观察鲜活生物细胞的重大革新：晶格层光显微术

「晶格层光显微术」可以用不到1秒时间取得一个活体影像，而且可以研究整个细胞分裂的过程（大约20几分钟）。图片提供：陈壁彰。

（神秘的地球报道）据美国国家地理（整理撰文：潘佳修）：活生生的细胞在显微镜下是什麼样子？科学家今年有了重大突破。2014年10月24日《科学》（Science）期刊，封面故事是现任中央研究院应用科学中心助研究员陈壁彰，在美国诺贝尔化学奖得主Betzig实验室所做的研究「晶格层光显微术」（lattice light sheet microscopy）。此技术成功提昇了扫描速度，并且降低对生物样品的光损害，可应用於单分子侦测、超分辨显微术及活体生物细胞或胚胎发育上，具有3D空间和时间的解析能力，还可进行即时动态研究，再度改革了活体光学显微术。

晶格层光显微术 1秒内取得1活体影像

陈壁彰表示，光学影像技术对於了解生命科学，提供了非常多重要的信息，正所谓「眼见為凭」。随著科技的进步，对於研究活体的影像技术来说，存在一个四角问题：要看得小、看得快、看得久、又要看的深。这项技术就是在这四角问题中取到最佳位置，降低观测样品的伤害性，还要有一定的观测深度（约100 µm），去解决生物学家以前所无法解决的问题，尤其是在活体影像的范畴。（补充说明：µm是长度单位微米(Micrometre)，1微米=1米的百万分之一（10-6））

此种新研发出的光学显微镜，有别於世面上所看到的光学显微镜，在於它是用一种所谓的「晶格层光显微术」(lattice light sheet microscopy)。通常显微镜是用同一个镜头做放光及侦测，而层光显微镜则是用两个正交的镜头；一个镜头将光聚焦產生一条非常细的笔状光源，照射在有萤光分子的生物样品，產生萤光；另一个採用宽场成像收集萤光，使得3D高解析生物影像可经由面扫描以快速取得。

显微镜的速度究竟是多快呢？以一个正在做细胞分裂的细胞来说（大约 15 x 15x 10 µm3），「晶格层光显微术」可以用不到1秒时间取得一个活体影像，而且可以研究整个细胞分裂的过程（大约20几分鐘）。这样快速、高解析又对样品低伤害的显微镜，不只用在细胞观察，连线虫和果蝇的蛋都可以。

跨越十年的研究

「光学晶格」概念早在2005年时即由Betzig提出，但直到现在，「晶格层光显微术」才得以实际应用在活体生物观察。2011 年秋天，陈壁彰加入Betzig实验室，Betzig当时已有电脑的理论计算结果，但还不知道如何将理论变成一个显微镜，甚至是生物显微镜。陈壁彰回忆起一开始遇到极大困难，试了很多种方法，后来给了自己最后两个月，若做不出来就要放弃了。他每天和同事，也是本篇论文的共同作者王凯一起工作；王凯做计算，陈壁彰验证实用上的可行性，终於在2012年秋天有了基本的架构。

產生超过100道笔状光束 提升扫描速度

陈壁彰表示，这项技术的主要突破关键，就是在如何同时形成100多条笔状的光束，来增加扫描速度，降低对生物样品的伤害；而且要能控制每条光束的距离及形状，这些都是靠空间光调製器（spatial light modulator，简称SLM)来达成。

活体研究，取得数据的速度要非常快，且对生物样品不能有太大的光损害。「晶格层光显微术」可以同时產生很多笔状光束（约100多条)，这些笔状的光形成一个类似片状的光，沿著形成片状的方向，做小范围的扫描，就会形成一均匀的片状光。陈壁彰举例，想像观察样品是一个西瓜，而照射光源是一隻菜刀，西瓜的3D影像形成，就像是用菜刀将西瓜切成好几百等分一样；切得愈薄，所得到的緃向解析度愈高。一般市面上所看到的光学显微镜，是用点扫描的方式，速度慢，所以对活体的伤害大。

Betzig看到研究结果相当开心，大家知道所有的东西都解开了。但是Betzig接著说：「生物显微镜就是给生物人拿来应用的，不做生物合作，要做什麼？」於是，研究后期有一年多，陈壁彰都在做生物合作，同时也一直在加强显微镜的功能。这个期间，陈壁彰与世界各地三十几组生物学家们，共同验证了「晶格层光显微术」的强大功能，从细胞分裂时，细胞骨架的瞬间变化，到线虫发育的细节，都清楚呈现在论文中。

陈壁彰表示，与诺贝尔化学奖得主Betzig共同在一个实验室研究，也受其对科学态度影响：「他让我知道什麼是对科学的热忱及执著，还有前赡性。」

论文发表於《Science》期刊

动态影片：显微镜下的活体细胞

资料来源：中央研究院应用科学中心陈壁彰助研究员