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看見「看不見的」紅外線?

蕭汎如
・2014/12/16 ・1487字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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The eye can detect light at wavelengths in the visual spectrum. Other wavelengths, such as infrared and ultraviolet, are supposed to be invisible to the human eye, but Washington University scientists have found that under certain conditions, it’s possible for us to see otherwise invisible infrared light. Credit: Sara Dickherber 來源:來源: Physorg

閱讀任何一本教科書,都可以得到相同的概念:「紅外線對於人類來說是不可見光」,舉例來說x光、微波這些光,都在人們可見光的波長範圍之外。然而,這個想法卻被由美國華盛頓大學聖約翰醫學院所領導的國際性(包含來自挪威、瑞士、波蘭等地的學者)研究團隊打破,他們發現,在某些特定的條件之下,視網膜可以偵測到紅外線,目前他們的初稿甫發表在2014年的12月1日Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 上。

該團隊利用強烈的出紅外線雷射脈衝,照射人類和小鼠的視網膜。研究者發現,當雷射光脈衝的頻率越頻繁,視網膜當中的感光細胞有時候可以收到紅外光能量雙倍的衝擊。這意味著,當這種情況發生的時候,眼睛就可以偵測到在原本的可見光譜外的紅外線。

華盛頓大學專門研究眼科以及視覺科學的資深教授Vladimir J. Kefalov表示,他們所做的實驗不僅試著提供醫生檢查病患眼睛的新工具,也可以用來測試視網膜特定部位的功能是否完整,他們希望這個新發現可以有實際的應用。

這個研究的契機源於研究團隊先前發現到,使用紅外光雷射時會伴隨偶爾的綠光閃鑠(這可不是一般用於演講的紅外線光點筆或是玩具,它是可以發出強列能量波的!即使人類看不見)。這現象燃起了該團隊的好奇心,所以他們開始找尋人類看見紅外線的相關論文。他們重做了實驗,分析這些不同的雷射光並測試為何可見的原因。

「我們測試的時候,使用不同時間間隔但是擁有相同數量光子的雷射脈衝。發現雷射光的脈衝如果越短,人們越有可能看見」,計畫共同主持人Frans Vinberg解釋,即使因為實驗中測定的時間長度過於短暫,以至於裸眼的時候無法偵測的到,但這些脈衝仍然非常重要,因為它們能夠讓人們看見這些「看不見」的光。

一般而言,光子會被視網膜吸收,接著視網膜上的感光細胞會產生光色素(photopigment)來吸收可見光,提供清楚的影像並將資訊轉換為神經脈衝,刺激視神經傳遞至腦部成為視覺資訊。正常而言,每個光子可以被非常多個光色素所吸收。

然而,如果把很多的光子擠壓在一個頻率很高的脈衝雷射光中的短脈衝時,就可以產生一個神奇的現象:一個感光色素可以同時吸收兩個光子的能量。也是因為這樣,這兩個粒子疊加的能量就可以激活神經位元,讓人們的眼睛可以看見這些原本在一般條件下無法看見的「不可見」光。

Vladimir Kefalov adapter
Kefalov’s team developed this adapter that allowed scientists to analyze retinal cells and photopigment molecules as they were exposed to infrared light. The device already is commercially available and in use at several vision research centers around the world.Credit: ROBERT BOSTON 來源: Washington University

「人們可以看見的光波波長大約介於400至720奈米間」Kefalov解釋,「但是,如果一個視網膜的色素細胞被一對波長1000奈米的光子連續而且快速的撞擊,它所傳送的能量會與一個波長500奈米的光子相當,而這等同可以介在可見光譜中的能量,這就是為什麼我們可以看見「不可見」光的原因」。

雖然這是首次有相關研究指出,人們的眼睛可以透過這樣的物理機制感知光線,但是這個「利用比較弱的雷射光來讓事物可見的」想法並不新鮮。舉例來說,使用雙光子顯微鏡(two-photon microscope)來偵測更細微的人體組織,還有更進一步運用在檢眼鏡(ophthalmoscope)的應用……等等。

這個想法的主要目的,是希望可以藉由照射短脈衝的、紅外光激光器( infrared laser)對眼球的刺激,讓醫生們可以刺激部分的視網膜並且從中理解更多視網膜的功能與結構,最終可以幫助那些眼睛有疾病(如:黃斑部病變)的人們。

參考資料:

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蕭汎如
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PanSci 實習編輯,台大公衛系,對世界充滿好奇,最喜歡的句子是王爾德在《溫夫人的扇子》中寫的一句台詞:"We are all in the gutter, but some of us are looking at stars. "。沒錯,我們都身陷在日常生活的爛泥溝渠之中,但還是可以抬頭,仰望燦爛星空。:)

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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選擇延焦段人工水晶體,同時矯正散光與白內障
careonline_96
・2022/11/15 ・1967字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

「醫師,我看東西越來越模糊。」老太太抱怨說,「尤其是晚上開車,對向車燈照過來的時候,眩光會很厲害,現在都不太敢開車。」

做完檢查後,醫師說,「你的白內障已經熟了,建議要安排開刀處理喔。」

「開完刀後,晚上有辦法開車嗎?會不會眩光?」老太太問,「我的鄰居當時是換多焦點人工水晶體,他說晚上開車很容易眩光。」

「現在的人工水晶體有很多種,我們可以根據用眼需求、是否有散光,來挑選合適的人工水晶體。」醫師仔細說明。

隨著年紀增長,我們眼睛的水晶體會漸漸老化、混濁,影響光線進入。高雄同喬眼科診所李永誠醫師指出,透過手術移除老化水晶體,並放入人工水晶體,才能夠讓患者恢復視力。

有經驗的醫療團隊能夠精準、有效率地執行手術。李永誠醫師說,那位老太太選擇使用延焦段散光人工水晶體,同時矯正白內障與散光。術後,患者的視力獲得明顯的改善,平時不太需要戴眼鏡就能駕車、旅遊,讓她相當開心。

在白內障手術前,醫師會仔細檢查視力,並了解患者的用眼需求、生活習慣、是否有散光、是否在夜間開車等,幫助挑選合適的人工水晶體。李永誠醫師說,如果人工水晶體不符合患者的需求,在手術一個月內,還有機會重新置換,若超過一個月,就比較難處理。所以在手術前,務必充分溝通,謹慎挑選人工水晶體。

延長視覺景深提升日常方便性

傳統單焦點人工水晶體只能提供遠距離清晰視力,中近距離需要戴眼鏡輔助。李永誠醫師說,延焦段人工水晶體可以提供遠距離清晰視力,並延長視覺景深,改善中距離視力,對於日常生活較為方便。

在居家生活中,其實大部分是中距離的視力需求,例如開車看儀表板、看導航,或是切菜、煮飯、打電腦、打麻將等,延焦段人工水晶體可以滿足多數人的用眼需求。

針對有夜間用眼需求、或是對於光學干擾比較敏感的人,延焦段人工水晶體也可以降低光學干擾,較不會有眩光或光暈的問題。李永誠醫師說,多焦點人工水晶體較會有光學干擾的問題,所以在夜間開車時,路燈或對向車燈會呈現一圈一圈的影像,可能影響行車安全。

同時矯正散光與白內障,提升生活品質

近視、散光是成年人常見的屈光問題,都會導致視力模糊。李永誠醫師說,現在的白內障手術等於是屈光矯正白內障手術,能夠在矯正白內障時,把患者原本的散光、近視、遠視、老花等問題,透過人工水晶體置換,一併改善。

「白內障患者之中,大概有 30%,甚至多達 50% 的患者具有散光度數,」李永誠醫師說,「如果矯正白內障,卻沒有矯正散光,術後的視力、視覺品質都沒有辦法達到理想的狀態。一般都會建議同時處理白內障和散光,才能在術後獲得較佳的視力,也可以減少手術後還需要配戴眼鏡的需求,提升生活品質與方便性。」

延焦段散光人工水晶體,可以同時解決白內障和散光的問題,李永誠醫師說,透過散光矯正科技,確保達到穩定的散光矯正效果,中距離視力能夠貼近日常生活需求,提供給患者日間方便、夜間安全的視覺品質。

貼心小提醒

隨著年紀增長,大部分的人都會漸漸出現白內障,李永誠醫師說,平時應避免長期暴露在強光、紫外線下,從事戶外活動時,請記得戴帽子、太陽眼鏡。日常生活中要避免用眼過度,不要長時間使用 3C 用品,不要在燈光不足的情況下滑手機、長時間追劇。

飲食方面建議多攝取蔬菜、水果,盡量避免抽菸、喝酒。李永誠醫師叮嚀,糖尿病患者,請記得定期到眼科檢查眼睛。

白內障可能會導致視力模糊、昏黃,如果白內障已經影響到視力,干擾到日常生活,就要跟眼科醫師討論是否需要進行白內障手術,利用合適的人工水晶體,讓生活能夠方便又安全。

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出來單挑啊!同樣都是鼎鼎大名的太空望遠鏡,哈伯與韋伯到底誰比較強?
htlee
・2022/09/21 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘

最近,韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像,終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西!有人說,韋伯是哈伯的繼任者,但不知道大家是否好奇過,哈伯和韋伯到底誰比較強?

哈伯望遠鏡和韋伯望遠鏡之戰,正式開打!

這個問題有點難回答,因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者,韋伯是 30 年後科技進步下的產物,我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光,韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺,韋伯則是 6.5 公尺,韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍,這也是大家最常比較的部分。可是,如果主鏡大就比較厲害,那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡,不就比哈伯和韋伯更強?

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺(左),韋伯的則是 6.5 公尺(右)。圖/維基百科

哈伯與韋伯觀測的波段不同,用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光,可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍,也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光,光的波長由長到短,紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米(1 微米=0.001 公釐),紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光,也就是波長比 0.7 微米更長,這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段,一個在可見光,另一個在紅外光,所以在功用上本來就不一樣,如果要比較的話就要小心,不然就像拿橘子跟蘋果相比,拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚?來比一比解析度吧!

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度,解析度的值(角秒)愈低,表示能看到天體愈細微的部分,解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大,解析度愈好;另外也跟觀測的波長成正比。

解析度的計算公式。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像,拍攝的紅外波長也差不多(史匹哲:8 微米,韋伯 7.7 微米),不過兩幅影像的解析度卻差很多,韋伯的影像中可以看到更多的細節,史匹哲則好像糊成一團。

史匹哲與韋伯望遠鏡的影像解析度比較,顯然韋伯的影像解析度高很多。圖/NASA

當觀測的波長一樣時,解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺,所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍!主鏡的大小直接反應在解析度上,韋伯與史匹哲在解析度上高下立判!

解析度除了跟主鏡的直徑成反比,也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體,用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果,同樣 0.85 公尺的主鏡觀測,隨著觀測波長的增加,解析度變差。

史匹哲望遠鏡拍攝的 M81 星系,拍攝的波段是 24(上)、70(中)、160 微米(下),拍攝的波段愈長,解析度愈差。圖/NASA

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌!

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提,主鏡必須研磨到完美、光滑,也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美,像遊樂場裡的哈哈鏡,不能聚焦成像,解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的,比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美,韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。(光學上,物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。)

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米,根據前面的解析度公式,哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒,而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒,結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點!也就是哈伯老當益壯,一點也不比韋伯差。

史蒂芬五重星系,哈伯(左)與韋伯(右)拍攝的影像,從解析度來看,兩部太空望遠鏡不相上下。圖/NASA

從哈伯到韋伯,有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始,透過哈伯望遠鏡研究宇宙,這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致,我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方,科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求,天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中,幾乎都是哈伯曾經拍過的天體,從科學上來說,比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解,不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式,感謝哈伯三十多年的貢獻!

韋伯站在巨人的肩膀上,必定能看得更暗、更遠!

htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!