好閃！人造光害會干擾海洋生態

本文轉載自顯微觀點

「從高中生開始到大學生，甚至到研究所碩士、博士，其實你只要做一件事－叫做找到有興趣的問題」。

從藍光 LED 起始的奈米研究之旅

中研院應用科學研究中心副研究員張允崇近年致力於光電推廣教育工作，不僅作為國際光電工程學會 SPIE 的光學推廣委員會成員，還擔任中華民國光電學會教育委員會主任委員，並已連續舉辦兩屆光電學會光電教具創作競賽。

張允崇自台灣大學物理系畢業後前往北卡羅萊納州立大學攻讀電機博士。時值台灣開始發展半導體的年代，加上他對光學和雷射很有興趣，因此選擇光電半導體作為研究領域，其中又以藍光 LED 為其研究重點。

LED（發光二極體，light-emitting diode）是一種半導體光源。當電流通過這個半導體電子元件時，電子與電洞複合以光子的形式釋放能量，而發出單色光。光線的波長、顏色則和採用的半導體材料種類以及故意摻入的元素雜質有關。

一開始以磷化鎵砷（GaAsP）為材料的 LED 僅能發出紅光且效率低，因此僅作為指示燈使用。而後雖出現可發出綠光的 LED，但一直缺少藍光 LED，就無法以光的三原色－藍、綠、紅，來任意組成不同的顏色，尤其是可供照明的白光。

直到 1993 年，日本日亞化學（Nichia Corporation）的中村修二成功把鎂摻入，成功以氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）開發具有商業應用價值的藍光發光二極體。

有了藍光 LED 後，白光 LED 也隨即問世。因此 2014 年諾貝爾物理學獎也以「發明高亮度藍色發光二極體，帶來了節能明亮的白色光源」的理由，將獎項頒給中村修二，以及製成高品質 GaN 並首次以 pn 結構完成藍色 LED 的日本科學家赤崎勇與天野浩。

2001 年博士學位並於 2003 年返台至成大任教的張允崇說，當時藍光 LED 領域正好當紅，因此博士班期間以及回台任教之初，便以此為研究材料進行研究。

但很快地，藍光 LED 材料愈來愈便宜且效率也已提升很多，相關應用和研究到達瓶頸，要再突破已非易事。相關領域的學者不是已經放棄，就是必須做出變化。張允崇亦是如此。

台灣從 2003 年開始，投入新台幣約 250 億元執行「奈米國家型科技計畫」，推動奈米科技發展。因此，張允崇也將研究視角轉向開發各種不同奈米製程，其中一個便是奈米球鏡微影術（Nanospherical-Lens Lithography，NLL）。

奈米球鏡微影術是使用奈米球將入射的紫外光聚焦於下方光阻，藉以製作出大面積的金屬圓盤陣列，這樣不僅可以大面積生產，使用的設備也是產業界既有生產設備，成本相對低廉。

「到 2018 年，我們幾乎可以宣稱我們是全世界做奈米球做厲害的人」。但張允崇表示，儘管奈米球鏡顯微影術可以大面積、有效率地提升製程產量，但在學術發表上外界期望看到「新功能」，加上後來到中研院任職，資源較多，便不再限制於奈米球上，而是開發各種奈米製程和新功能。

直觀研究取代考試教學

「我可以講 30 分鐘的研究，沒有任何一個公式在投影片裡」，張允崇笑稱因為自己的數學不太好，所以研究的題目「數學不會太多」。

他以奈米金屬為例，儘管背後有很多數學推導，但在他們實驗室的研究開發中，便僅以「奈米顆粒對環境折射率非常靈敏」的直覺，進一步對其作為感測器進行研究。

但與其說是「受限於數學不好」，不如說張允崇更看重科學直覺和實作，這不僅表現在他的研究，也體現在他的教學和近年致力推廣的光電教具創作競賽中。

張允崇提到之所以投入光電教具創作競賽，起因於他參與國際光電工程學會（International Society for Optics and Photonics, SPIE）的年會時，擔任其中一個類似教具競賽的外展活動評審，氣氛不錯。

加上當時張允崇在台大物理系兼職，教授光電半導體課程。「考試學到的東西很有限」，比起考試他更希望學生能從做中學，因此便參考年會外展活動的概念，讓學生執行期末計畫。

「當時想法只是覺得課堂裡好的作品可以到國際參賽，就像區域競賽比得好，比全國再比國際」。張允崇後來遇到一些志同道合的老師，才將全國競賽籌備起來。

不過，競賽今年邁入第三屆之際，回顧這一路走來，張允崇認為，競賽帶來的收穫、好處和原本初衷略有不同。而最大的好處在於讓學生「提早認識實驗室」。

他表示，許多學生到大三、大四要做專題進實驗室時，早已聽從學長姐和外界的聲音「立志進台積電」。

「現在多學生大三大四就直接聽學長姐說哪一個領域很好，可以去台積電啊。如果你研究所找了老師就是做這個領域，你就被他綁住了，博士班再讀（其他領域）好了，其實也跳不太開了。」張允崇說，不只選錯路不易回頭，進而出現「學用落差」外，學術熱忱也不易被點燃。

但藉由教具競賽，讓大一、大二的學生及早進實驗室「東摸摸、西摸摸」。「大一暑假找一個老師，不喜歡；大二可以換一個、大三再換一個，老師沒有再看到你也不會覺得怎麼樣」，張允崇表示，就算學生不用跟著老師的計畫題目，教具做不出來也沒關係，單純和老師討論教具專題也能略知實驗室的研究內容，進而評估是否對該領域有興趣。

張允崇說，考試答案都是已知的，學生也只是努力搞清楚老師「要考什麼」。但工作、研究卻不是如此，答案都是未知的，因此培養解決問題的能力，包含問對人找到解決方法，更為重要。

而要培養解決問題能力，最快方式就是進實驗室直接動手做。由於實驗室基礎能力需要的是各種能力的展現，不僅限於書本與公式；例如自動控制需要電腦程式能力、有些人手巧適合精工，甚至 3D 繪圖等。學生及早進入實驗室，就算「自認不適合讀書」，也能從中發現自己的專長和定位。

從半導體到奈米光學，再到生物感測，張允崇的研究領域很廣，「奈米領域所有問題都有興趣」。他笑稱，「優點是領域很廣，但缺點是『你問我做什麼題目，我講不出來』」。但只要找到有興趣的東西，就可以做好一件事，「因為你會願意花很多時間」。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

今天我們來聊聊一種超酷的通信技術——用 LED 燈來傳遞訊息。

你可能會疑惑，LED 燈怎麼能傳數據？其實，這背後的原理並不難理解。無線電波是電磁波的一種，而 LED 發出的「可見光」也是電磁波的一部分，只是頻率更高。既然都是電磁波，那用光來通信似乎也很合理。

光通信並不是新鮮事。早在周朝，人們就用烽火台來傳遞戰情；我們熟悉的發明家貝爾也發明過光電話（Photophone），且 1880 年 4 月 1 日，貝爾還成功地用光電話在 200 多公尺的距離上實現了通信。

然後？就沒有然後了，光通信技術沉寂了一百多年，直到太空通信中找到了新的用途。

可見光通訊帶來了通信技術的全新篇章。當然，我們也要提到，像遙控器和一些太空通信其實用的是紅外線，但這些都和可見光屬於同一大類——電磁波通信。所以，嚴格來說，可見光通訊也是電磁波通信的一部分。

未來的世界，燈光不僅僅是照明工具，更是我們連接信息世界的橋樑。

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「她是那麼勇敢而美好。」^[1]美國疾病管制與預防中心（Centers for Disease Control and Prevention）2023 年 9 月號的《新興傳染病》（Emerging Infectious Diseases）期刊，登載一則來自澳大利亞的個案。^{[1, 2]}論文的通訊作者對媒體表示：「你不會想成為全世界第一個被蟒蛇蠕蟲感染的病患，我們向她脫帽致敬。」^[1]

嗜酸性白血球肺炎

這名現年 64 歲，出生於英國的婦人，20 至 30 年前曾到南非、亞洲和歐洲等地遊歷；目前定居澳洲新南威爾斯州東南部。她患有糖尿病、甲狀腺機能低下和憂鬱症；服用過抗生素 doxycycline 對抗社區型肺炎，但未曾完全康復。2021 年 1 月的時候，因為連續 3 週腹痛且拉肚子，又乾咳、夜間盜汗，而住進當地的醫院，並做了驗血等一系列的檢查。其異常的結果，如下：^[2]

• 血紅素（又譯「血紅蛋白」；hemoglobin）：血紅素是紅血球裡面的蛋白質，^[3]正常範圍是 115 – 165 g/L，^[2]過低會影響氧氣的輸送。^[3]這名婦人只有 99 g/L。^[2]
• 血小板（platelets）：正常值為 150 – 400 × 10⁹/L；她的卻高達 617 × 10⁹/L。^[2]會造成血小板過量的原因很多，諸如造血幹細胞異常、急性感染、慢性發炎、缺乏鐵質，或是某些癌症等，都有可能。^[4]
• C 反應蛋白（C-reactive protein；CRP）：CRP 由肝臟製造，釋放到血液裡，^[5]濃度通常 <5 mg/L；婦人的是102 mg/L，^[2]表示感染或發炎。^[5]
• 嗜酸性白血球（eosinophil）：血液中嗜酸性白血球的濃度，正常應該 < 0.5 × 10⁹/L；婦人的數值為 9.8 × 10⁹/L。^[2]嗜酸性白血球數量增加的肇因繁多，以過敏和被寄生蟲感染，較為常見。^[6]
• 支氣管肺泡灌洗（bronchoalveolar lavage；BAL）：婦人支氣管肺泡灌洗液的細胞中，嗜酸性白血球佔 30%。^[2]血液的嗜酸性白血球過多，BAL 液體中又超過 25%，就有可能是肺部發炎。^[7]
• 電腦斷層掃描（computed tomography；CT）：影像呈現肺臟被毛玻璃樣混濁圍繞的多處不透明陰影；以及肝臟與脾臟的病灶。^[2]

婦人還做了血清學檢查，排除桿線蟲（Strongyloides）感染；而自體免疫疾病篩檢亦呈陰性。醫師綜合以上檢驗結果，判斷她得到原因不明的嗜酸性白血球肺炎（eosinophilic pneumonia），^[2]並投以能消炎及抑制免疫功能的類固醇藥物 prednisolone，^{[2, 8]}改善了部份症狀。^[2]

嗜酸性白血球增多症候群

3 個禮拜後，仍在服藥的婦人，咳嗽、發燒不斷。這回坎培拉一家第三級的大醫院，幫她重新檢查，部份結果如下：驗血顯示下降的嗜酸性白血球（3.4 × 10⁹/L）和 C 反應蛋白（68.2 mg/L），濃度依然超標；從電腦斷層掃描，可見肺部病灶移動，但肝臟與脾臟的維持原狀；肺部切片再次確定診斷為嗜酸性白血球肺炎；而微生物檢驗排除細菌、真菌和寄生蟲等各種感染。^[2]

另外，醫師發現婦人有單株 T 細胞受體基因重組（monoclonal T-cell receptor gene rearrangement）的問題：^[2]本來多元的 T 細胞可以對付各種感染；現在特定的T細胞卻不斷自我複製，使變異貧乏單調。^[9]它們過度製造白血球介素 –5（interleukin-5），促使嗜酸性白血球在骨隨中大量形成，^[10]導致嗜酸性白血球增多症候群（hypereosinophilic syndrome；HES）。^[2]

醫師提高類固醇藥物 prednisolone 的劑量，加上免疫抑制劑 mycophenolate，還有驅蟲藥 ivermectin。最後一項是考量婦人豐富的旅遊史；可能呈現偽陰性的桿線蟲血清學檢測；以及抑制免疫系統時的感染風險。^[2]

2021 年中，從追蹤檢查的電腦斷層掃描，得知肺和肝的病灶都有好轉，但脾臟的不變。2021 年 9 月，嗜酸性白血球在血液中的濃度降至 0.76 × 10⁹/L。2022 年 1 月，醫師想調降類固醇，又擔心壓不住婦人呼吸道的症狀，於是加開白血球介素 –5 單株抗體 mepolizumab，^[2]減少嗜酸性白血球的數量。^{[10, 11]}等到後者的數值正常，便開始降低類固醇的劑量。^[2]

2022 年繼續服用類固醇 prednisolone、免疫抑制劑 mycophenolate 和白血球介素 –5 單株抗體 mepolizumab 的婦人，有長達 3 個月的時間，不僅健忘，憂鬱症還惡化。此時，她的嗜酸性白血球濃度正常；但 C 反應蛋白為 6.4 mg/L，意味著發炎；而核磁共振影像上，腦部的右額葉有個 13 × 10 mm 的病灶。於是，婦人在同年 6 月接受切片手術。^[2]

腦中的蠕蟲

這刀往腦袋劃下去不得了──長 80 mm，直徑 1 mm，活生生的蠕蟲！神經外科醫師將牠拖出來後，隨即進行硬腦膜切開術（durotomy）跟皮質骨切開術（corticotomy），巡周邊一輪，確定僅此 1 條，沒有共犯。稍後硬腦膜切片檢體送驗，得到的結果為良性。^[2]可是那條蟲怎麼辦？

「噢，我的天啊！」神經外科醫師亢奮地說道：「你絕對不會相信，我剛才在那位女士的腦子裡，發現了什麼──牠活著，還會蠕動。」接到她電話的同事們組成團隊，一起來辨識物種。根據感染科醫師，也就是後來論文通訊作者的回憶：「我們翻遍了教科書，查詢各種會侵入神經，惹出疾病的蠕蟲。」然而怎麼也找不到答案，只好把還活著的小生命，捧去聯邦科學與工業研究組織（CSIRO），請教寄生蟲專家。對方看了一眼，驚叫：「天哪，是 Ophidascaris robertsi！」^[1]

這隻蛻變到三齡階段，外表朱紅的幼蟲，有 3 片典型的蛔蟲科唇瓣和盲腸，但缺乏發育完全的生殖系統。牠的頭尾被剁下來，由 CSIRO 的澳洲國家野生收藏館（Australian National Wildlife Collection）保存；其他屍塊分別交給雪梨大學（University of Sydney）以及墨爾本大學（University of Melbourne）鑑定基因。果然該寄生蟲專家所言不假，真的是 Ophidascaris robertsi。^[2]

Ophidascaris robertsi 生活史

Ophidascaris robertsi 這種澳洲原生的蠕蟲，採行所謂的間接生活史（indirect life cycle），一輩子寄生多個宿主：成蟲住在最終宿主（definitive hosts）地毯莫瑞蟒（Morelia spilota）的食道和胃裡，牠們的卵則會點綴於蛇糞之中。身為中間宿主（intermediate hosts）的小型哺乳類，特別是澳洲特產的有袋動物，糊里糊塗吃了卵，幼蟲便竄入牠們胸腔和腹腔內臟，活上很長的一段時間。直到有天，地毯莫瑞蟒獵捕小動物果腹，故事就再從頭來過，生生不息。^[2]

通常這齣沒完沒了的連續劇，不該有我們的戲份，所以這位澳洲婦人是目前所知，第一個意外參與演出的人類。她家附近的湖畔為地毯莫瑞蟒的棲地，醫師推測婦人採集野生番杏（Tetragonia tetragonioides）回來做菜，因而吃到蟲卵。當幼蟲開始在她的體內亂竄，引發内臓移行性幼蟲症候群（visceral larva migrans syndrome），免疫系統理應防止外侮進入中樞神經。偏偏此時婦人正在治療致命性的嗜酸性白血球增多症候群，多種藥物令她的免疫系統龍困淺灘。O. robertsi 的幼蟲就通行無阻，順勢直搗腦部。^[2]

術後恢復

移除蠕蟲後，醫師停止所有抑制免疫系統的藥物，另外開了兩種驅蟲藥，包括：以前用過的 ivermectin，跟對中樞神經系統穿透力更好的 albendazole；以及劑量漸減，具有消炎作用的類固醇 dexamethasone。此時婦人的肺臟和肝臟病灶早已恢復；但電腦斷層掃描影像上，脾臟的毛病依舊存在。針對這個現象，醫師在論文裡幫那隻蠕蟲講了句公道話，認為後者不是牠的錯，並以早前的正子斷層造影為證：肺、肝兩處病灶對放射性示蹤劑的反應，與脾臟迥異。術後 6 個月，婦人的嗜酸性白血球濃度維持正常，神經精神方面也有進步。^[2]目前整體狀況穩定，仍定期回診追蹤。^[1]

1. Davey M. (28 AUG 2023) ‘‘Oh my god’: live worm found in Australian woman’s brain in world-first discovery’. The Guardian, Australia.
2. Hossain ME, Kennedy KJ, Wilson HL, et al. (2023) ‘Human Neural Larva Migrans Caused by Ophidascaris robertsi Ascarid’. Emerging Infectious Diseases, 29(9):1900-1903.
3. ‘Low Hemoglobin’. (04 MAY 2022) Cleveland Clinic, U.S.
4. Kuter DJ. (SEP 2022) ‘Overview of Platelet Disorders’. MSD Manual – Professional Version.
5. ‘C-reactive protein (CRP) blood test’. (OCT 2022) Healthdirect Australia.
6. Liesveld J. (SEP 2022) ‘Eosinophilia’. MSD Manual – Professional Version.
7. Salahuddin M, Anjum F, Cherian SV. (22 MAY 2023) ‘Pulmonary Eosinophilia’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
8. ‘Prednisolone’. (APR 2023) Healthdirect Australia.
9. ‘T-Cell Receptor Gene Rearrangement’. (22 SEP 2020) Testing.com, U.S.
10. Roufosse F. (2018) ‘Targeting the Interleukin-5 Pathway for Treatment of Eosinophilic Conditions Other than Asthma’. Frontiers in Medicine, 5:49.
11. Agumadu VC, Ramphul K, Mejias SG, et al. (2018) ‘A Review of Three New Anti-interleukin-5 Monoclonal Antibody Therapies for Severe Asthma’. Cureus, 10(8):e3216.