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2018-12-012018諾貝爾物理學獎—光鑷 588 期

Author 作者 魏名佐/美國普林斯頓大學化學與生物工程學系博士後研究員。 黃鈺珊/德國慕尼黑亥姆霍茲中心生物與醫學影像研究所博士後研究員。 邱爾德/國立陽明大學兼任教授(榮譽退休教授)。

亞瑟‧ 亞希金(Arthur Ashkin, 1922~)
國籍:美國
原任:貝爾實驗室研究員
研究領域:物理學
(Nokia Bell Labs)

今(2018)年的諾貝爾物理獎頒發 給在雷射物理領域有突破貢獻的亞 希金(Arthur Ashkin)、 史崔克蘭 (Donna Strickland)和穆胡(Gérard Mourou)。後2位科學家因高強度超 短脈波光學(High Intensity UltraShort Optical Pulses)的貢獻獲得 表彰;而亞希金開發的光鑷(Optical Tweezers)及其相關生物應用,使得 他成為史上最高齡(96歲)的諾貝爾獎得主。這也是繼超高亮度藍光二極 體及高解析度螢光顯微科技於2014 年分別得到諾貝爾物理及化學獎之 後,不到5年的時間,光學物理學家 再次得到諾貝爾物理獎的榮譽。


亞希金—— 終身致力於科學研究的典範

 
亞希金從小就對科學特別有興趣,甚至自嘲科學研究是他唯一擅長的 事情。自 1952 年取得康乃爾大學 (Cornell University)核子物理學博 士學位之後,便加入AT&T貝爾實驗 室進行微波和雷射的相關研究。亞希 金擁有將近50項研發專利,並在非線 性光學及光折變效應(photorefractive effect)有卓越的貢獻。在貝爾實驗室 工作40 年後,於1992 年退休,至今 仍在實驗室進行研究。當亞希金得知獲得諾貝爾獎時,第一時間他向委員會表示自己正專注於太陽能的研究,目前非常忙,可能沒有時間接受訪問。


光鑷:取物於無形的絕妙點子

 
亞希金後續在接受記者訪問時自豪地表示:「 你知道什麼是光鑷嗎?」,他 拿著於2006年發表的著作《利用雷射 光學捕捉和操縱中性粒子》( Optical Trapping and Manipulation of Neutral Particles Using Lasers), 指著書的封面說:「這裡有道綠色雷射光經過透鏡聚焦在玻璃小球上面……,你以為光只會加熱使小球的溫度上升或是推開小球,但在這裡, 光在小球裡彎曲 (註:在小球介面反射轉向),使得小球被抓住。」 亞 希金所描述的是他於1986 年發表的 突破性研究,利用單獨一道高度聚焦的雷射光束形成穩定的三度空間位能阱,吸引電介質粒子並侷限在光束的焦點附近(圖一)。
 


圖一:單光束光鉗示意圖。

他將此技術命名 為「單束光梯度光阱(single-beam gradient force optical trap),其可以用來抓取並移動從數十奈米到數 十微米的微小粒子(1 奈米相當於 1∕1000 微米,1∕10 億公尺),即為之後廣為人知的光鑷技術。這篇發表在《光學》(Optics Letters)期刊上的文章至今已有超過6200 次的引用數,也是亞希金被稱為「光鑷之父」的代表作。相較於賓寧(Gerd Binnin)、魯斯卡(Ernst Ruska)及羅雷爾(Heinrich Rohrer)於1986年獲得諾貝爾物理獎的原子力顯微鏡研究,光鑷利用光的穿透性,不用藉由接觸即可猶如「隔空取物」般對物體施力。正如瑞典皇家科學院對亞希金研究的簡述:「這個新工具實現科幻小說的舊夢,利用光的輻射壓力移動物體。」
 

嶄新的生物醫學研究

亞希金在接受電話訪談時提到:「當初許多人認為利用光抓住生物體是誇大的說法。」在1987 年,亞希金於
NatureScience 發表篇關鍵文章,成功展示光鑷捕捉並移動病毒、細菌、酵母菌、紅血球、海藻及活細胞等生物體的能力,並且不會對樣品造成損傷,證實其可行性。1990 年,亞希金更進一步利用紅外線雷射光進行細胞雷射微手術,使用光鑷操控細胞中胞器,深入細胞內卻不破壞細胞膜,開啟微米與奈米尺度的生物物理(力學)研究的大門,啟發後續無數革命性的研究。光鑷可提供非常精密微小的力(大約為1 兆分之一牛頓;而1 個小蘋果的重量大約為1 牛頓),不但可以操控生物體,亦可測量單分子之間的作用力,研究更微觀的生物物理機制,例如分子馬達在細胞骨架上的運動機制、DNA∕RNA 的力學與非平衡統計力學、基因轉錄的過程及蛋白折疊的動力學等,為生命科學研究開拓嶄新的視野。

 

生物物理的新篇章

筆者在過去15 年,於國立陽明大學生醫光電研究所及生醫光電暨分子影像研究中心已建立許多新穎的光學微操控平臺,並與許多國內、外研究團隊合作,完成多項在生物物理領域具指標性的研究,包含多醣體與膜蛋
白之間的免疫機制探討、單分子蛋白作用力的量測、DNA 修復蛋白的動力學、細菌及寄主細胞的相互影響、小鼠胚胎細胞捕獲和融合及精子的活性研究等。不僅曾利用光鑷抓住人類肺癌上皮細胞內的胞器層狀體(lamellar body),藉由胞器和光鑷的相互位移測量細胞內的黏彈性(viscoelasticity);亦發展「雙光鑷生物延展器」,利用光子動量在細胞內外的差異,使懸浮的紅血球伸縮變形(圖二)。這些新穎技術可在不破壞細胞狀態之下,使用非接觸方式了解細胞的軟硬度及內部非穩定態與非線性力學性質,如同藉由軟硬適中的特性判斷水果的新鮮度一般,進一步了解其健康狀態,包括癌細胞轉移、幹細胞分化程度等,都和細胞內部力學性質有密切關係。

 

圖二:雙光鉗生物延展器拉扯懸浮的紅血球。(作者提供)


與量子物理的交會

光鑷不僅在生物物理學上有著卓越的貢獻,更促成量子物理研究的重要發展。前美國能源部(United States Department of Energy)部長朱棣文(Steven Chu)當時參與亞希金在貝爾實驗室利用雙光束雷射光抓住原子的研究,提到與亞希金共事經歷時,朱棣文表示與亞希金交談過程中,了解亞希金想用光捕獲原子的想法。後來,朱棣文利用此概念發展雷射冷卻技術(laser cooling),並成功地捕獲原子,藉此更加了解量子物理的作用機制,也使他在1997 年獲得諾貝爾物理獎。
 

結語

這幾年隨著光學以及雷射技術的成熟,光鑷已經發展出各式各樣的創新以及多功能的應用。光鑷不只在光物理學、量子物理學及生物物理學上有重大的貢獻,也有越來越多應用於探討凝態物理學、高分子物理學、流體力學及膠體和懸浮體等相關議題的突破性成果。綜上,亞希金在光鑷的重大貢獻、對於基礎科學研究的熱忱以及堅持,透過一個創新的想法開拓整個全新的科技領域,這遲來的諾貝爾榮耀實至名歸,我們衷心祝賀他!