其他

4D顯微鏡大開眼界

如果能有影片呈現細胞的內部運作,或是顯示奈米機器運轉的方式,科學家會多興奮!而新的顯微技術即將讓這些目標成真。

撰文/齊威爾 ( Ahmed H. Zewail )
翻譯/甘錫安

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4D顯微鏡大開眼界

如果能有影片呈現細胞的內部運作,或是顯示奈米機器運轉的方式,科學家會多興奮!而新的顯微技術即將讓這些目標成真。

撰文/齊威爾 ( Ahmed H. Zewail )
翻譯/甘錫安


人類的視力有其極限,我們看不見比人類頭髮(直徑小於1毫米)細很多的東西,也無法分辨速度比眼睛眨動(1/10秒)還快的動作。當然,近1000年來,光學和顯微鏡技術的長足進步,讓我們得以大大超越肉眼視力的極限,看到極為細微的影像,例如病毒的顯微影像;或是子彈打穿燈泡那千分之一秒的頻閃相片。但是如果看見呈現原子樣貌的影片,通常我們可以斷定這應該是動畫、藝術家的想像圖,或是某種模擬畫面。

近10年來,我在美國加州理工學院的研究團隊開發出新的顯微技術,可顯示原子尺度、時間短至1飛秒(10-15秒)的運動。由於這項技術可同時拍攝到時間和空間,而且是以普及的電子顯微鏡為基礎,因此我將這項技術稱為四維(4D)電子顯微技術。我們以這種技術拍攝了許多現象,包括數奈米長懸臂的振動、石墨中碳原子層在受到雷射脈衝「敲擊」後的振動,以及物質的狀態改變等。另外,我們也拍攝了蛋白質和細胞的影像。

4D電子顯微技術將可解答從材料科學到生物學等許多領域的問題,包括從原子到巨觀尺度徹底了解材料的特性、奈米和微米機電系統(NEMS和MEMS)如何運作,以及蛋白質或生物分子組合如何摺疊並變成更大的結構,這是各種活細胞運作的重要過程。另外,4D電子顯微技術還可顯示奈米結構中原子的排列方式(原子排列方式可決定新奈米材料的特性),如果時間長度可短至阿秒(10-18秒),或許還能追蹤電子在原子和分子內的移動。除了用於研究基礎科學之外,其他用途也相當廣泛,包括設計奈米機器和新型藥物等。


一切從貓咪開始


4D顯微技術這種尖端科技,雖然是以先進的雷射裝置和量子物理為基礎,但許多運作原理可由科學家100多年前開發的停格動畫攝影術加以說明。其中最重要的是1890年代法蘭西學院教授馬雷(Etienne-Jules Marey)研究快速運動時,在移動的物體和攝影感光片(或感光條)之間,放置有狹縫的旋轉圓盤,產生類似現代動畫拍攝方式的連續曝光影像。

在其他研究中,馬雷研究貓落下時如何自己將身體回正,因此能以四腳著地。在沒有東西可以依靠的狀況下,貓如何憑藉本能完成這樣的特技而不違反牛頓運動定律?貓落下和腿部揮動的總時間不到一秒鐘,如果沒有其他輔助方式,人類沒辦法看清楚整個過程。馬雷的停格快速攝影揭露了答案。貓是讓身體的前半部和後半部朝相反方向旋轉,同時先伸長腿部再縮回。高空跳傘員、舞者和太空人也必須學習類似的動作,讓身體旋轉。

另外一種頻閃攝影技術,則是以短暫的閃光捕捉發生時間極短、難以用機械快門捕捉的事件。閃光可讓偵測裝置(例如人眼或底片)暫時看見在黑暗中移動的物體。20世紀中葉,美國麻省理工學院的艾傑頓(Harold Edgerton)開發出的電子裝置,可重複產生穩定且持續僅數微秒的閃光,為頻閃攝影技術帶來大幅進步。

貓落下實驗則需要夠短的快門時間或頻閃閃光,才能將正在動作中的動物清楚拍攝下來。假設貓被放下之後0.5秒內可將身體回正,那一瞬間貓的落下速度為每秒5公尺,如果使用持續1毫秒的閃光,貓在每次曝光之際落下的距離不會超過5毫米,因運動而造成的影像模糊不會很明顯;如果要將整個過程拍成10個畫面,必須每隔50毫秒拍攝一張相片。

如果我們想觀察的不是貓而是分子,頻閃閃光應該要有多短?分子或材料結構內的許多變化可以歸因於原子移動了數埃(1埃等於10-10公尺)。要清楚呈現這類運動,空間解析度必須小於1埃。在這類變化中,原子通常以每秒1000公尺的高速移動,頻閃閃光必須短於10飛秒,影像解析度才可小於0.1埃。在1980年代,研究人員就曾使用飛秒雷射脈衝測量原子移動相關的化學程序,但是沒有拍攝原子在空間中的位置,因為可見光的波長是分子或材料中原子間距的數百倍。

高速電子很早就用來呈現原子尺度的影像(例如在電子顯微鏡中),但目標物必須固定不動,同時拍攝必須持續數微秒之久,依相機速度而定。因此,我們想拍攝的原子尺度影片必須具備電子顯微鏡的空間解析度,同時還要有飛秒等級的電子脈衝,才能「照亮」目標。這種照亮目標的電子團稱為「探測脈衝」(probe pulse)。

還有一個問題是動作的計時,也就是取得動作開始的確定時間點。如果所有探測脈衝都是在動作開始之前或結束之後才拍攝,當然不可能拍到可用的影像。拍攝貓的動作時,機器通常是從釋放貓咪的那一瞬間開始動作;以超快速拍攝時,則得使用稱為計時脈衝(clocking pulse)的飛秒起始脈衝觸發對材料或程序的探測過程。

即使探測脈衝和計時都在掌握之中,另外還有同步問題存在。典型的超快實驗在這方面和貓落下實驗有相當大的差異。如果一切都依照計畫順利進行,馬雷只需拋下一隻貓咪,而且只需一次就可完成實驗。即使連續曝光的起始點比釋放貓咪略慢,比如說差距5、10或17微秒,其實沒有什麼差別。但是,超快顯微技術可能需要在每次計時脈衝中,探測數百萬個原子或分子,或是重複實驗數千次再組合成完整影像。想像一下,如果馬雷每次放下貓咪時,只能拍攝整個畫面中的一長條垂直部份,他會怎麼做?為了將一連串部份畫面組合成完整的貓落下相片,他必須重複進行實驗,每次拍下位置略有差異的長條垂直畫面。要將這麼多長條畫面正確組合成有意義的完整影像,必須每次都以相同的初始狀態拋下貓,並且每次都仔細讓釋放動作和快門開啟以相同的方式同步運作(這項技術還有一個條件,就是貓的動作必須每次都相同,我想在這方面,分子應該會比貓穩定一點)。

初始狀態的長度精確性必須達到貓體型的數分之一,時間同步的精確性則必須小於快門開啟的時間。同樣的,在原子或分子的超快攝影中,初始狀態的解析度必須低於1埃,計時和探測脈衝彼此時間差的精確度則必須低於飛秒。探測脈衝相對於計時脈衝的時間調整,是沿著一條長度可調整的路徑,送出兩種脈衝的其中之一所得到的(以距離差距造成時間的差距)。對於以光速行進的脈衝而言,要以1微米的精確度來設定路徑長度,對計時而言,相當於3.3飛秒的精確度。

我們還有一個基本問題必須克服,才能以電子拍攝影片。電子和光子不同,電子帶電而彼此互相推斥,將許多電子擠壓成脈衝,會破壞時間和空間解析度,因為電子的斥力會使脈衝分崩離析。1980年代,德國柏林科技大學的波斯坦喬格羅(Oleg Bostanjoglo)以僅有一億個電子的脈衝拍攝影像,但解析度不超過奈秒和微米(美國勞倫斯利佛摩國家實驗室的研究人員後來大幅改良到次微米等級)。

我的研究團則隊運用先前的超快電子繞射研究成果,開發出單一電子攝影技術,完成了這個挑戰。每個探測脈衝僅有一個電子,在拍成的影片中只會形成一個小光點。但由於每個脈衝的計時都相當精準,同時具有「同調性」,因此許多光點可以組合成完整的物體影像。同調性會造成一項代表量子力學怪異性的現象:一個電子同時穿過兩個狹縫,然後在偵測螢幕上的任意位置形成單一光點,但是所有光點組合成干涉波特有的明暗條紋圖形,是可以預測的。

單一電子成像是4D超快電子顯微鏡(UEM)的重要關鍵。現在我們已能拍攝分子和材料對各種狀況的反應,就好像許多驚慌失措的貓在空中扭動。


奈米材料解密


我們的第一個目標是石墨,也就是鉛筆中的「鉛」。我們選擇石墨的理由之一是它相當特別,可做為核反應器爐心等極端環境中的材料,它的「親戚」也十分特別。石墨薄膜中的碳原子排列成六角形,形成類似鐵絲網的片狀結構,石墨片之間則是靠另一種較弱的鍵結疊在一起。用鉛筆寫字時,就是使石墨碎片落下,附著在紙上形成筆畫。鉛筆筆畫中由單一碳原子層構成的石墨薄膜,是目前科學界已知強度最大的材料。研究人員正在努力研究石墨薄膜在電子技術上的多項應用。除此之外,柔軟的石墨受到極大的壓力時,原子會重新排列,形成目前已知最堅硬的物質:鑽石。

為了研究石墨受到機械衝擊時的反應,我們使用它的奈米晶體(有些晶體厚度僅數奈米,只有數層原子),以高能量飛秒雷射脈衝照射,同時當做顯微鏡的計時脈衝。每個雷射脈衝可將石墨的原子層暫時壓擠在一起,使它上下振盪(參見左頁〈奈米世界的羅塞塔石碑〉)。我們的電子顯微鏡使電子穿過振盪的石墨層,產生兩種影像:真實空間影像(石墨表面的照片)和繞射圖形,繞射圖形是一群規則的點,其精確的組態可提供石墨晶格中原子排列和間隔的資料。另外,我們還可由繞射圖形中的點移動,追蹤碳原子層的上下振盪。振盪頻率大約為100~1000億赫茲(每秒1010~1011次)。以往沒有任何成像實驗曾經在一段時間內,觀察到頻率如此高的振動。

根據測量結果,我們得出石墨在垂直於碳原子平面方向上的彈性,也就是材料受到這個方向的壓縮或拉伸力時出現的反應。我們可以將石墨晶體想像成一疊強固的金屬片,片與片間以彈簧連接,雷射脈衝就是一把鎚子,敲擊最上面的金屬片。我們測量的就是彈簧的特性。

如果我們將「相機鏡頭」拉得非常近,這個金屬片比喻會很合理。不過如果鏡頭向後拉,就可看到更多細小的石墨晶體。現在,鎚子敲打的是最上層金屬片的一小塊區域,金屬片看起來會變得有彈性,壓縮和擴展的現象,像是波一般由敲打點向外傳播。

如果將鏡頭再向後拉,用更慢的速度拍攝影像,則會看到另一種狀況。這時會看到雷射脈衝使整個奈米薄層晶體產生振動,就像鼓皮被鼓棒打到一樣。我們可以看到,在雷射脈衝打下後的最初數微秒,晶體的運動明顯相當混亂,但經過一段時間後,整個晶體會逐漸穩定下來,形成一致的共振,就像鼓膜一樣上下振盪!

就這些振盪而言,決定共振頻率的材料特性是石墨平面的彈性,也就是平面受到拉伸或壓縮的反應。我們發現,石墨的碳原子平面抵抗變形的能力,比各平面對抗分裂或壓擠的能力強上許多。我們可以藉由每個六角形排列碳原子層內的化學鍵結比相鄰平面之間的鍵結強上許多,來解釋這樣的結果。

雖然這個結果和研究大量石墨樣本所得到的石墨彈性資料相當類似,但我們所得到的資料更多。它解答了我們想了解材料在奈米尺度下的行為時,必須先弄清楚的兩種基本問題:第一,這種以連續材料和彈性等特性描述物質的方式,在什麼尺度下會失效?第二,我們是否能由原子尺度的長度和時間行為,推測出材料巨觀時已知的特性?就石墨而言,我們發現即使是相當微小的樣本(厚度僅數十個原子),其特性也和巨觀材料很接近。在接近石墨薄膜的大小時,這種描述是否仍然成立?

目前為止我提到的石墨影片,都是利用探測電子去碰撞樣本所拍攝而來,而且電子在過程中沒有能量損失,就像橡皮球碰到堅硬物體的反彈一樣。不過探測電子有時會激發碳原子中的電子而損失了能量,能量損失程度則取決於原子中的電子處於何種鍵結。有個歷史悠久的「電子能量損失光譜學」可用來測量這類損失,測得的能量光譜可以提供材料內鍵結和材料元素的資料。這種技術搭配我們的超快電子顯微鏡,顯示出在壓縮過程中,石墨內的鍵結變得比較類似鑽石的鍵結。而在擴大過程中,表面原子間的鍵結變得類似接近石墨薄膜。傳統的電子能量損失光譜學速度太慢,無法觀察到這些變化。


從懸臂到細胞


我的研究團隊也對石墨以外的數種材料進行4D顯微攝影。我們拍攝鐵的繞射影像,觀察晶體結構由體心立方變成面心立方的過程,這種過程會在煉鋼等許多高溫工業應用中出現。我們也在1奈秒內將鐵由室溫加熱到1500K,觀察兩個動態過程。首先,由於鐵原子的不同調運動,零星的面心立方相開始在晶體中慢慢(以奈秒的時間尺度而言)出現(或成核)。接著,這些新的區域以音速逐漸擴大,表示這個過程只花數皮秒(10-12秒)就滿佈整塊灼熱的鐵。這種快速的擴散變化是無數原子以有秩序的方式變換位置,無數細小的奈米尺度運動,在晶體內突然發生大規模變化。了解這種現象之後,我們或許就可知道在工業過程中如何處理鐵和鋼(以及其他許多材料)。

4D超快顯微鏡最強大的用途之一,是即時觀察奈米系統和微米系統的運作狀況。舉例來說,我們拍攝到奈米尺度懸臂的共振頻率之高,是科學界從來沒有拍攝過。我們依據所得的結果得知數項描述懸臂材料特性和運動的數值,同時我們還發現這種懸臂可同調運作近1011次振盪。研究人員可運用這些資料來測試理論模型,做為NEMS和NEMS設計時的參考,進而開發出新型相關裝置或用途。

4D成像技術和超高速電子顯微鏡也可運用在生物學上。為了完全了解人體運作,研究人員不只需要知道各種蛋白質和其他分子的構造以及細胞結構,還必須了解它們的動態,也就是蛋白質如何摺疊,以及水在其中扮演的角色等。有些生物功能往往發生得極快,舉例來說,人類的視覺和植物的光合作用都是以光子觸發的飛秒尺度程序。雖然許多蛋白質功能正常與失常運作時,時間都比飛秒慢上許多,但最初數飛秒間的原子和分子運動,往往能決定這些巨分子最後是否能摺疊成有用的結構,或是成為導致阿茲海默症的結構。

我們的一個蛋白質摺疊研究,說明了所需的技術以及可能得到的結果。我和同事將裝有一小段蛋白質的水加熱之後,研究這一段蛋白質折疊成螺旋(許多種蛋白質都具有這種螺旋結構)的速度有多快,也就是所謂的超快溫度跳變(ultrafast temperature jump)。我們發現,短螺旋的形成速度比研究人員原先的預估快上1000倍,可在數百皮秒到數奈秒之間形成,而非一般猜測的數微秒。了解如此快速的摺疊過程,或許可讓我們進一步了解許多生化過程,包括與疾病有關的過程。

使用我們開發的4D超快顯微技術拍攝生物程序時,通常必須依靠一項已經相當成熟的低溫電子顯微技術。這種技術是將浸在水中的樣本很快放入液態乙烷(沸點為-89℃),水凍結成平滑的固體,不會像冰塊晶體一樣折射電子並破壞影像(與樣本)。我們使用這種方式拍攝到了細菌和蛋白質晶體的影像,未來則希望觀察到蛋白質在這種玻璃般水中的摺疊和展開:計時脈衝可提高水溫,融化蛋白質周圍少量的水,使蛋白質展開後很快又重新摺疊起來。水溫降低重新結冰後,分子又可接受下一次計時脈衝照射。這種方式還可讓我們拍攝到細菌鞭毛與細胞膜的雙層脂膜的動態。和我們研究石墨時一樣,超快電子能量損失光譜學也可協助我們觀察鍵結的變化,在生物系統移動或分裂前拍攝,應該可以拍攝到比目前低溫顯微技術更清楚的影像。

各種超快電子顯微技術或許可將結構動態的研究推進到奈米尺度以下,同時將物質中的電子分佈攝影時間推進到飛秒以下。我在加州理工學院的研究團隊,最近展示了兩項新技術。「收斂光束UEM」是將電子脈衝加以聚焦,只觀測樣本中的單一奈米位置。另一項技術「近場UEM」則是以高能量雷射脈衝在奈米尺度結構中形成短暫的電磁波(電漿子),藉以拍攝影像,這種現象正是另一種新技術電漿子光學的基礎(請參見2007年5月號〈電漿子光明之路〉)。這項技術可產生解析度高達飛秒和奈米尺度的細菌細胞膜與蛋白質囊泡的影像。

近幾年來,德國盧特維格–麥西米連大學的克勞茲(Ferenc Krausz)、加拿大渥太華大學的庫爾肯(Paul Corkum)等,運用極短的雷射脈衝,將光學研究帶入阿秒領域。在加州理工學院,我們已經提出數項超快電子顯微技術方案,運用在阿秒尺度的電子來攝影。另外,我們準備與內布拉斯加大學林肯校區的貝特藍恩(Herman Batelaan)合作進行一項實驗。

電子顯微技術功能十分強大,用途也相當廣泛。它能以三種不同的方式運作:真實空間影像、繞射圖形和能量光譜。它的應用範圍從材料與礦物學,到奈米科技與生物學,能極為清楚地呈現靜態結構。整合第四個維度「時間」之後,我們將可使靜態畫面變成影片,用於觀察物質(從原子到細胞)在特定時間內的行為。


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