用手機就能打造低成本的螢光顯微鏡|專家論點【台灣科技媒體中心】

文章來源:台灣科技媒體中心

智慧型手機鏡頭加上螢光鏡後的效果。(圖片來源:Glowscopes)

議題背景:

今(2023)年3月10日,國際期刊《科學報告》(Scientific Reports)刊登一份由美國維諾納州立大學副教授雅各.海因斯(Dr. Jake Hines)發表的最新研究,利用現今人手一支的智慧型手機,加上花費不到50美元且日常生活中唾手可得的零件,打造出一台作者稱之為「螢光鏡」(Glowscopes)的自製簡易螢光顯微鏡,可以觀察帶有螢光的斑馬魚胚胎心臟節律和中樞神經系統的部分結構,最細可以分辨10微米。

台灣其實也有專家研究此領域,台灣許多偏鄉學校或缺乏經費的機構沒有足夠的螢光顯微鏡,科學教育的主題、普及可能也因此受限,此研究結果可能提供台灣持續開發簡易科學教育器材時的參考,也能幫助公民科學家收集科學數據。

雅各.海因斯副教授因為觀察到專業實驗室研究用的螢光顯微鏡,其成本往往動輒幾千到幾十萬美元,許多實驗室或中小學的科學研究無法負擔如此高的花費購買與後續維護。為了讓學生或對科學研究有興趣的民眾可以更容易接近科學,所以海因斯試著結合生活中各種不同的零組件,透過持續不斷的嘗試與結合,最終自製出效果好且可簡易自製的螢光顯微鏡,並且在研究網站上無償提供所有DIY的組建方法。但也因為受限於成本,沒有辦無法做到如同螢光顯微鏡一樣的高靈敏度和高解析力。

科學與生活可說是密不可分,台灣科技媒體中心除了致力於科學溝通,也希望分享不同科學研究觀點,因此挑選此篇最新研究,並邀請科學教育與顯微鏡研究的學者,說明這項從生活物品在科學運用的研究,可以為人類生活帶來哪些受益。

研究原文:

  • Schaefer, M.A., Nelson, H.N., Butrum, J.L. et al. A low-cost smartphone fluorescence microscope for research, life science education, and STEM outreach. Sci Rep 13, 2722 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29182-y

研究影像:螢光鏡(Glowscopes)的介紹


專家怎麼說?

2023年03月10日
國立海洋生物博物館科學教育組助理研究員 吳曜如博士

1. 這篇研究為什麼重要?

在自然科學的教育過程中,通常是從國中階段開始教學生使用顯微鏡,大多都是使用光學複式顯微鏡,但是操作的步驟相對複雜以及上下左右顛倒的成像,常造成學生學習或老師教導的門檻與困難。再加上顯微鏡的維護跟保養也是一筆支出,所以很容易造成學校或教師對操作顯微鏡的教學卻步。然而這篇研究試著用現在人人幾乎都有的智慧型手機去解決這個問題,作者利用手機的鏡頭作為顯微鏡的目鏡,配合一個可固定的玻璃鏡片,對準手機攝影鏡頭的夾子,以周圍的支架架住手機以及可上下調整的置物台,可以讓原本很小的生物(本研究中使用斑馬魚的幼魚,約2~4 mm長),瞬間放大且清楚的呈現在手機螢幕之上,相當方便直接做觀察。

這篇文章最主要的賣點是他成功的利用市面上頭燈或手電筒的LED光源,配合特定波長的攝影用濾光片,放在光源後方或手機鏡頭跟被觀察物的中間,就可以清楚地看到轉殖螢光基因的斑馬魚幼魚,體內特定部位產生的綠色或紅色螢光。

即使是現在科技發達,螢光顯微鏡仍然對於一般實驗室來說是一個貴重的儀器,除了顯微鏡本身要能支援螢光的光源以外,還有價格相對昂貴的汞燈等耗材花費,即使目前可用LED光源取代,但價位仍居高不下。但是此研究製作出來的手機用螢光顯微鏡,其單一組之成本竟然只需要不到50美金(約1500元台幣),與動輒上萬元以上的一般顯微鏡相比,甚至是十萬起跳的螢光顯微鏡,成本真的是非常低廉。現今的手機亦可以直接拍攝高解析度照片,根據論文中提供的圖片,照片的清晰度其實對於一般簡易的螢光觀察,已經相當之足夠,是國高中教師非常值得嘗試的模式。

國內其實也有利用手機顯微鏡進行觀察且行之有年。在臉書上有特定社團在做推廣,也有廠商製作類似的可夾式行動手機顯微鏡,不過台灣目前還沒特別看到可以這麼清楚地看到基因轉殖綠色、紅色螢光蛋白的發光,但是看一些基本的螢光,如葉綠素之紅色螢光倒是可以。

2. 這篇研究有哪些推論的研究限制嗎?

手機當成顯微鏡,這幾年持續有不同的嘗試,本篇文章使用平常即可取得的手機,搭配簡易的鏡片夾具,即可作為一般倍率之顯微鏡使用,非常方便,但仍有一些限制存在。

  1. 研究有提到目前最小可拍到10 微米的大小,故拍攝如斑馬魚幼魚之類的物體剛好適合,如果加上一般5倍的摺疊式放大鏡,大約可以拍到2 微米。但對比高級的光學複式顯微鏡,其可觀察到的仍受限於鏡片固定的倍率,且無法簡易的變換放大倍率(如切換物鏡)。
  2. 最大的受限應是手機鏡頭的像素感光元件大小,但隨著科技進步,可以拍到的畫面應該就會逐漸提升。也因此本研究指出這個手機顯微鏡的設計,比較適合使用於國小高年級至國中,甚至到大學端的教學,但是要取代真正的螢光顯微鏡,還是有一定的難度。
  3. 本研究也提出了一個有趣的情況:不一定較新的手機就可以拍到最好的畫面。在拍攝發出綠色螢光的斑馬魚幼魚後腦(hindbrain)時,研究使用了蘋果、三星、Google以及Motorola等品牌的手機,由於後腦位置與大小的關係,並不容易拍得清楚,但是在各家手機所拍出來的照片中,iPhone XR拍出來的畫面就比起iPhone 12來得更清晰一些。
  4. 不同設備組合拍攝還是會影響拍攝或觀察,包括濾光片的組合與光源的選擇。也因此此研究有提到,雖然大多數手機應該都可以拍攝,但是最佳條件可能仍需要依據不同設備選擇最好的組合。例如在不同實驗中,作者其實陸續使用了iPhone 12 pro、iPhone XR以及iPhone 11 pro,所以對於想要複製此用法的教師,可能也需要做一些設備的微調,才能取得較佳的觀察品質。

3. 一般人該如何正確的理解這篇研究?這篇研究可能還需要克服哪些技術層面的問題?

本研究主要是希望可以將此種手機顯微鏡的用法推向不同年級學生的自然觀察課程中,由於價格相對低廉,可以有效地讓更多的學生有親自操作的機會。在本研究中也提出了許多可能性,例如,國小學生重視對自然界的觀察,可以利用此顯微鏡觀察微小生物,像是讓斑馬魚幼魚去吃草履蟲的獵食行為;或是國中學生可以利用觀察斑馬魚子代螢光表現的幼魚數目,去推測親代的基因型,藉此實際體會遺傳或基因相關的課程;而利用不同方向光源的打光方式,也可以看不透光的昆蟲或是其他樣品的表面。在實務上有許多可開發的可能性。

這篇研究也提出還需要克服的問題,包括目前教學現場通常並不鼓勵學生拿出手機,且即使學生都有手機可以拍照,但是不同廠牌其實效果以及鏡頭配置都不太一樣,雖然設計是多數手機應該都可以配合使用,但是無法讓每一個學生都有相同的觀察與體驗結果。不過研究也提到,現在利用平板進行教學課程的學校也逐漸增加,或許未來學生都使用相同裝置的話,就可以有比較好的使用體驗。

研究也有提到選擇觀察的生物可能也是一個關鍵,斑馬魚目前作為實驗動物,算是相對容易飼養與取得,且其幼魚作為此手機顯微鏡的觀察目標,尺寸大小剛好。研究文獻中提到斑馬魚研究社群相對開放(於網站上有不同國家、地區的實驗室位置)、友善與願意提供協助,但是特定部位的螢光品系,在取得與飼養維持上仍需要一定程度的知識,不過國內進行斑馬魚相關研究的單位也很多,甚至國衛院有斑馬魚種源庫,所以對於國內第一線教師想要設計顯微鏡來觀察班馬魚的課程,應該較其他國家地區更容易、方便。

2023年03月10日
清華大學生醫工程與環境科學系助理教授 朱麗安

1. 這篇研究為什麼重要?

解剖顯微鏡已經是普遍國高中學生在課堂上會使用的顯微鏡,因為其架構簡單並且價格較低,很適合拿來觀察肉眼無法看到的微小生物或樣本。但在生物研究當中,基因轉殖螢光進入動物中,特定表達在某一個器官像是血管、神經等,或是利用不同的螢光染劑、螢光奈米量子點等標定特定組織,已經是一個非常成熟的技術,但過去都僅限於大學的實驗室內才能進行相關的探究,追根究底的原因是過去的螢光顯微鏡價格高昂(動輒百萬以上),且維護不易,所以即便目前是基因轉殖技術以及螢光技術百花齊放的時候,往往因為無法取得觀測的工具,而讓非大學研究所以外的學生無法利用這樣的新工具。

本篇研究主要發展一種低價(兩千元以內)、以現在人手一支的手機作為拍攝工具的螢光顯微鏡,並且證明能夠在手機上清楚拍到整隻基因轉殖的斑馬魚,可以非常容易進行斑馬魚的行為記錄,以及觀察如斑馬魚心律變化等功能性影像,再搭配簡易的影像分析模型,可以讓高中以下的學生更接近最新的生物技術發展,是在科學教育系統上很重要的里程碑。

2. 這篇研究有哪些推論的研究限制嗎?

由於螢光基因轉殖的強度仍然有許多變因,例如螢光亮度、螢光表達位置等等,都會因為基因表達選用的基因組等造成改變,所以並不是所有的基因轉殖螢光動物都可以用這樣的手機顯微鏡來拍攝。即便作者選用斑馬魚的幼魚天生就是幾乎透明的狀態,所以在沒有使用科學儀器類的鏡頭狀況下,仍然可以觀察到動物體內的螢光訊號,但如果未來希望偵測斑馬魚的其他組織,可能仍然取決於待測物的螢光強度決定是否能使用此儀器。另外此儀器的光學解析度約在十微米的範疇,所以小於十微米的結構,例如神經細胞,就不容易在這樣的狀況下被觀察。

3. 一般人該如何正確的理解這篇研究?這篇研究可能還需要克服哪些技術層面的問題?

在台灣也有像科學maker這樣的社團,由臺灣大學應用力學所的江宏仁老師主持,一樣有建立手機顯微鏡或是手機螢光顯微鏡模組的類似工具,如果有更多國高中的老師能夠利用這樣的工具,相信對台灣的科學教育會有立即性的正面影響!

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