Page 15 - Science Focus (Issue 017)
P. 15

當人 們 提 到「 鐳 射 」（light amplification by                在這麼多的應用中，對於醫藥發展最重要的是光學鑷
        stimulated emission of radiation/LASER），第一個從          子在光譜學上的應用。光學鑷子與拉曼光譜學（Raman
        你腦海中浮現的畫面會是什麼呢？是電影《星球大戰》中                             spectroscopy）的結合運用是可以用來辨別一個細胞是健
        的武器鐳射槍，抑或是它在掃描機、光學通訊、光碟播放                             康抑或是病變的；而拉曼光譜學本身一種用以研究分子和
        器等生活中的應用呢？這項我們已經在生活中習以為常                              晶格的振動、旋轉模式的一種分光技術。科學家們稱這種結
        的技術，卻使得三位傑出的物理學家榮獲 2018 年的諾貝                          合的技術為拉曼鑷子（Raman tweezers）或是鐳射鑷子拉
        爾物理學獎，分別是：來自美國貝爾實驗室（Nokia Bell                        曼光譜學（laser tweezers Raman spectroscopy/LTRS）。
        Labs）的 Arthur Ashkin、來自法國巴黎綜合理工學院
        (École Polytechnique) 的 Gérard Mourou  以 及 來 自            物 理 學 家 Aseefhali Bankapur  等 人 藉 由 拉 曼 鑷
        加拿大滑鐵盧大學（University of Waterloo）的 Donna               子研究單個的活紅血球與白血球。他們利用高度聚焦
        Strickland。其中，本文便要介紹由 Arthur Ashkin 所發                且近紅外線波長（1064 奈米）的鐳射來捕捉單一細胞，
        明的「光學鑷子」（又稱光鉗）。                                       並使用 785 奈米的光束來達成約幾個毫瓦的入射光功
                                                              率 以 達 成 拉 曼 激 發（Raman excitation）。透 過 使 用
            光學鑷子是一個藉由高度聚焦光源來進行光學捕捉                            高 敏 感 度 的 雙 波長 分 光 光 度 計（double-wavelength
        （optical trapping），操縱眾多微米及奈米級材料的工具。                   spectrophotometer），研究人員成功紀錄紅血球獨有的
        它利用光的輻射壓力，進而產生力來移動微小的透明物體。                            拉曼光譜；而合理地，光譜中的一些訊號來自血紅蛋白。同
        藉由這樣的操作，科學家得以移動微米、奈米等級的細胞及                            一項技術亦被用於分析白血球，包括顆粒球和淋巴球。同樣
        其構成分子。技術層面來說，在操作一些超過光學鑷子可                             地，研究人員亦取得了它們特有的振動光譜，當中的訊號源
        捕捉的波長範圍外的球形粒子時，科學家們會將光學鉗子                             自它們的蛋白質和核酸。那樣，這項研究的重要性在哪？原
        的力一分為二，分別為與光強度梯度成正比的梯度力和正                             來血球的形狀和內含物都會隨著血球受損或受壓（under
        比於光強度的分散力。雖然後者對於捕捉是有害的，但它                             stress）時改變，拉曼鑷子能偵測這些改變的能力因此使其
        卻是光學操作及鐳射冷卻最基本的力。另一個挑戰在於物                             可以準確地診斷出血球異常的情況。
        體的形狀不是球形的情況，而最終光學捕捉是否成功取決
        於物體的形狀和成分。雖然有著這些障礙，科學家們不但                                 藉由這篇文章，我希望你能欣賞到：就算是一個足以獲
        一一克服了，更將其應用於納米科技、生物學、物理上的隨                            得諾貝爾物理學獎殊榮的技術，也同樣能為其他領域帶來
        機熱動力學、光譜學、卡西米爾力（Casimir force）以及活                     巨大的影響。在這例子中，光學鑷子為生物學家帶來了一個
        潑物質（active matter）。                                   寶貴的工具，使他們能以前所未有的方式分析細胞。你還
                                                              想到其他例子嗎？
























        References  參考資料：
        [1]  Bankapur, A., Zachariah, E., Chidangil, S., Valiathan,
           M., & Mathur, D. (2010). Raman tweezers spectroscopy of live, single red and white blood cells. PLoS one, 5(4), e10427.
        [2] Chan, J. W. (2013). Recent advances in laser tweezers  Raman spectroscopy (LTRS) for label-free analysis of single cells. J
           ournal of biophotonics, 6(1), 36-48.
        [3] LaFratta, C. N. (2013). Optical tweezers for medical diagnostics. Analytical and bioanalytical chemistry, 405(17), 5671-5677.
        [4] Navas-Moreno, M., & Chan, J. W. (2018). Laser Tweezers Raman Microspectroscopy of Single Cells and Biological Particles. In Cellular
           Heterogeneity (pp. 219-257). Humana Press, New York, NY.
        [5] Polimeno, P., Magazzu, A., Iati, M. A., Patti, F., Saija, R., Boschi, C. D. E., ... & Marago, O. M. (2018). Optical tweezers and their applications.
           Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 218, 131-150.
                                                                                                                13
   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20