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粒子跑再快也拍得到!超高速光学显微影像技术

粒子跑再快也拍得到!超高速光学显微影像技术
超高速光学显微镜,有影片有真相

动体视力对于运动员很重要,而研究移动快速的细胞、病毒、细菌时,为了让显微镜底下的世界看得更快更清楚,中研院原子与分子科学研究所的谢佳龙助研究员,与团队一起研发每秒可拍五十万张影像的光学显微技术,有助科学家在对生物系统造成最小干扰的情况下,直接观察奈米尺度的活体现象。

粒子跑再快也拍得到!超高速光学显微影像技术
谢佳龙团队集结光电、生物、材料专家,研发过程不断思考「超高速光学显微影像技术」应用于跨领域的可能性。 摄影│张语辰
超高速光学显微镜,追求速度与激清

2014 年诺贝尔化学奖,颁发给「超解析萤光显微镜」的发明团队,当科学家得以在奈米尺度看见生命中最小「元件」运作时,例如细胞、病毒、细菌,就能发现传统显微技术无法察觉到的生物现象。

看见各领域都想办法为生物科学、医学尽一份力,改善人类的健康,电机和光电工程背景的谢佳龙受到启发。

谢佳龙运用光学专业,改良广泛使用的传统明场显微镜,和团队一起研发 COBRI 显微镜,可观察奈米尺度单粒子在三度空间的高速运动。

COBRI 显微镜的核心概念是採用雷射作为光源,取代传统的白炽灯,再透过干涉的方法,侦测线性散射光讯号。当一个粒子的折射率和周围环境不同时,在光的照射下便会将部分的光散射,运用这个特性就可以量测被观察的粒子位于何处、又移到动哪里。

粒子跑再快也拍得到!超高速光学显微影像技术
当雷射光通过层层关卡穿透样品后,会产生 COBRI 讯号和激发萤光讯号,并各自投影到高速 CMOS 相机和 EMCCD 相机。 资料来源│Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells 图说改编│林婷娴、张语辰
粒子跑再快也拍得到!超高速光学显微影像技术
超高速光学显微镜全貌:这是谢佳龙团队大幅优化的第二代版本,并同时纪录传统的萤光标籤影像以利比较。 摄影│张语辰
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超高速光学显微镜局部:雷射光会先穿过 SM 、AOD 、层层透镜后,再前往样本放置台。 摄影│张语辰

追蹤拍摄单粒子时,「快狠準」是最重要的。谢佳龙团队不断改进显微镜的时间和空间解析度,一开始只想做到每秒拍几千张影像,但慢慢地团队越来越贪心,不断试着超越极限。

目前实作中以一个 20 奈米直径的金粒子为例,每秒可超高速拍摄五十万张影像,并将金粒子的中心位置做到準确度 2 奈米的定位。

什幺东西跑得快?就决定观察你了,病毒!

超高速光学显微镜,开启许多过去无法进行的单分子生物研究。在中研院分子生物研究所的张雯博士的协助与建议下,谢佳龙团队着手观测牛痘病毒颗粒着陆在细胞表面上的高速运动。

一开始,谢佳龙团队在实验室等了一整个下午,病毒都没有掉到要观测的细胞样本上,比向月老求姻缘更难预测病毒降落细胞表面的时机。后来团队成员黄逸帆想到一个方式突破困境,各位观众,请见下图。

粒子跑再快也拍得到!超高速光学显微影像技术
黄逸帆将牛痘病毒粒子装在极细的玻璃管中,并将玻璃管移至细胞样本上方,就能在局部释放出病毒粒子,提高病毒接触到细胞表面的机率。 摄影│张语辰

谢佳龙团队透过超高速光学显微镜看见:当牛痘病毒粒子附着到细胞膜之后,一秒内便被侷限在几百奈米的範围中,并在微秒时间尺度下,做非常高速的横向扩散运动。影像纪录的 3D 空间精準度 <3 nm,时间解析度高达每秒 100,000 帧。

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超高速光学显微镜下,牛痘病毒于细胞表面着陆移动轨迹,图中所有数据皆以 5 kHz 记录。 资料来源│Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells 图说改编│林婷娴、张语辰
观测奈米尺度的活体现象,意义是?

以病毒为例,当病毒要入侵宿主细胞时,它如何游走、它会不会进入细胞,跟病毒如何辨识细胞表面受体很有关连。虽然传统分子生物实验方法可以间接推测其关连性,但超高速光学显微镜能为整个过程提供第一手直接证据,有画面有真相。

另外,超高速光学显微镜是在对生物系统造成最小干扰的情况下,直接观察奈米尺度的活体现象,也能协助科学家检验传统萤光标记的观测方式,有没有影响活体样本原本的行为。

每个人都会有梦想,而对于打造出超高速光学显微镜的男人而言,谢佳龙希望能应用清楚看见奈米粒子高速运动的特性,协助找出健康问题的解决方案,例如细菌感染、肠病毒、登革热病毒、或神经细胞的特定状况。

儘管距离实现梦想还有一段路要走,但是谢佳龙想了想,很有自信地说:



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