台顯微鏡交給各地的朋友使用,其中也贊助贈送超過20所台灣偏遠學校使用手機顯微鏡,經由合理的基本的設計與添加專業模組的 方式,目前已經把手機顯微境的能力擴展到各種專業的量測,如偏光觀測,螢光觀測,細胞觀測與專業組織切片的觀測等,能在合理的範圍內讓專業顯微鏡的使用不 再不方便與不可及。

而當每個人都機會使用好的儀器隨時變成書桌科學家時,可以用自己的眼睛跟動手進行科學顯微觀察,不再是為了比賽或升學,然後屬於科學的樂趣就自然發生了。人不只是能被動吸收科學知識,而是能經由自己去觀察了解甚至完成合理的科學實驗。

休息了一陣子的科學影像網站其實沒有休息,只是默默的在進行更好的計畫,這篇小記,不再是國外的研究,而是一些在台灣慢慢發生的事情。用這篇記念超過2500的朋友參與加入科學maker與新的屬於台灣自己的顯微科學影像Youtube頻道 ScimagexScimaker的設立,希望簡單記錄一些屬於科學影像跟科學maker的書桌科學家們的一部分小故事~

1. 極限顯微尺度的觀察

之前介紹改良的手機顯微鏡可以看到細胞大小的物體,為了擴展解析度,陸續也完成的數位相機模組與單眼相機模組,可以配合手機顯微鏡使用,使用一般數位相機Casio ZR15 觀察大鼠的子宮切片結果如下,可以清楚看到平滑肌與細胞核。

scale2

而使用單眼模組以Cannon 60D拍攝大鼠神經細胞的結果如下,可以看到清楚的細胞本體與各種突觸的分布。

neuon

手機顯微鏡結合更好的影像感測器,解析度可以到繞射極限,即使進行各種專業的研究也不會有問題。

2. 偏光觀察的使用

手機顯微鏡基本的模組之一為偏光模組,可以進行專業的偏光觀測,包含一對偏光片與旋轉平台。如果使用偏光來觀測透明材料,可利用光彈效應了解其中的應力分布,結果如下~

拍攝者 謝文山 於科學maker
拍攝者 謝文山 於科學maker

可以看到不同的地方有不同的顏色,表示不同區域的分子受到的應力跟應變的程度。又或觀察塑膠膜,可以經由內部分子的排列結構,展現出夢幻的質感。

拍攝者 Suchen Lin 於科學maker
拍攝者 Suchen Lin 於科學maker

3. 螢光的觀察使用

經由自製的螢光照明或是螢光模組,可以觀測到螢光晶體。

拍攝者 陳冠宇 於科學maker
拍攝者 陳冠宇 於科學maker

或是螢光墨水的乾燥情形,可以看到表面力怎麼影響液滴的乾造結構。

flu dye

4. 藝術的觀察與創作

顯微鏡下的物理現象也可以變成美麗的藝術創作,如這幅用顏料乾燥後完成的顯微大海,利用乾燥過程中的凝聚,變成了海水中的波紋。

拍攝者 Suchen Lin 於科學maker
拍攝者 Suchen Lin 於科學maker

或是在偏光下利用紅藍顏料經由散射完成的星空,如同真的星空一樣美麗~這些例子都說明了,一些自然的物理機制怎麼在不同尺度下完成美的呈現。

拍攝者 Suchen Lin 於科學maker
拍攝者 Suchen Lin 於科學maker

5. 繽紛微小生物與植物的觀察

因為有了方便的工具,生活中一點一滴裡所蘊藏的精心結構都可以被觀測到,像是朱槿花上的花粉,能用自然光的方式呈現出自然的顏色與表面的形狀被觀察。

拍攝者 Hsuan Kung 於科學maker
拍攝者 Hsuan Kung 於科學maker

在水中也很有多有趣的事情在發生,如同在跳舞游泳的水蚤們,正再跳著舞。

拍攝者  莊朝喜於科學maker

而這隻開啟雙渦輪操控水流的輪蟲,正在努力濾食更小的生物。

拍攝者 Gable Chuang於科學maker

周圍中,有太多太多精采用手機顯微鏡觀察跟照片沒法放下,也介紹不完,有興趣的朋友歡迎觀賞科學maker社團的影片youtube頻道:Scimage xScimaker,或是加入科學maker社團,一起體會變身書桌科學家的樂趣~

最後也期待著一種新的科學進行方式跟態度能在台灣這片土地生根與茁壯~

 

轉載自科學影像Scimage

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Scimage
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每日介紹科學新知, 科普知識與實際實驗影片-歡迎每一顆好奇的心 @_@!

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品種狗狗的行為,有關遺傳,非關品種
寒波_96
・2022/06/08 ・3228字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

人類培育下,如今狗狗們有眾多「品種(breed)」,它們其實仍然屬於同一個物種,只是體形、外觀等特徵差異明顯。不同狗狗和人一樣有個性差異,屬於同一品種的不同個體,也會有類似的行為、個性嗎?

上述問題需要不少資料與交叉比對的分析,才有機會回答。於 2022 年發表,花費多年搜集材料的論文報告,狗的行為確實與遺傳有關,但是同一品種狗的行為並不一致。例如拉布拉多和拉布拉多不同,邊境牧羊犬和邊境牧羊犬不同,拉布拉多和邊境牧羊犬卻可能相同……[參考資料 1, 2, 3]

飼主各自貢獻資料,以供分析的狗狗們。圖/達爾文方舟(Darwin’s Ark)網站

寵物狗的公民科學

成為馴化動物超過一萬年來,狗狗們千變萬化,過往研究證實很多外貌與型態特徵可以遺傳,例如毛色、體型、藍眼睛。但是對於行為方面的了解比較少,而且想來也更難研究,畢竟行為不像顏色、尺寸那樣能直接識別與量化。

若想釐清狗狗的行為,和遺傳、品種的關係,需要搜集很多品種,每一品種都包括多位個體,以及牠們的基因組定序,再加上大批各種特徵的紀錄,才能獲得比較可靠的答案。

任何研究團隊光靠自己,都不可能取得如此龐大的資料量。研究者們成立「達爾文方舟(Darwin’s Ark)」網站,算是公民科學的應用,邀請許多飼主各自上傳狗狗的資訊,從中進一步分析(大部分參與者應該是美國人和美國狗)。

這項研究採用的資料包括來自 18385 狗的資訊,大約一半是「比較純的品種狗」;又從其中 2155 狗取得遺傳訊息,純種狗、混種狗都有。根據人為定義,全部共有 128 款品種。

大量分析的結果,簡化以後長這樣……意思到惹,不解釋。圖/參考資料 1

個體×遺傳×品種:相關性與相關性

論文做了一大堆統計學分析,基本上是這種關聯性分析、那種關聯性分析、這種關聯性和那種關聯性的關聯性分析,層層疊疊,一定很合統計魔人的胃口。有興趣的讀者請自行觀摩體驗,我只講我的理解。

結合基因體學與關聯性分析,光是原理並不太難。基因組上每個 DNA 位置有 ATCG 四種可能,比方說某個位置,不同個體為 A 或 C,配備 A 的狗都親人、C 的狗都兇兇,那麼便能推測,A 變異與親近人類有所關聯,C 變異的效果相反。

實際狀況卻複雜很多。例如配備 A 的狗有 70% 親人、C 的狗有 55% 兇兇,並非 100% 的狗都有影響。或是同一種行為,涉及多個遺傳變異,例如基因組上有 50 處位置影響親人、30 處影響兇人。反正就是有一大堆可能的組合與關聯性,樣本愈大、分項愈多,需要愈繁複的統計學分析。

要是鑽進論文的分析迷宮,恐怕很容易失掉方向,繞不出來,反而搞不懂問題是什麼,我們直接跳到外面。

另一批大量分析簡化後的結果……讀者們自行品味就好,BJ4。圖/參考資料 1

外貌形態與內在行為,都受遺傳影響

一番分析後得知,不論體型、外觀等外在特徵,或是行為這類內在特徵,都與遺傳相關,只是不同特徵的程度有別,有些相關性非常高,有些沒那麼高。因此狗狗的行為,確實取決於相當的遺傳成分。

假如每款品種狗的個體們,彼此都表現共通的行為,那麼我們應該能看到:某個品種多半都展現某些行為,而不同品種間情慾交流的混血狗,也會獲得不同品種各有比重的行為。

實際上發現,某些行為確實和少數品種的關聯性比較高,但是多數行為似乎不分品種。江湖傳說中的兇狗不見得更容易兇,容易激動的品種也不一定激動。另一方面,不同品種的狗狗,也可能表現類似的行為。

所有狗狗一起考慮,總共偵測到基因組上 11 處位置(以及 136 處沒那麼確定),可能和行為有關。鍵盤分析它們影響的基因,大部分在腦部的表現較高。

還好沒有脫離想像,不然要是影響行為的基因在腸道大量表現,該怎麼解釋?!

人擇結果:以貌取狗,不管內在

上述的分析方式,只能判斷遺傳與表現的關聯性,無法證實因果關係,不過還是能提供有意義的指引。

大量交叉比對得知,與行為有關的遺傳變異,在不同品種間缺乏明確的差異,這大概就是不同品種內,行為缺乏一致性的根本原因。相對地,和外型有關的某些 DNA 變異,在不同品種間差異明顯。

人類與狗相處的歷史超過一萬年,可是絕大部分品種狗的歷史並不久遠。早於 200 年前的狗狗,不是沒有人為選擇培育,卻著重在工作上的狩獵、守衛、駝獸等功能性特色。

要等到 160 年前,也就是 50 到 80 代以前的狗狗開始,人類才大量刻意創造出不同的品種,形成馬爾濟斯、拉布拉多、雪納瑞、貴賓狗、巴哥犬等多采多姿的品種狗。

或許有讀者認為,品種狗的行為之所以缺乏各自的特異性,是由於各品種經歷的時間太短,不足以產生差異,但是這是錯的。因為絕大部分品種狗的歷史雖短,人擇依然已經足以造成明顯的影響,反映在不同品種間,有別的毛色、體型等外觀特徵。

同一批分析指出,行為與型態一樣都可以遺傳,理論上也可以由人擇控制。然而,不同品種的狗狗,行為與個性依然有不少共通性,品種間卻缺乏明顯差異,品種內的不同個體並不一致

根據這些資訊,我們似乎可以這麼說:近兩百年來的品種培育,人類更偏好挑選外在特色,以貌取狗,不那麼在乎狗狗內在的行為。

最後也提醒各位讀者,作為寵物飼養的品種狗,只是如今全世界龐大狗群的一小部分而已。眾多的狗狗們,有些是人類親近的伴侶,還有些順利融入各地的半野生或野生環境。然而,也有不少所謂的流浪狗,成為人類與自然生態系的禍患。養狗要有責任感,不要因衝動而養狗,養了就不要直接棄養。

延伸閱讀

參考資料

  1. Morrill, K., Hekman, J., Li, X., McClure, J., Logan, B., Goodman, L., … & Karlsson, E. K. (2022). Ancestry-inclusive dog genomics challenges popular breed stereotypes. Science, 376(6592)
  2. Your dog’s breed doesn’t determine its personality, study suggests
  3. Massive study of pet dogs shows breed does not predict behaviour

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
178 篇文章 ・ 703 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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英國「流浪貓口普查」發現:社經條件較差、人口密度高的區域有較多流浪貓
Yiting_96
・2021/12/10 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

你知道英國有幾隻流浪貓嗎?根據統計,在英國約有 1 千萬隻貓主子有貓奴飼養,但那些流浪在外的貓有多少,始終是個未知數。

若是能知道一個區域中有多少浪貓,就能提供動物福利機構許多有效資訊,使得有限的資源能被善加利用,以救助更多浪貓。但為什麼得知浪貓的數量如此困難?其實是因為我們實在很難斷定路上的這隻貓,到底是遭棄養/走失的浪貓、野貓,或只是一時興起跑出來散步的家貓——畢竟英國人很愛自家貓咪出門閒晃。

當今流行的公民科學(citizen science)在這方面或許可以幫上忙,藉由地方民眾與科學家的相互合作,分析路上的浪貓有多少。不過這項方法同樣有些困難待解決,例如公民在收集資料時潛在的取樣偏差,或是漏報、重複通報同一隻貓等情形,可能導致統計模型預測數據的效度(validity)降低。

灰色混凝土地板上的白貓
貓咪可能長得十分相似,並不容易清點數量。圖/Pexels

數值模型 ft. 公民科學,找出英國浪貓到底有幾隻

為了解決公民科學遭遇的困難,來自英國布里斯托大學 (University of Bristol)的研究團隊,使用了一種稱為 IAM(Integrated Abundance Model)的計算方式,整合當地居民有無養貓的訊息及專家資訊,將這種計算方式應用在公民科學資料庫「Cat Watch」裡的貓咪目擊資訊上,嘗試算出該地區有多少浪貓存在。

Cat Watch 是由英國最大的貓科動物慈善福利機構「Cats Protection」所發起的一項社區計畫,鼓勵當地居民主動回報他們在戶外目擊到的貓,並將這些目擊資訊上傳至手機 app、社群媒體,或直接通知 Cat Watch 團隊。藉由當地居民回報的資訊,Cat Watch 團隊就能夠得知該區域有多少浪貓被目擊,整理成統計數據以便後續分析使用。

藉由 IAM 計算方式與 Cat Watch 的調查資料,研究團隊分析了五個英國鄉村地區,包括畢斯頓(Beeston)、布拉福市(Bradford)、布爾韋爾(Bulwell)、鄧斯特布爾(Dunstable)、侯頓瑞基斯(Houghton Regis),以及英國知名海港城市利物浦的埃弗頓區(Everton)發現,在社會經濟條件較差、人口密度高的地區,會有更多浪貓出現。而利用英國官方人口統計資料與社會經濟條件數據等訊息,團隊更進一步推測整個英國約有 25 萬隻浪貓存在!

Brown貓與棕緬因庫恩貓
在社會經濟條件較差、人口密度高的地區,會有更多浪貓出現。圖/Pexels

結紮與否,對浪貓而言關係重大!

為什麼社會經濟條件較差、人口密度高的地區會有較多浪貓?其實在先前研究已經指出,在社會經濟條件較差的地區,不論是有人飼養的寵物貓或是浪貓,曾接受過結紮手術的比例都較低。一但絕育過的貓咪數量少,該地區的貓口數可想而知會隨之上升。

那麼人口密度與浪貓之間的關係呢?這部分能探討的因素就比較多了。舉例來說,人口多的地方,寵物貓的數量也會較多,若是這些寵物貓並未結紮,很可能「不小心」就會有小貓咪誕生,導致貓口數激增;此外,遭人棄養或是走失的寵物貓,也會較人口數少的地區多。而人口多的地方,通常也代表著食物資源充足,豐富的食物資源同樣也吸引著浪貓前去。

當一個城市的浪貓過多,將造成公共衛生問題,例如跳蚤等寄生蟲感染,或是一些人畜共通傳染病的傳播;而對於其他野生動物來說,浪貓的存在相當於環境中的獵食者,可能威脅野生物種的生存。浪貓數量過多,也可能進一步衍伸出動物福利問題,例如城市中的浪貓健康狀況不佳、死亡率高,甚至人為虐待浪貓的事件也時有耳聞。

英國浪貓團體的做法:落實TNR,讓社區參與浪貓照顧

主持這項研究的英國布里斯托大學獸醫學院 Jennifer McDonald 博士指出,目前的數值模型還有許多待改善的地方,若該模型能套用到更廣大、人口更多的地理區域(例如倫敦),將使模型預測出的浪貓數量更為精確。

發起該研究計劃的英國浪貓動保協會「Cats Protection」的浪貓節育負責人 Jane Clements 指出:「若我們對一個地區的浪貓數量有更多了解,一些與浪貓有關的社會福利機構就能更精準的投注資源,讓該地區的浪貓能得到較為妥善的照料。」

Jane Clements 表示,我們將把無法被家庭領養的浪貓進行絕育,並為當地居民提供在社區中照顧牠們的方法,例如提建造貓窩的材料;Jane Clements指出,社區參與是確保所有浪貓都得到長期和可持續照顧的關鍵,「這項研究將使我們能夠將 Cat Watch 計劃帶到最需要的地區。」

動物, 動物攝影, 哺乳動物 的 免費圖庫相片
流浪的生活,可能讓貓咪生病、發生交通意外。圖/Pexels

解決浪貓問題,TNR 是最佳解嗎?

關於上述 Cats Protection 「讓社區參與照顧浪貓」的前後整套做法,前段的「落實節育」其實就是廣為人知的「TNR」手段;TNR 指的是 Trap(誘捕)、Neuter(絕育)、Return(原放),是一種相對「捕捉移除」而言較人道的管理方式。理論上,在沒有新增移入個體的前提下,是可減少流浪動物繼續繁殖、擴大族群的做法。

TNR 作為降低浪貓族群繁殖的做法,有其人道上的考量,理論上在執行一定程度的時間後,的確可能降低浪貓族群的數量;但問題是「國情不同」,英國浪貓團體的整套做法未必能直接套用在台灣,有種種的變數可能導致浪貓不減反增——例如台灣相對狹小的城市環境,很可能讓「社區參與」反而造成浪貓為了爭奪有限的食物資源而讓貓群更密集,也讓愛貓人士更容易餵養浪貓。

而在浪貓族群擴大後,在沒有足夠預算及人力 100% 執行 TNR 的情況下,TNR 的效果恐怕非常有限。很諷刺的,人類對浪貓的一番善意,最終可能導致更多一生飽受苦難的浪貓在街頭流浪並死去……。

總結來說,浪貓的出現與人類行為脫不了關係。尤其以來台灣的地理條件來看,導致TNR無法有效降低浪貓族群的關鍵,絕對是無良飼主的「棄養」行為——被棄養的家貓,就是浪貓族群的「新增移入個體」,就是導致浪貓不斷繁衍的關鍵。

本次分享的英國貓口普查研究,是透過公民科學家的參與,再加上科學研究的學理輔助,讓我們能更進一步掌握流浪動物數量的方法。期望未來這些技術能被有效使用,讓我們找出人類與浪貓共生的平衡方程式。

最後,讓我們再說一次,「棄養」是造成浪貓苦難的一切源頭,貓咪的確非常可愛,但領養前得三思——你真的有條件可以照顧牠的一生嗎?

參考資料:

  1. McDonald, J.L., Skillings, E. Human influences shape the first spatially explicit national estimate of urban unowned cat abundance. Sci Rep 11, 20216 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-99298-6
  2. 不曾終止的流浪動物之殤——圖解台灣動保現況2020版,窩窩,2020/11/26。
  3. 當TNR和捕捉移除的效果遇上棄養
  4. 在減少整體流浪動物數量上,TNR與捕捉移除的效果誰好?
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Yiting_96
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在鳳梨田裡唸生科的人類,畢業後意外走上了科普路,目前還在緩慢前行中。喜歡有趣怪知識、諧音爛笑話,還有床。

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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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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