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科學家使電漿子奈米場清晰成像

peregrine
・2011/02/12 ・1578字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 609 ・十年級

本文轉載自PEREGRINE科學點滴

在蝴蝶結形電漿設備進行金的螢光成像,柏克萊實驗室的研究人員收集到的電漿模式距離只有幾個奈米。

於典型的電漿子設備(plasmonic devices)中,電磁波擠進細微的金屬結構物中,而將能量聚集進入奈米級的維數(dimensions)中。由於電子技術及光子技術在上述金屬奈米結構物中的結合,電漿子設備可能被利用來供作高速數據傳輸及超快探測器陣列使用。不過,對科學家們而言,研究奈米級裝置中的電漿子場(plasmonic fields)有項天然障礙,因為檢測此些結構物時,會本質上地改變其狀態。

在美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)分子鑄造所(Molecular Foundry)之奈米結構物造影暨操縱設備,從事研究的科學家Jim Schuck宣稱:「不論使用雷射或燈泡,光的波長依然太強以至於無法研究奈米結構物中的電漿子場。更重要的是,多數被用來研究電漿子場的工具會改變該種場的分佈狀態,這是他們想瞭解的極端反應。」

在科學家的研究領域中,光學顯微鏡技術往往扮演基本角色。因為該種技術容易使用且不會對精心製作的電子電路或脆弱的生物樣本造成損害。不過,諸如DNA的股(strand)或量子點等令人感興趣的典型奈米級物體,尺寸上遠小於可見光的波長,這意味當此類物體緊密靠近時,該種技術會喪失從中做出區分的能力。目前,科學家們使用了計數散發自物體的光子數量,以協助確定其位置的「定位」技術,來挑戰上述極限。

於先前的研究中,Schuck及分子鑄造所(美國能源部奈米級科學研究中心)的同僚們設計了,旨在以奈米級方式捕捉、過濾及操控光的蝴蝶結形電漿子設備。此些奈米色彩區分設備充當了,於細微空間中,將光區分並聚集成渴望之色彩或能量組的天線(antennae)。就濾光器及偵測器而言,這是至關重要的。

柏克萊實驗室分子鑄造廠的科學家已經開發出一種網頁成像工具包,供研究人員在研究電漿子和光子結構時使用。這種開放源碼軟體可在http://www.nanohub.org下載

該最近的進展中,Schuck及其柏克萊國家實驗室的團隊使用了創新的造影概念,以奈米級解析度來視覺化出自上述設備的電漿子場。藉由造影來自蝴蝶結形設備中的金螢光及使收集自該種設備的光子數量達最大限度,該團隊能查明彼此相距僅幾奈米之電漿子振盪模(plasmonic modes:導致光共振的電荷振盪)的位置。

Schuck宣稱:「他們懷疑過,是否有利用早已存在其蝴蝶結形電漿子設備中的光,來探索電漿子場及充當信息(reporter)的方法。他們的方法對於諸如細微的結構瑕疵(structural flaws)或尺寸效應(size effects)等體系中的缺陷也是敏感的,這顯示他們能利用此方法,來衡量電漿子設備在研究及開發裝置上的性能。」

與Schuck的實驗性發現並行,分子鑄造所的Jeff Neaton及該所研究生Alex McLeod開發了,以網路為基礎的成套工具(toolkit)。旨在使用美國麻省理工學院所開發的開放式資源軟體,來確認電漿子設備的影像。就該項研究而言,此些研究人員模擬了調整成雙之蝴蝶結形天線的結構達幾奈米,來研究改變電漿子天線的大小及對稱性,如何影響其諸多光學屬性。

McLeod宣稱:「藉由改變它們的結構僅達幾奈米,他們能以顯著的確定性及可預期性,將光聚集於該種蝴蝶結形天線內的不同位置上。該研究證實,就如同他們的模擬預期,此些奈米級光學天線與光產生共振。」

上述的成套工具,對研究電漿子及光子結構的研究人員而言是有助益的,因為於nanoHUB上將可資下載。nanoHUB是透過美國國家科學基金會計算奈米技術網路(the National Science Foundation`s Network for Computational Nanotechnology)所創設之奈米科學暨技術的計算資源。

一篇報告該標題為「經由光子局部化顯微鏡技術之奈米級電漿子場分佈的非擾亂性視覺化」(Non-perturbative visualization of nanoscale plasmonic field distributions via photon localization microscopy)的論文,發表於《物理評論記事》(Physical Review Letters)期刊。與Schuck、McLeod及Neaton合撰該論文的是,Alexander Wargioni、Zhaoyu Zhang、Scott Dhuey、Bruce Harteneck及Stefano Cabrini。

該於分子鑄造所的研究,部分是由美國能源部科學局(DOE`s Office of Science)所資助。而美國國家科學基金會也透過計算奈米技術網路提供資助。

原文網址:http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2011/02/03/plasmonic-nanofields-into-focus/

翻譯:peregrine

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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