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邁向科學研究的前線: 手機變身螢光顯微鏡!

Scimage
・2014/07/16 ・2179字 ・閱讀時間約 4 分鐘

顯微鏡可以讓人看清楚小世界裡發生的事情,但是進入研究分子的時代,因為光的波長只有到數百個奈米(nm),所以以光學顯微鏡無法直接觀察分子的種類與型態,雖然可以利用電子顯微鏡,不過操作使用上難度高,研究人員也難輕易使用,偏光顯微鏡能提供分子排列的訊息,但是如果能用光學的方式直接看到分子或確定不同種類的分子存在與否,就能讓很多重要的物理或生物資訊被研究發現。而螢光顯微鏡就是目前在研究上用的最多與最重要的技巧之一。

一般顯微鏡利用光的吸收跟反射測來觀測物體,偏光顯微鏡利用光波的偏振特性,而螢光顯微鏡就是利用光在波長方面的特性的來觀測分子。原理是特定種類的分子(稱為螢光源,fluorophore)在吸收短波長的光之後可以放出長波長的光,觀測時如果能把原本的波長的光濾掉,只剩下激發後較長波長的的光被看到, 這樣一來就可以斷定特定的螢光分子是否存在。這樣的概念看似簡單,卻能帶來分子種類的解析性,舉例而言,像是把抗體加上螢光基團,就可以利用螢光辨識特定分子是否在樣品上,利用螢光蛋白序列加上改造的基因,就可以知道基因轉殖有沒有成功,把特定蛋白加上螢光蛋白,就可以在空間中甚至在細胞內追蹤分子或觀測神經纖維網路。在研究前沿上有數不完的研究,從生化檢測、基因定序、神經細胞結構等等,都是靠著螢光顯微鏡才能實現。

在技術上因為螢光訊號很弱,螢光顯微鏡通常用水銀燈或其他氣體放電燈作為光源,確保很強的光照,為了要濾除非螢光的訊號,需要很好的光學濾片組,這也讓螢光顯微鏡一直都只能在研究中或是在很貴的儀器內才能進行螢光偵測。

手機是現在人人都有的智慧裝置,結合了照像與傳輸分享的強大功能,如果在手機上如果能夠實現螢光的顯微觀測,將對科學發展有很大的幫助,有研究能力的手機顯微鏡與手機偏光顯微鏡之前已經由科學影像實現了,那手機有可能完成螢光觀測這項任務嗎?

讓手機顯微鏡變成有螢光的能力設計是這樣,首先在光源方面,因為半導體技術的發展,很多窄波段的固態光源變成可能,不再需要從全光譜中濾出特定的光出來, 而是可以直接有效率的使用半導體光源,所已選用合適的短波段高亮度的LED就能大部分解決激發光源的問題,且同時能降低對激發濾片(Excitation filter)的要求,可以以吸收式的濾片達成。

在光路上,目前一般的螢光設計是epifluorescence,由同個物鏡照出激發光,偵測背反射的螢光訊號,可以減少對發射濾片 emission filter的要求,但是同軸照明需要較複雜的設計與雙色濾片dichroic filter,基於同樣的考量,可以改用暗視野照明來達成,加上發射濾片emission filter,始發射光與螢光的光譜沒有交錯, 就可以觀測螢光了!

以深藍紫色激發為例,目前可取得最好的固體光源的光譜如下,波長到450nm即全部消失。

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在選用的emission filter上,濾除連續光譜的日光後的光譜圖觀測如下,可以看到470nm以下的光全部被濾掉。

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所以選用這組光源與發射濾片,即可以以藍紫光觀察從綠光到紅光的螢光。設計相關的激切結構跟濾片在手機顯微鏡上,實際完成的手機螢光顯微鏡成品如下:

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整體發出的紫藍紫光是由載物台下方進行暗室野照明所發的,就可以有效的激發出螢光訊號,注意在播片的邊緣有不同顏色的色光,那就是塗在坡片上的螢光物質所發出的螢光經由全反射而照出。

以下以兩個例子來說明這螢光模組的能力,首先可以同時關測到不同顏色的螢光(螢光染料壓的指紋),紅色與綠色各試不同的染料,黃色是混合之後的顏色。

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在生物的觀察上,也可以觀察到斑馬魚身上卵黃的自體螢光訊號。

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除了深藍紫光之外,為了讓離激發光源比較遠的紅色螢光能更被有效率的激發,在實現手機螢光顯微鏡上,也設計了另一組以470 nm為中心的光源,目前兩組的光源與長通螢光濾光片的光譜如下,這樣一來所有常用的綠色到紅色螢光都可以被激發觀測。

p7

(其中下方淺藍色跟激發光跟長通濾波有交錯,需額外使用一片 excitation filter 來濾除)

螢光模組是手機顯微鏡,除了實現手機偏光顯微鏡後 ,另一個把專業顯微技術在手機實現的計畫,希望將會讓很多原本屬於實驗室的觀測可以再被更簡單的觀察記錄,有讓更多人與實驗室有方便的工具作更方便的觀察與檢測!


首次製作將提供台灣的實驗室進行申請使用螢光模組,歡迎有想一起測試的研究朋友加入科學社群 科學maker 索取,期間為 7/10-7/20。

科學影像的顯微鏡製作計畫目前專屬的科學社群 科學maker 已經有超過 4000 位朋友加入,分享觀測的顯微照片超過4000多幅,來協助製作科學儀器的朋友超過 百人,花整天的時間替更多人製作科學儀器,目前贈送超過 70所偏遠學校手機顯微鏡做為教育之用,除了個人使用外,也開始要協助如泛科學的科學活動或是台大的NTU博物館行動展示盒計畫等大眾的科學活動,也進入了國小,國中,高中,大學等校園數百所正式的學習環境,做為充實顯微設備與改善課程用,希望手機螢光顯微鏡的實現,能讓手機顯微鏡變的更有能力,走入實驗的現場,讓台灣有更好的科學實驗環境!

手機顯微鏡網站手機顯微鏡 & 科學maker,對手機顯微鏡有興趣的朋友,歡迎加入科學maker,一起使用與分享顯微鏡的觀測~

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殭屍真菌的心智操控術!被附身的螞蟻變成「孢子釋放機」——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/25 ・1691字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

最多產、最能有創意地操控動物行為的,是一群住在昆蟲體內的真菌。這些「殭屍真菌」改變寄主行為的方式,得到明確的好處──真菌綁架一隻昆蟲,就能散播孢子,完成自己的生命週期。

研究最透徹的殭屍真菌是偏側蛇蟲草菌(Ophiocordyceps unilateralis),這種真菌的一生都繞著巨山蟻(carpenter ant)打轉。巨山蟻受真菌感染之後,會失去自己怕高的本能,拋下相對安全的巢,爬上最近的植物──這症狀稱為「登頂症」(summit disease)。在適當的時候,真菌會迫使巨山蟻用大顎鉗住那株植物、「死命一咬」,菌絲體從巨山蟻腳上長出來,把巨山蟻固定在植物表面。真菌接著消化巨山蟻的身體,從巨山蟻頭上發出菇柄,孢子撒向經過下方的巨山蟻身上。如果孢子錯失了目標,就會產生次生的黏性孢子,在作為引線的細絲上向外延伸。

受到蛇形蟲草(zombie fungus)感染的巨山蟻。圖/AntWiki by João P. M. Araújo

殭屍真菌極為精準地控制它們寄主昆蟲的行為。蛇形蟲草(Ophiocordyceps)會強迫螞蟻去溫度、溼度剛好的區域死命一咬,讓真菌結實──就在森林離地二十五公分高的地方。真菌利用太陽的方向來引導螞蟻,在中午時分同步感染螞蟻。螞蟻不會咬進葉背的任何老位置。百分之九十八的情況下,螞蟻會咬住主脈。

殭屍真菌如何控制寄主昆蟲的心智,一直令研究者大惑不解。二○一七年,真菌操控行為的一位頂尖專家大衛.休斯(David Hughes)帶領的一支團隊,在實驗室裡用蛇形蟲草感染了螞蟻。研究者在螞蟻死命一咬的那一刻,把螞蟻的身體保存起來,切成薄片,重建真菌住在螞蟻組織中的三維圖像。他們發現真菌變成螞蟻體內的一個假體器官,占據螞蟻身體的程度令人不安。受感染的螞蟻生物量之中,高達百分之四十是真菌。菌絲從頭到腳蜿蜒鑽過螞蟻的體腔,纏住螞蟻的肌纖維,透過互連的菌絲體網絡來協調螞蟻活動。然而,螞蟻的腦中居然沒有菌絲。休斯和他的團隊完全沒料到這情況。他們預期螞蟻的腦部會有真菌,才能那麼精細地控制螞蟻的行為。

結果真菌似乎是採用藥理學的方式。研究者懷疑,真菌雖然沒有實際存在於螞蟻腦部,但還是靠分泌化學物質,影響螞蟻的肌肉和中央神經系統,進而操控螞蟻的行動。但究竟是哪些化學物質,還不清楚。也不知道真菌能不能切斷螞蟻腦部和身體的連結,直接協調螞蟻的肌肉收縮。不過,蛇形蟲草和麥角菌是近親,瑞士化學家艾伯特.赫夫曼(Albert Hofmann)最初正是從麥角菌分離出用於製造 LSD 的化學物質,繼而做出一類化學物質,LSD 正是衍生物──這類化學物質稱為「麥角鹼」。在感染的螞蟻體內,負責產生這些生物鹼的蛇形蟲草基因組啟動了,表示這些基因組在操控螞蟻行為的過程中,可能扮演了某種角色。

雀麥上的麥角菌。圖/WIKIPEDIA by Claude De Brauer

不論這些真菌是怎麼辦到的,它們的干預以人類的任何標準來看,都十分驚人。經過幾十年的研究,投入數十億美元的經費,用藥物調控人類行為的能力還完全無法微調。比方說,抗精神疾病藥物無法針對特定的行為,其實只有鎮定效果。相較之下,蛇形蟲草百分之九十八的成功率,不只是讓螞蟻向上爬或是死命一咬(這百分之百會發生),而是咬到葉片特定的部位,並且是對真菌最理想的環境。不過公平起見,蛇形蟲草和許多殭屍真菌一樣,其實有很長的時間可以微調它們的做法。受感染的螞蟻行為有跡可循。螞蟻的死命一咬在葉脈上留下明顯的疤痕,依據化石化的疤痕,這種行為的起源可以追溯到距今四千八百萬年前的始新世(Eocene)。真菌很大部分的時間都在操控動物心智,可能自己也有心智。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

azothbooks_96
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