停看聽細菌速現形
 
2010/12/03
 
范賢娟 | 《科學發展》特約文字編輯
 
 
當一束雷射光打在一個分子上,分子會吸收或放出它某個振動能階的能量,造成散射頻率與入射頻率的些微差異。這個現象最早是在 1920 年代由印度籍的科學家拉曼(C.V. Raman)發現的。

雖然拉曼光譜在分子鑑定上很有用,但是它的訊號太弱了,僅有螢光訊號的 10 ~ 16 倍,因此想要利用拉曼光譜來研究少量的分子樣本時就會感到困難。這情況一直到 1974 年才有新的突破,科學家發現如果把某些分子放在一片粗糙的銀表面上時,拉曼訊號可以增強到原本的數百萬倍,因此稱它為「表面增強拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)」。然而三十多年來這項技術始終停留在實驗室階段,原因是一般製造的拉曼增強底板變異性很大,因此實驗的重複性不高,無法成為一項實用可靠的分析技術。

表面增強拉曼光譜技術突破

2004 年,由王玉麟教授指導,就讀於臺灣大學物理研究所的王懷賢同學以「奈米銀粒子陣列的增強式拉曼光譜之基板」為題進行研究。他以充滿奈米孔洞的氧化鋁為基板,在洞中放入 25 奈米的銀粒子,形成了規則排列且間距僅有 5 奈米的陣列,藉此獲得了訊號強且重複性高的拉曼增強底板,除了可增加偵測靈敏度之外,還可有效降低待測樣本的使用量。

過去幾年來,中央研究院原子與分子科學研究所王玉麟所長、臺灣大學凝態科學研究中心王俊凱研究員與陽明大學微生物及免疫學研究所林奇宏教授所組成的研究團隊,結合奈米材料製程、雷射光譜學、生醫科技等專業知識,在奈米國家型科技計畫的支持下,進行深入的研究,並共同發展出一套技術,有效地利用表面增強的拉曼光譜清晰地「聽」到分子振動的「聲音」,製作出信號強度領先全球的底板。

這項技術突破了過去 35 年來在「加強表面拉曼效應」上遭遇的瓶頸,不僅獲得美國專利,成果也發表在國際知名的頂尖學術期刊上。由於這項技術深受肯定,未來的發展也極具潛力,因此獲得行政院 2009 年傑出科技貢獻獎。

讓細菌快速現形

這項技術可應用於細菌種類鑑定與其抗藥性篩檢上,對於臨床細菌感染預防與治療有相當大的助益。細菌約莫1微米大小,很多細菌 80% 的重量在殼上,絕大多數細菌的特性都在殼表面,因此可由拉曼光譜訊號判斷細菌的種類、功能等特性。目前的靈敏度高到只要有一隻細菌,就可以鑑定出細菌種類與其對抗生素的藥物敏感性(或抗藥性);而訊息的即時快速,也讓他們觀測到細菌受到各種抗生素攻擊時的反應時間,以及細菌表皮產生化學變化時的拉曼訊號改變。

有了核心技術之後,接下來必須面對的是這技術在應用時的一些實際問題,而這些並非他們3人的專業,因此需要與其他的專家或廠商合作,以訂出各類樣本前處理的標準作業流程,並建立相關的資料庫。以結核桿菌為例,肺結核在臺灣還沒絕跡,每年仍有至少1萬5千的新感染者,占所有傳染病通報數的 7 成,而每年因結核病而死亡的人數約有 1 千 5 百人,因此結核桿菌的篩檢化驗仍是醫學上重要的議題。

目前的檢驗方式需採取病人檢體進行培養,但這種病菌生長速度非常緩慢,可能需耗時兩、三個禮拜才能培養完成。王所長帶領的研究團隊可以聽到單隻細菌的聲音,因此,理論上只要從樣本中抓出一隻細菌去檢驗,幾個鐘頭內就可以知道那是不是肺結核桿菌、是不是開放性,馬上對症下藥,減少等待投藥的空窗期。不過樣本中含有很多其他分子,為防止雜訊干擾,要先純化處理,這就需要懂得醫學與化學的新成員加入。

產學合作 回饋社會

這項技術不僅可快速檢測細菌,未來也可望運用在空氣、水或土壤汙染物的偵測上,讓檢測過程更有效率。

王所長也提到,大部分醫生喜歡使用舊有的方式來檢驗,對於這項新技術所持的態度則較為保守。幸好一些醫學中心和政府疾病管制部門相繼參與研究與相關技術的開發,相信應可逐步推廣。

這個研究早年是由單純的科學好奇心所驅動,現在則有幾種可能發展的面向,但操控參數的調整、工作標準化流程、最佳模式化的建立等工作瑣碎而繁複,無法在學校的研究室中長期進行。可喜的是,中研院已把這項拉曼增強底板的製造技術移轉給廠商,透過產學合作,使研究更貼近市場與業界的需求。

對於這樣的發展,似乎不僅止於一家公司的規模,是否有可能在一核心技術下跨足材料、生醫、環保、食品等,成為一個新產業的源頭?對於這個問題,王所長表示暫無這想法,他看重的是技術的持續發展,希望先把眼前的事情做好。

和廠商合作時,「找伙伴而不是找資金」是他最重要的原則。他相信好的技術不缺資金,但是合作者的行銷能力與對技術發展的尊重,才是合作能長久的首要條件。將來如果真的能發展成一個產業,那整個上、中、下游產業鏈的規畫需要有經驗的人來處理,這需要不同層次的協調。現在,他們是以很開放的角度來看這件事情,目前的合作對象也很樂意有更多伙伴加入,讓這項技術能夠多方面地回饋社會。

王所長還看到了這項技術對培育人才的助益,目前生技領域的學生畢業後不容易找到工作,將來如擴大發展,將可為生技領域的高科技人才創造更多就業機會,這是很讓人期待的。不過,王所長也很務實地表示,眼前還僅限於專業上的努力,不能預期未來發展的規模。

以點線面勾勒美好願景

對於這樣的合作模式,王所長覺得這是國內研究團隊的很大突破。過去的研究團隊多是找相同背景的人,好比組成一個全部都是投手的球隊想去跟別人競賽。而他們這個研究團隊各有專長,就像兼顧到各項守備與打擊專長而組成的球隊,雖然剛開始時會因為背景不同、各有堅持而不易溝通,但是只要大家都有共同的目標,放棄傲慢而願意傾聽他人的聲音,慢慢地,大家都能找到自己可以貢獻的地方,互相為對方服務,真正做到跨領域整合。

他們的團隊有個座右銘:「個人的專業是一個個的點,透過合作可以拉出很多條線,進而激盪出不同的創意面與商機。」這應該是相當適當的註腳。

【行政院2009年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】
 
瀏覽人次:14,926