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光電所之生醫光電研究現況介紹

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光電所之生醫光電研究現況介紹

光電所 周晟 教授

  隨著科技的不斷進步,許多過去認為的不治之症,都因為在疾病發生初期就能夠被察覺,並給予適當的治療,因此大幅提高了病人的存活率。以美國為例,因為癌症早期篩檢的技術大幅進步,使得 在近年來癌症的死亡率大幅的下降數個百分點,其中生物醫學科技的進展,更是扮演關鍵性的角色。目前本校光電所在生物感知器 (biosensor) 以及分子醫學影像的研究發展上,已有了較大幅度的進展,亦將有助於癌症的治療。

  在開發新型生物感知器方面,本所主要目標在研究奈米金粒子產生侷域 (localization) 表面電漿耦合螢光生物感知器 (Localized Surface Plasmon Coupled Fluorescence (LSPCF) biosensor) 以及表面電漿子共振生物感知器 (Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensor),並期望能應用於臨床。例如在癌症的早期檢測方面,以肝癌為例,多年以來一直是台灣最常見的癌症之一,也是國人男性癌症十大死因的榜首,女性癌症十大死因的第二位,其可怕的程度由此可知。根據衛生署統計,每年有將近八千人死於此病。最令人感到擔心的是,由於肝癌在早期階段,幾乎感覺不到任何的不適,因此許多肝癌患者常會延誤了最佳治療時機,並且在診斷出肝癌時,完全沒有任何心理準備。所以我們期盼能發展出一個高靈敏度且方便的方法來偵測與肝癌相關的甲型胎兒蛋白 (Alpha-fetoprotein)。目前我們已成功的利用 LSPCF 生物感知器偵測血清中的甲型胎兒蛋白,並已達到臨床應用所需的濃度標準 0.1 ng/mL。而在嚴重急性呼吸道綜合症 (Severe Acute Respiratory Syndrome, SARS) 的早期檢測方面,由於 SARS 主要是藉由人與人近距離密切接觸,病患飛沫或體液而傳染,對在第一線工作的醫療人員,隱藏了重大的危機。因此,發展出 一種利用 LSPCF 生物感知器偵測血清中的 SARS 冠狀病毒 nucleocapsid protein 的方法,因為在血清中的偵測濃度已可達 1pg/mL,大幅降低醫護人員在收集鼻腔黏膜液時被感染的風險。

  此外,我們將外差干涉 (heterodyne) 技術結合 SPR biosensor 有效地提升靈敏度至 1pg/mL、線性區間可達 5 個數量級。同時,亦將相位偵測 (differential phase detection) 技術結合 SPR 生物感知器更大幅地提升靈敏度至 10 fg/mL。未來將更進一步提升 LSPCF 及 SPR 生物感知器的偵測極限,以期在臨床上能應用於更多病症的早期檢測,例如老人癡呆症之早期診斷,並拓展至多點偵測(multiplexed detection)。

  

圖一 不同病患血清與螢光強度關係

圖二 血清中 SARS-CoV N protein 與螢光強度關係

圖三 成對 SPR 生物感知器

圖四 相位差偵測 SPR 生物感知器

 

  除了生物感知器的研究外,另一個研究的方向是探討極化光子對共聚焦雷射掃描顯微鏡 (Polarized photon-pairs confocal laser scanning microscope, PCLSM) 於降低樣本散射效應的能力。共聚焦雷射掃描顯微鏡 (Confocal laser scanning microscope, CLSM) 目前已大幅應用於生物醫學上,CLSM 具有次微米的斷層能力,可以取得生物樣本的斷層影像,並重組成為一個三維的樣本影像。CLSM主要的元件為雷射光源、顯微物鏡 (objective lens)、針孔 (pinhole) 與光電倍增管 (photomultiplier, PMT),雷射光束經過顯微物鏡後,會聚焦於樣本內的某一層(這一層就是焦平面),從樣本反射回的光子經過顯微物鏡後,再經過一個分光鏡反射後入射到針孔上,唯有從焦平面反射回的光子,才會經過位於共軛面上的針孔,最後進入PMT而被偵測;反之,從非焦平面反射回的光無法通過針孔,因此 CLSM 就具有很好的縱向解析度 (axial resolution),可以篩選出焦平面返回的光訊號。但是大部分的生物樣本,具有兩個特性會降低 CLSM 影像解析力,第一個是具有散射的特性,會將入射光子散射,散射特性除了會損耗部分光子外,也會破壞 CLSM 的縱向與橫向 (lateral) 解析度;第二個特性是折射率的不匹配 (refractive-index mismatch),由於生物樣本的折射率約為1.33~1.5,大於空氣的折射率,當會聚的光束經過此折射率不匹配的狀況下時,會引入球面像差,而使得縱向與橫向解析度變差,雖然此一狀況可用油鏡 (oil-immersion objective) 或水鏡 (water-immersion objective) 解決部分問題,但是使用油鏡與水鏡時,只有在掃描樣本的表層才沒有引入球面像差,當掃描至樣本深處時球面像差的問題存在。 仍然能同時解決樣本散射效應與球面像差兩個問題的方法是顯微鏡學上的主要課題。

  我們所提出的 PCLSM 的架構基本上類似於 CLSM,差異為 PCLSM 使用雙頻率雷射光源 (two-frequency laser),此雙頻率雷射光束可視為成對的光子對 (photon-pairs),由於此成對光子具有高度關聯 (highly correlated) 與正交的線性極化 (orthogonal linearly polarized),加上外差干涉的偵測技術(heterodyne detection),因此 PCLSM 具有空間同調過濾 (spatial coherence gating)、極化過濾(polarization gating)與空間過濾(針孔)(spatial gating) 三種過濾的功能。因為這些過濾的能力,所以 PCLSM 在降低樣本散射的能力上優於 CLSM (CLSM僅有空間過濾),此能力已經從實驗上得到了驗證,如圖五與圖六所示。圖五為 PCLSM 與 CLSM 在散射條件 (optical thickness τ = 8) 時軸向反應曲線 (axial response),圖六為在不同散射物濃度下 PCLSM 與 CLSM 所量測的解析度,明顯地 看出 PCLSM 具有降低樣本散射的能力。

圖五 在散射條件 optical thickness τ = 8 PCLSMCLSM的實驗結果,此散射介質為 polystyrene  微粒溶液,微粒的直徑為 1.053μm,縱軸為對尖峰值歸一化後的訊號強度。

圖六 在不同散射物濃度下 PCLSM CLSM 所量測的縱向解析度,A 為微弱散射介質的狀況,A+1% 表示除了原有的微弱散射介質外再加上 1% 體積濃度的 polystyrene  微粒溶液。實心三角形與實心圓分別代表針孔直徑為5μm 10μmPCLSM 所量測到的縱向解析度,實心方形代表 CLSM 所量測到的縱向解析度(針孔直徑為10μm),空心三角形與空心圓分別代表針孔直徑為 5μm10μm 而且皆在非散射狀況且無像差情況下 PCLSM 所量測到的縱向解析度。

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