2016年8月18日

光聲顯微鏡─聽出微觀的生命世界

作者李思宇1991 年高雄出生,2013獲得臺大電機學士,2015 獲得臺大光電碩士,指導老師為孫啟光教授,研究興趣為生醫光電。2016 後即將赴美攻讀哈佛暨麻省理工醫療工程博士。


自從17 世紀英國科學家羅伯虎克(Robert Hooke)以簡單的透鏡組,自製出實用的光學顯微鏡,並出版《微物圖誌》(Micrographia),分享光學顯微鏡視野下的多種原生動物和細菌結構,人類開始有系統的認識這個微觀的生命世界。但好奇心似乎永無止境,不只希望看到更多,也希望看到更小。隨著人類生命科技以及醫療的發展,從純粹生命科學上針對各種的細胞構造、行為、功能的觀察,到醫療臨床診斷的用途上,不同種類的顯微鏡因而應運而生。


簡單來說,我們「看」得到東西,代表這個東西要有對比,能夠和環境區分開來,顯微鏡下的世界也是一樣,待觀察物必須先具備對比,才能從背景中凸顯出來。另外,空間解析度越高的顯微鏡,越能看清楚微小尺度的目標。空間解析度可分成平面方向上的橫向解析度(Transverse resolution,垂直於光線傳遞的方向)以及縱軸方向上的軸向解析度(Axial resolution,平行於光線傳遞的方向),前者定義了顯微鏡在同一個平面上分辨鄰近物體的能力,後者則定義了顯微鏡分辨物體深淺層的能力,而具備高軸向解析度的顯微鏡,則是顯微鏡在物體立體重建(3D reconstruction)之應用的必要條件。


一般的明視野光學顯微鏡(Bright-field microscopy),具備微米等級的橫向解析度, 即可清楚的看到焦平面附近的一顆顆細胞。配合各種樣本染色技術(Exogenous contrast, 一般泛稱為外源性對比劑), 提供額外的對比專一性( 將不同物質區分開來),科學家便可以觀察其有興趣的現象。螢光顯微鏡系列的發明, 例如共軛焦顯微鏡(Confocal microscopy)、多光子顯微鏡(Multiphoton mi-croscopy)、焦平面顯微鏡(Light sheet microscopy),更達成了高軸向解析度(提供深淺分層,實現三維結構重建),甚至提升了顯微鏡的穿透深度(~1 mm),可以支援活體中細微結構影像的即時紀錄,大幅擴張了科學應用上的範圍。


然而,即便螢光顯微鏡和染色技術發展成熟,倘若染色物質或對比並不帶有螢光性質(稱為非螢光物質),各種螢光顯微鏡所使用的高解析技術便無能為力。另外,生物體本身雖然也具備許多發色團(使物質有顏色),例如血紅素、黑色素、DNA/RNA、油脂,這些發色團(Endogenous contrast,可視為內源性對比劑)並沒有足夠強的螢光性質,同樣也不能使用螢光顯微鏡來得到高解析度的活體即時影像。針對這些非螢光物質的觀察,勢必要用其他物理機制實現。


光聲效應(Photoacoustic effect)早在1880 年便被貝爾(Alexander Graham Bell)發現。在一次長距離的無線聲音傳播實驗中,貝爾觀察到:當快速遮放的光線聚焦在固體上時,便會聽到有聲音產生。雖然這物理效應很早便被知悉,但應用這種效應所實現的光聲顯微鏡(Photoacoustic microscopy), 卻於20 世紀初才開始廣泛的被重視、研究。這裡我們主要討論光聲顯微鏡在生醫診斷方面的應用。光聲顯微鏡利用雷射光作為激發光源,照射在生物體上,再透過超音波探頭來偵測產生的聲音信號。此信號產生過程和對比的螢光特性無關,所以只要生物體內的待觀測對比(不論是內源或外源對比)對激發雷射光有吸收,就可以「聽」得到生物體內的結構,並不侷限於少數內源螢光物質,甚至複雜或額外的螢光染色技術。除了較不受限制的可觀測物種類,高對比度,高延展性的觀測視野,以及高穿透深度(>1 mm),均是光聲顯微鏡相較於其他光學顯微鏡的主要優勢。由於上述優點,光聲顯微鏡非常適合用於活體觀測,生醫應用範圍廣泛,舉凡腫瘤生長過程的觀察,血管功能性造影,皮膚黑色素癌診斷,大腦即時活動功能偵測等等,都是目前重點研究項目,科學家和工程師們也正致力於把光聲顯微鏡推向實際的臨床診斷和治療。

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