粒子跑再快也拍得到!超高速光學顯微影像技術

研究移動快速的細胞、病毒、細菌時,為了讓顯微鏡底下的世界看得更快更清楚,中研院原子與分子科學研究所的謝佳龍助研究員,與團隊一起研發每秒可拍五十萬張影像的光學顯微技術。
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本文獲合作媒體 研之有物 授權轉載。執行編輯|林婷嫻,美術編輯|張語辰。

超高速光學顯微鏡,有影片有真相

動體視力對於運動員很重要,而研究移動快速的細胞、病毒、細菌時,為了讓顯微鏡底下的世界看得更快更清楚,中研院原子與分子科學研究所的謝佳龍助研究員,與團隊一起研發每秒可拍五十萬張影像的光學顯微技術,有助科學家在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象。

謝佳龍團隊集結光電、生物、材料專家,研發過程不斷思考「超高速光學顯微影像技術」應用於跨領域的可能性。 攝影│張語辰

超高速光學顯微鏡,追求速度與激清

2014 年諾貝爾化學獎,頒發給「超解析螢光顯微鏡」的發明團隊,當科學家得以在奈米尺度看見生命中最小「元件」運作時,例如細胞、病毒、細菌,就能發現傳統顯微技術無法察覺到的生物現象。

看見各領域都想辦法為生物科學、醫學盡一份力,改善人類的健康,電機和光電工程背景的謝佳龍受到啟發。

我一直在尋找有什麼光學技術既簡單又可靠,而且影響力還能超越光學領域。

謝佳龍運用光學專業,改良廣泛使用的傳統明場 ( brightfield ) 顯微鏡,和團隊一起研發 COBRI 顯微鏡,可觀察奈米尺度單粒子在三度空間的高速運動。

COBRI 顯微鏡的核心概念是採用雷射作為光源,取代傳統的白熾燈,再透過干涉的方法,偵測線性散射 ( linear scattering ) 光訊號。當一個粒子的折射率和周圍環境不同時,在光的照射下便會將部分的光散射,運用這個特性就可以量測被觀察的粒子位於何處、又移到動哪裡。

當雷射光通過層層關卡穿透樣品後,會產生 COBRI 訊號和激發螢光訊號,並各自投影到高速 CMOS 相機和 EMCCD 相機。 資料來源│Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells 圖說改編│林婷嫻、張語辰
超高速光學顯微鏡全貌:這是謝佳龍團隊大幅優化的第二代版本,並同時紀錄傳統的螢光標籤影像以利比較。 攝影│張語辰
超高速光學顯微鏡局部:雷射光會先穿過 SM 、AOD 、層層透鏡後,再前往樣本放置台。 攝影│張語辰

追蹤拍攝單粒子時,「快狠準」是最重要的。謝佳龍團隊不斷改進顯微鏡的時間和空間解析度,一開始只想做到每秒拍幾千張影像,但慢慢地團隊越來越貪心,不斷試著超越極限。

目前實作中以一個 20 奈米直徑的金粒子為例,每秒可超高速拍攝五十萬張影像,並將金粒子的中心位置做到準確度 2 奈米的定位。

「要是我們可以做到……就好了」每次我向團隊說出更難的提議時,大家會崩潰吶喊「怎麼可能!」,但現在回頭看,過去不可能的事都是有可能的。

什麼東西跑得快?就決定觀察你了,病毒!

超高速光學顯微鏡,開啟許多過去無法進行的單分子生物研究。在中研院分子生物研究所的張雯博士的協助與建議下,謝佳龍團隊著手觀測牛痘病毒顆粒著陸在細胞表面上的高速運動。

生物學家們可以透過實驗了解病毒降落在細胞後會「發生什麼」,但無法直接看到「怎麼發生」,不知道病毒在過程中做了哪些奇怪的行為。

一開始,謝佳龍團隊在實驗室等了一整個下午,病毒都沒有掉到要觀測的細胞樣本上,比向月老求姻緣更難預測病毒降落細胞表面的時機。後來團隊成員黃逸帆想到一個方式突破困境,各位觀眾,請見下圖。

黃逸帆將牛痘病毒粒子裝在極細的玻璃管中,並將玻璃管移至細胞樣本上方,就能在局部釋放出病毒粒子,提高病毒接觸到細胞表面的機率。 攝影│張語辰

謝佳龍團隊透過超高速光學顯微鏡看見:當牛痘病毒粒子附著到細胞膜之後,一秒內便被侷限在幾百奈米的範圍中,並在微秒時間尺度下,做非常高速的橫向擴散運動(擴散係數〜1μm2/s)。影像紀錄的 3D 空間精準度 <3 nm,時間解析度高達每秒 100,000 幀。

超高速光學顯微鏡下,牛痘病毒於細胞表面著陸移動軌跡(擴散係數〜1μm2 / s),圖中所有數據皆以 5 kHz 記錄。 資料來源│Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells 圖說改編│林婷嫻、張語辰

我們看見病毒掉到細胞膜之後,在細胞膜上非常快速的擴散運動 ( diffusion ),短暫地跟一些區域互動,最後找到一個區域停留,這是在我們觀察之前沒有人知道的。

觀測奈米尺度的活體現象,意義是?

以病毒為例,當病毒要入侵宿主細胞時,它如何遊走、它會不會進入細胞,跟病毒如何辨識細胞表面受體很有關連。雖然傳統分子生物實驗方法可以間接推測其關連性,但超高速光學顯微鏡能為整個過程提供第一手直接證據,有畫面有真相。

另外,超高速光學顯微鏡是在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象,也能協助科學家檢驗傳統螢光標記的觀測方式,有沒有影響活體樣本原本的行為。

每個人都會有夢想,而對於打造出超高速光學顯微鏡的男人而言,謝佳龍希望能應用清楚看見奈米粒子高速運動的特性,協助找出健康問題的解決方案,例如細菌感染、腸病毒、登革熱病毒、或神經細胞的特定狀況。

儘管距離實現夢想還有一段路要走,但是謝佳龍想了想,很有自信地說:

只要朝對的方向走,再慢也會到達目的地。

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【影音】老不一定要孤獨—「一粒麥子基金會多功能日照中心」,重新找回偏鄉長者對生活的熱忱與重心

「我還是會老,但不會孤獨老。」不讓老和孤獨劃上等號,是許多人的盼望,也是一粒麥子基金會「多功能日照中心」的任務。
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Photo Credit:一粒麥子基金會
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你認為「老」是什麼樣子?是一個明確的年齡界線?還是進入某一種身心狀態?即將邁入知命之年的創業家暨網路紅人「我是崴爺」,以及才剛過而立之年的知名電視主持人蔡尚樺,各自從自己的性別與年齡探討對於「老」的想像。

走到「老」的生命階段是幸運的,這意味著老天願意多給我們一些時日,品嚐晚年的生活滋味;同時「老」也有屬於它這個階段的考驗與精彩,不只是個人的生命功課,也是周遭社區的共同學習。崴爺說起他對「老」的想像與擔憂:「對於晚年,有些人會覺得坐在輪椅上看夕陽是很祥和的畫面,對我來說卻像是恐怖片,好像除了看風景,就沒有辦法做其他事了。」蔡尚樺也說:「老讓我覺得可怕的地方在於,我的思想和靈魂還很衝,但是身體和代謝卻都變得緩慢,彷彿被禁錮在一個軀殼裡。」  

Photo Credit:TNL Brand   Studio/知名電視主持人蔡尚樺(左)、創業家暨網路紅人「我是崴爺」(右)討論對於年老的想像

不讓老和孤獨、無能為力劃上等號,不只是崴爺和尚樺的共同目標,也是一粒麥子基金會「多功能日照中心」的任務。誠如影片中一粒麥子基金會執行長林木泉所說,每一個長者都有屬於他自己的生命經驗,邁入老年並非就要拋棄自己過往的能力或興趣、成為一棵呆坐的枯木,而是猶能發揮生命力,活出每個精彩的當下。

Photo Credit:TNL Brand   Studio/一粒麥子基金會「多功能日照中心」配合長輩興趣和專長發展活動,像是木工或編織

對此,林木泉執行長向崴爺與尚樺展示了花蓮縣「光福多功能日照中心」的實地樣貌,不僅是提供生活照顧,更重要的是支持長者找回對生命的好奇與盼望;像是多功能日照中心透過木工班、編織、植栽、桌遊等活動,讓長輩重拾過往的生命經驗、為生活增添許多樂趣和色彩。此外,還須有護理、社工、營養師、物理治療師等專業人員以及在地社區青年的共同參與,才能撐起長者的晚年生活,讓「老」不孤獨,而且可以更加自主、有尊嚴地生活。

捐款支持,讓「一粒麥子多功能日照中心」在更多偏鄉社區發芽

Photo Credit:TNL Brand   Studio/一粒麥子基金會持續募集各界善款,支持偏鄉長者擁有幸福晚年