資訊科技

袖珍水族箱看奈米水世界

新式液態樣本槽能讓電子顯微鏡下的生物樣本不再乾巴巴,還可直接取樣。

撰文/張平

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袖珍水族箱看奈米水世界

新式液態樣本槽能讓電子顯微鏡下的生物樣本不再乾巴巴,還可直接取樣。

撰文/張平

電子顯微鏡可看到奈米尺度的高解析度影像,但是電子束無法穿透氣體(更別說液體了),必須在真空中觀察樣本。若要觀察微生物,在樣本製備上可要下點功夫,因為真空環境中最怕遇到水,所有生物樣本必須經過處理(包埋、乾燥或冷凍)才能放進電子顯微鏡,於是我們看到的是高解析度的「微生物木乃伊」。這相較於在自然環境(通常含水)中觀察微生物,畢竟少了點「原汁原味」的感覺。

有沒有辦法製作出一個微型的水族箱,來把活生生的微生物放進電子顯微鏡觀察?清華大學材料工程學系教授游萃蓉和博士生劉國良突發奇想,研發出一種液態樣本槽。他們注入含有大腸桿菌的液態樣本,在照完電子顯微鏡之後,大腸桿菌表現出還具有代謝作用。

這個微型水族箱稱為「K-kit」,採用微機電系統的技術製成,也就是以半導體製造出微型的機械結構,利用兩小片矽晶片做為樣本槽,中間夾持大約高度5微米(10-6公尺)的液態樣本,周圍用AB膠密封。兩片矽晶片背面的中央都已經事先開口到剩下10奈米(10-9公尺)厚的玻璃觀測窗,適合穿透式電子顯微鏡觀察,整個K-kit晶片各邊長都小於1.5毫米(10-3公尺)。

完成基礎製備之後,清華大學與國家衛生研究院奈米醫學中心、閤康生物科技公司合作,進一步開發K-kit在生醫與工業的應用。例如,首度直接定量觀察血液中的奈米藥物,不需先與血液分離;觀察食品、化妝品、藥劑等產品內含奈米顆粒的種類、形貌、濃度和分佈情形,可用於檢驗防曬乳中防曬顆粒的粒徑分佈、添加碳酸鈣的營養飲品其顆粒是否分散均勻等。相關研究成果發表於2008年《實驗室晶片》(Lab-on-a-chip)期刊、2012年《分析化學》(Analytical Chemistry)期刊,此項技術也獲得2014年國家發明創作獎銀牌。

液態樣本的奈米尺度影像,向來就是高難度挑戰。早期國際間研究偏向修改電子顯微鏡的真空系統,曠日廢時,僅能做研究用,而在樣本製備技術上,目前國際間大多採用複雜的微流體系統,難以普及。K-kit具有直接取樣的便利性,藉由毛細作用,直接把液體吸入樣本槽中,製備過程簡單快速、成本低。

不過,因為樣本是液體加上具有觀測窗,樣本槽具一定厚度,影像的對比度與解析度也相對受限。目前第二代K-kit的液態樣本高度已降低至200奈米,影像更加清晰,並且有乾式與濕式模式,未來將持續發展更多觀測模式。