能讓昆蟲在真空下存活的超級外衣

■想要看見活的昆蟲在真空環境下生存?日本濱松醫科大學的針山孝彦教授辦到了!

13124131撰文|方程毅

我們如果想要看很小的東西,例如細胞切片,就會用到光學顯微鏡。相信這是大家國中國小自然課共同的回憶,一片載玻片,用牙籤刮上一點細胞,蓋上蓋玻片,側邊再滴上一點亞甲藍液就能讓細胞染色進行觀察了。但如果我們想要看到微米甚至奈米等級的結構,光學顯微鏡可就行不通了,這麼小的東西需要用到電子顯微鏡才有辦法看的到。電子顯微鏡跟光學顯微鏡的原理其實非常類似,只是一個用光聚焦、一個用電子束聚焦。在光學顯微鏡裡我們是看到光在我們眼中的呈像,而在電子顯微鏡裡,我們則讓電子束打在偵測器上,偵測器再將這些訊號在螢幕上顯現出來,因此電子顯微鏡下面的影像是黑白的(因為電子束是沒有顏色的),僅僅只有明暗及對比之分。

電子顯微鏡的解析度比光學顯微鏡要好得多,可以解析到數百甚至數十奈米,像積體電路這麼微小又複雜的結構,就是靠電子顯微鏡才能看的到,因此電子顯微鏡可以說是科學發展不可缺少的神兵利器。但這世界上有一好絕對沒兩好,電子顯微鏡有很多使用上的限制:第一、要觀測的樣品必須導電,否則電子束一直往樣品上打過去,電荷會不斷累積在表面形成負電並排斥繼續照射到樣品表面的電子束,最後也就沒辦法精準對焦了,因此像金屬或半導體就很適合在電子顯微鏡下觀察;第二、電子顯微鏡必須在真空下操作,否則電子束會不斷撞擊到空氣分子而產生偏折,因此在真空中會揮發的樣品,例如液體也沒有辦法利用電子顯微鏡進行觀測。(光學顯微鏡就完全沒有這個問題,因為光遇到空氣不會發生偏折)

活體昆蟲。不導電、不能存活於真空,要利用電子顯微鏡觀察簡直就是不可能的任務,但科學家就是有辦法化不可能為可能,為牠們量身打造一款奈米外衣,讓昆蟲們能穿著它存在真空中一段時間。日本濱松醫科大學針山孝彦教授的實驗室便開發出這種特殊外衣,保護昆蟲使其存活於真空腔體中以便於電子顯微鏡觀測,這種特殊外衣是由一種叫「山梨醇酐月桂酸酯」(polysorbitan monolaurate (Tween20))的材料構成,山梨醇酐月桂酸酯一開始是以液態存在,經過電漿或電子束處理之後便可以聚合固化,因此「穿上」這件外衣的方法是先將昆蟲浸泡在這個液體中,再使其固化。這層外衣大約50-100奈米厚,並能讓昆蟲在真空環境下存活兩小時之久,不僅能防止因為真空造成的脫水,也能保護昆蟲不會受到電子束的傷害。這個簡單又極具價值的研究成果也被發表在2015 年《Proceedings of the Royal Society B》期刊上。

這層外衣除了導電及保護樣品外,它也夠「薄」,厚度不會厚到把實際的結構覆蓋住,試想若是某一個生物表面的結構高低起伏大約100奈米,但如果外衣的厚度是1000nm,穿上去之後什麼結構都看不到了。因此,這項發明對於研究活體生物的學者來說無疑是個天大的好消息,因為光學顯微鏡能看到的東西畢竟不夠「小」,如果需要研究活體生物表面的奈米結構,使用具有真空環境的電子顯微鏡是無可避免的,而這件奈米外衣正好解決了這個問題。

原始論文及圖片出處:Takaku Y, Suzuki H, Ohta I, Tsutsui T, Matsumoto H, Shimomura M, Hariyama T. 2015 A ‘NanoSuit’ surface shield successfully protects organisms in high vacuum: observations on living organisms in an FE-SEM. Proc. R. Soc. B 282: 20142857.
http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2014.2857

參考資料:
Researchers use nano-coating to allow for electron microscopy of living insects

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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