4D電子顯微鏡的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 能拍納米影片

-四維(4D)電子顯微技術(shù)可拍攝到尺寸為納米、持續(xù)時(shí)間短至數(shù)飛秒(10-15秒)過(guò)程中的“影片”。

-這項(xiàng)技術(shù)是以在精確控制的時(shí)間下拍攝的數(shù)千張個(gè)別相片，再組合成一格畫(huà)面。

-這種技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，包括材料科學(xué)、納米科技和醫(yī)學(xué)等。

人類(lèi)的視力有其極限，我們看不見(jiàn)比人類(lèi)頭發(fā)(直徑小于1毫米)細(xì)很多的東西，也無(wú)法分辨速度比眼睛眨動(dòng)(1/10秒)還快的動(dòng)作。當(dāng)然，近1000 年來(lái)，光學(xué)和顯微鏡技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，讓我們得以大大超越肉眼視力的極限，看到極為細(xì)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(jiàn)呈現(xiàn)原子樣貌的影片，通常我們可以斷定這應(yīng)該是動(dòng)畫(huà)、藝術(shù)家的想象圖，或是某種模擬畫(huà)面。

近10年來(lái)，我在美國(guó)加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出新的顯微技術(shù)，可顯示原子尺度、時(shí)間短至1飛秒(10-15秒)的運(yùn)動(dòng)。由于這項(xiàng)技術(shù)可同時(shí)拍攝到時(shí)間和空間，而且是以普及的電子顯微鏡為基礎(chǔ)，因此我將這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為四維(4D)電子顯微技術(shù)。我們以這種技術(shù)拍攝了許多現(xiàn)象，包括數(shù)納米長(zhǎng)懸臂的振動(dòng)、石墨中碳原子層在受到激光脈沖“敲擊”后的振動(dòng)，以及物質(zhì)的狀態(tài)改變等。另外，我們也拍攝了蛋白質(zhì)和細(xì)胞的影像。

4D電子顯微技術(shù)將可解答從材料科學(xué)到生物學(xué)等許多領(lǐng)域的問(wèn)題，包括從原子到巨觀尺度徹底了解材料的特性、納米和微米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS和 MEMS)如何運(yùn)作，以及蛋白質(zhì)或生物分子組合如何折迭并變成更大的結(jié)構(gòu)，這是各種活細(xì)胞運(yùn)作的重要過(guò)程。另外，4D電子顯微技術(shù)還可顯示納米結(jié)構(gòu)中原子的排列方式(原子排列方式可決定新納米材料的特性)，如果時(shí)間長(zhǎng)度可短至阿秒(10-18秒)，或許還能追蹤電子在原子和分子內(nèi)的移動(dòng)。除了用于研究基礎(chǔ)科學(xué)之外，其它用途也相當(dāng)廣泛，包括設(shè)計(jì)納米機(jī)器和新型藥物等。

一切從貓咪開(kāi)始

4D顯微技術(shù)這種尖端科技，雖然是以先進(jìn)的雷射裝置和量子物理為基礎(chǔ)，但許多運(yùn)作原理可由科學(xué)家100多年前開(kāi)發(fā)的停格動(dòng)畫(huà)攝影術(shù)加以說(shuō)明。其中最重要的是1890年代法蘭西學(xué)院教授馬雷(尒ienne-Jules Marey)研究快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，在移動(dòng)的物體和攝影感光片(或感光條)之間，放置有狹縫的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，產(chǎn)生類(lèi)似現(xiàn)代動(dòng)畫(huà)拍攝方式的連續(xù)曝光影像。

在其它研究中，馬雷研究貓落下時(shí)如何自己將身體回正，因此能以四腳著地。在沒(méi)有東西可以依靠的狀況下，貓如何憑借本能完成這樣的特技而不違反牛頓運(yùn)動(dòng)定律？貓落下和腿部揮動(dòng)的總時(shí)間不到一秒鐘，如果沒(méi)有其它輔助方式，人類(lèi)沒(méi)辦法看清楚整個(gè)過(guò)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后半部朝相反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)先伸長(zhǎng)腿部再縮回。高空跳傘員、舞者和航天員也必須學(xué)習(xí)類(lèi)似的動(dòng)作，讓身體旋轉(zhuǎn)。

另外一種頻閃攝影技術(shù)，則是以短暫的閃光捕捉發(fā)生時(shí)間極短、難以用機(jī)械快門(mén)捕捉的事件。閃光可讓偵測(cè)裝置(例如人眼或底片)暫時(shí)看見(jiàn)在黑暗中移動(dòng)的物體。20世紀(jì)中葉，美國(guó)麻省理工學(xué)院的艾杰頓(Harold Edgerton)開(kāi)發(fā)出的電子裝置，可重復(fù)產(chǎn)生穩(wěn)定且持續(xù)僅數(shù)微秒的閃光，為頻閃攝影技術(shù)帶來(lái)大幅進(jìn)步。

貓落下實(shí)驗(yàn)則需要夠短的快門(mén)時(shí)間或頻閃閃光，才能將正在動(dòng)作中的動(dòng)物清楚地拍攝下來(lái)。假設(shè)貓被放下之后0.5秒內(nèi)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(xù)1毫秒的閃光，貓?jiān)诿看纹毓庵H落下的距離不會(huì)超過(guò)5毫米，因運(yùn)動(dòng)而造成的影像模糊不會(huì)很明顯；如果要將整個(gè)過(guò)程拍成10個(gè)畫(huà)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(yīng)該要有多短？分子或材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的許多變化可以歸因于原子移動(dòng)了數(shù)埃(1埃等于10–10公尺)。要清楚呈現(xiàn)這類(lèi)運(yùn)動(dòng)，空間分辨率必須小于1埃。在這類(lèi)變化中，原子通常以每秒1000公尺的高速移動(dòng)，頻閃閃光必須短于10飛秒，影像分辨率才可小于0.1埃。在1980年代，研究人員就曾使用飛秒激光脈沖測(cè)量原子移動(dòng)相關(guān)的化學(xué)程序，但是沒(méi)有拍攝原子在空間中的位置，因?yàn)榭梢?jiàn)光的波長(zhǎng)是分子或材料中原子間距的數(shù)百倍。

高速電子很早就用來(lái)呈現(xiàn)原子尺度的影像(例如在電子顯微鏡中)，但目標(biāo)物必須固定不動(dòng)，同時(shí)拍攝必須持續(xù)數(shù)微秒之久，依相機(jī)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分辨率，同時(shí)還要有飛秒等級(jí)的電子脈沖，才能“照亮”目標(biāo)。這種照亮目標(biāo)的電子團(tuán)稱(chēng)為“探測(cè)脈沖” (probe pulse)。

還有一個(gè)問(wèn)題是動(dòng)作的計(jì)時(shí)，也就是取得動(dòng)作開(kāi)始的確定時(shí)間點(diǎn)。如果所有探測(cè)脈沖都是在動(dòng)作開(kāi)始之前或結(jié)束之后才拍攝，當(dāng)然不可能拍到可用的影像。拍攝貓的動(dòng)作時(shí)，機(jī)器通常是從釋放貓咪的那一瞬間開(kāi)始動(dòng)作；以超高速拍攝時(shí)，則得使用稱(chēng)為計(jì)時(shí)脈沖(clocking pulse)的飛秒起始脈沖觸發(fā)對(duì)材料或程序的探測(cè)過(guò)程。

即使探測(cè)脈沖和計(jì)時(shí)都在掌握之中，另外還有同步問(wèn)題存在。典型的超高速實(shí)驗(yàn)在這方面和貓落下實(shí)驗(yàn)有相當(dāng)大的差異。如果一切都依照計(jì)劃順利進(jìn)行，馬雷只需拋下一只貓咪，而且只需一次就可完成實(shí)驗(yàn)。即使連續(xù)曝光的起始點(diǎn)比釋放貓咪略慢，比如說(shuō)差距5、10或17微秒，其實(shí)沒(méi)有什么差別。但是，超高速顯微技術(shù)可能需要在每次計(jì)時(shí)脈沖中，探測(cè)數(shù)百萬(wàn)個(gè)原子或分子，或是重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)千次再組合成完整影像。想象一下，如果馬雷每次放下貓咪時(shí)，只能拍攝整個(gè)畫(huà)面中的一長(zhǎng)條垂直部份，他會(huì)怎么做？為了將一連串部份畫(huà)面組合成完整的貓落下相片，他必須重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次拍下位置略有差異的長(zhǎng)條垂直畫(huà)面。要將這么多長(zhǎng)條畫(huà)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(tài)拋下貓，并且每次都仔細(xì)讓釋放動(dòng)作和快門(mén)開(kāi)啟以相同的方式同步運(yùn)作(這項(xiàng)技術(shù)還有一個(gè)條件，就是貓的動(dòng)作必須每次都相同，我想在這方面，分子應(yīng)該會(huì)比貓穩(wěn)定一點(diǎn))。

初始狀態(tài)的長(zhǎng)度精確性必須達(dá)到貓?bào)w型的數(shù)分之一，時(shí)間同步的精確性則必須小于快門(mén)開(kāi)啟的時(shí)間。同樣的，在原子或分子的超高速攝影中，初始狀態(tài)的分辨率必須低于1埃，計(jì)時(shí)和探測(cè)脈沖彼此時(shí)間差的精確度則必須低于飛秒。探測(cè)脈沖相對(duì)于計(jì)時(shí)脈沖的時(shí)間調(diào)整，是沿著一條長(zhǎng)度可調(diào)整的路徑，送出兩種脈沖的其中之一所得到的(以距離差距造成時(shí)間的差距)。對(duì)于以光速行進(jìn)的脈沖而言，要以1微米的精確度來(lái)設(shè)定路徑長(zhǎng)度，對(duì)計(jì)時(shí)而言，相當(dāng)于3.3飛秒的精確度。

我們還有一個(gè)基本問(wèn)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沖，會(huì)破壞時(shí)間和空間分辨率，因?yàn)殡娮拥某饬?huì)使脈沖分崩離析。1980年代，德國(guó)柏林科技大學(xué)的波斯坦喬格羅(Oleg Bostanjoglo)以?xún)H有一億個(gè)電子的脈沖拍攝影像，但分辨率不超過(guò)納秒和微米(美國(guó)勞倫斯利佛摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員后來(lái)大幅改良到次微米等級(jí))。

我的研究團(tuán)則隊(duì)運(yùn)用先前的超高速電子繞射研究成果，開(kāi)發(fā)出單一電子攝影技術(shù)，完成了這個(gè)挑戰(zhàn)。每個(gè)探測(cè)脈沖僅有一個(gè)電子，在拍成的影片中只會(huì)形成一個(gè)小光點(diǎn)。但由于每個(gè)脈沖的計(jì)時(shí)都相當(dāng)精準(zhǔn)，同時(shí)具有“同調(diào)性”，因此許多光點(diǎn)可以組合成完整的物體影像。同調(diào)性會(huì)造成一項(xiàng)代表量子力學(xué)怪異性的現(xiàn)象：一個(gè)電子同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫，然后在偵測(cè)屏幕上的任意位置形成單一光點(diǎn)，但是所有光點(diǎn)組合成干涉波特有的明暗條紋圖形，是可以預(yù)測(cè)的。

單一電子成像是4D超高速電子顯微鏡(UEM)的重要關(guān)鍵?，F(xiàn)在我們已能拍攝分子和材料對(duì)各種狀況的反應(yīng)，就好像許多驚慌失措的貓?jiān)诳罩信?dòng)。

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