「晶格層光顯微術」可以用不到1秒時間取得一個活體影像，而且可以研究整個細胞分裂的過程（大約20幾分鐘）。圖片提供：陳壁彰。
活生生的細胞在顯微鏡下是什麼樣子？科學家今年有了重大突破。2014年10月24日《科學》（Science）期刊，封面故事是現任中央研究院應用科學中心助研究員陳壁彰，在美國諾貝爾化學獎得主Betzig實驗室所做的研究「晶格層光顯微術」（lattice light sheet microscopy）。此技術成功提昇了掃描速度，並且降低對生物樣品的光損害，可應用於單分子偵測、超分辨顯微術及活體生物細胞或胚胎發育上，具有3D空間和時間的解析能力，還可進行即時動態研究，再度改革了活體光學顯微術。
晶格層光顯微術 1秒內取得1活體影像
陳壁彰表示，光學影像技術對於了解生命科學，提供了非常多重要的信息，正所謂「眼見為憑」。隨著科技的進步，對於研究活體的影像技術來說，存在一個四角問題：要看得小、看得快、看得久、又要看的深。這項技術就是在這四角問題中取到最佳位置，降低觀測樣品的傷害性，還要有一定的觀測深度（約100 µm），去解決生物學家以前所無法解決的問題，尤其是在活體影像的範疇。（補充說明：1µm微米＝10-6公尺）
此種新研發出的光學顯微鏡，有別於世面上所看到的光學顯微鏡，在於它是用一種所謂的「晶格層光顯微術」(lattice light sheet microscopy)。通常顯微鏡是用同一個鏡頭做放光及偵測，而層光顯微鏡則是用兩個正交的鏡頭；一個鏡頭將光聚焦產生一條非常細的筆狀光源，照射在有螢光分子的生物樣品，產生螢光；另一個採用寬場成像收集螢光，使得3D高解析生物影像可經由面掃描以快速取得。
顯微鏡的速度究竟是多快呢？以一個正在做細胞分裂的細胞來說（大約 15 x 15x 10 µm3），「晶格層光顯微術」可以用不到1秒時間取得一個活體影像，而且可以研究整個細胞分裂的過程（大約20幾分鐘）。這樣快速、高解析又對樣品低傷害的顯微鏡，不只用在細胞觀察，連線蟲和果蠅的蛋都可以。
跨越十年的研究
「光學晶格」概念早在2005年時即由Betzig提出，但直到現在，「晶格層光顯微術」才得以實際應用在活體生物觀察。2011 年秋天，陳壁彰加入Betzig實驗室，Betzig當時已有電腦的理論計算結果，但還不知道如何將理論變成一個顯微鏡，甚至是生物顯微鏡。陳壁彰回憶起一開始遇到極大困難，試了很多種方法，後來給了自己最後兩個月，若做不出來就要放棄了。他每天和同事，也是本篇論文的共同作者王凱一起工作；王凱做計算，陳壁彰驗證實用上的可行性，終於在2012年秋天有了基本的架構。
產生超過100道筆狀光束 提升掃描速度
陳壁彰表示，這項技術的主要突破關鍵，就是在如何同時形成100多條筆狀的光束，來增加掃描速度，降低對生物樣品的傷害；而且要能控制每條光束的距離及形狀，這些都是靠空間光調製器（spatial light modulator，簡稱SLM)來達成。
活體研究，取得數據的速度要非常快，且對生物樣品不能有太大的光損害。「晶格層光顯微術」可以同時產生很多筆狀光束（約100多條)，這些筆狀的光形成一個類似片狀的光，沿著形成片狀的方向，做小範圍的掃描，就會形成一均勻的片狀光。陳壁彰舉例，想像觀察樣品是一個西瓜，而照射光源是一隻菜刀，西瓜的3D影像形成，就像是用菜刀將西瓜切成好幾百等分一樣；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學顯微鏡，是用點掃描的方式，速度慢，所以對活體的傷害大。
Betzig看到研究結果相當開心，大家知道所有的東西都解開了。但是Betzig接著說：「生物顯微鏡就是給生物人拿來應用的，不做生物合作，要做什麼？」於是，研究後期有一年多，陳壁彰都在做生物合作，同時也一直在加強顯微鏡的功能。這個期間，陳壁彰與世界各地三十幾組生物學家們，共同驗證了「晶格層光顯微術」的強大功能，從细胞分裂時，細胞骨架的瞬間變化，到線蟲發育的细節，都清楚呈現在論文中。
陳壁彰表示，與諾貝爾化學獎得主Betzig共同在一個實驗室研究，也受其對科學態度影響：「他讓我知道什麼是對科學的熱忱及執著，還有前贍性。」
論文發表於《Science》期刊
動態影片：顯微鏡下的活體細胞
資料來源：中央研究院應用科學中心陳壁彰助研究員
整理撰文：潘佳修
