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＊本篇文章由元利儀器贊助，《科技報導》獨立製作＊

你還記得第一次看見顯微鏡下的世界時，是什麼心情嗎？

17世紀的英國博物學家虎克（Robert Hooke）利用顯微鏡觀察樹皮軟木層時，看見了顯微鏡下一格又一格，如同小房間般整齊排列的植物細胞壁，於是將這項觀察結果稱為「細胞」（cell）。他在1665年出版的《微物圖誌》（Micrographia），更以精細的插圖記錄了顯微鏡的世界，從跳蚤到軟木細胞，虎克融合科學與藝術的創作，開啟當代人對於微小世界的無限想像。

而當時另一位來自荷蘭的科學家雷文霍克（Antoni van Leeuwenhoek）製造出放大倍率更高的顯微鏡，首度觀察到水中的單細胞生物，進一步將人們的視野拓展到微米（μm）尺寸。雷文霍克一生中磨製了超過500片顯微鏡片，並製造出400部以上的顯微鏡，他觀察並記錄到的肌纖維、精子、細菌、血管中的血流與血球等細胞和微生物，滿足了人們對於肉眼不可見世界的好奇心。

在微觀尺度下的世界，似乎充滿著神祕的色彩，玻片中的樣本明明很小，透過顯微鏡卻能讓人看到無數細節，引導後代不斷鑽研出其他新穎的技術，期望能更深入看見那些未知領域。

從手繪到顯微攝影

在20世紀後， 顯微技術快速進展，顯微鏡也已經不再是當年虎克與雷文霍克進行觀察時的模樣。隨著科技的變革，能看到奈米尺度的電子顯微鏡（electron microscope）、原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）隨之誕生，而超高解析度螢光顯微鏡（super-resolution fluorescence microscope）更使科學家能觀察到活細胞內部的變化，此研究也得到了2014年諾貝爾化學獎的肯定。

伴隨著顯微技術的革新，顯微「攝影」技術也就更為重要。從17世紀的手繪圖開始，到現代只需要簡單幾個操作步驟，就能精確記錄顯微鏡下的每個瞬間，顯微攝影技術令科學家能掌握到每個科學事件發生的重要時刻，並清楚地呈現出微觀世界的絢麗。自此，科學研究似乎不再是冷冰冰的儀器與繁瑣的實驗步驟，而多了幾分藝術與美的氣息。

當科學與藝術連結

不過藝術與科學，這兩個看似不相關的領域又該如何產生連結？除了透過生物藝術（bio art）的創作外，其實科學家也能透過顯微攝影的方式，創作出科學之美。以光學與成像儀器著名的日本公司Olympus（オリンパス株式会社，Olympus Corporation）在2004∼2014年就曾經舉辦過BioScapes顯微攝影大賽（BioScapes international digital imaging competition），每年皆收到約70個國家，將近2500幅優秀的顯微攝影作品投稿，而每一幅影像除了展示出科學研究的成果外，那些美妙的構圖、色彩更是令人深深著迷。雖然這項大賽於2014年終止，但在2017年Olympus開始舉行的年度影像大賽（Olympus Image of the Year Award），再度展現出微觀世界令人驚嘆的美妙之處。

去（2020）年的比賽總共有來自61個國家，超過700幅攝影作品一同角逐獎項，而全球首獎由德國萊布尼茨神經生物學研究所（Leibniz Institute of Neurobiology）研究人員祖什拉特（Werner Zuschratter）獲得（圖一）。乍看之下，似乎很難得知這隻有著紅色眼睛，看起來有些詭異的是何種生物。研究者表示，這是21天大小鼠胚胎，經過化學處理後其皮膚、肌肉變得透明，並以螢光染料將骨骼與其他身體內部組織染色，再利用共軛焦顯微鏡（confocal microscopy）觀察並拍攝，而光是拍攝過程總共就耗費了25個小時之久！

本次競賽除了全球首獎外，美洲、亞洲、歐洲及中東與非洲區域也會各選出一名優勝者。圖二這張色彩斑斕的圓圈，來自中國的張新培（XinPei Zhang，音譯）所攝，你看得出這些細小的色塊是什麼嗎？它們全都是蝴蝶的翅膀！研究者蒐集了超過40種不同蝴蝶翅膀鱗片的圖像，並將它組合成一幅生動的拼貼畫。

至於美洲地區的獎項，則由佐爾（Justin Zoll）獲得。圖三這幅看起來像抽象畫，帶有夢幻般色彩的照片， 其實是L－麩醯胺酸（L-glutamine）和β－丙胺酸（beta-alanine）的晶體！而歐洲及中東與非洲區域的得獎作品（圖四），由瑞士的研究員蒂明（Grigorii Timin）拍攝了非洲家蛇（Boaedon fuliginosus）胚胎的皮膚膠原蛋白纖維（collagen fibers）和真皮色素細胞（dermal pigment cells）在顯微鏡下的樣子。

圖三：美洲區域的首獎由佐爾獲得，圖為L －麩醯胺酸和 β－丙胺酸的晶體。


圖四：瑞士研究員蒂明，拍攝出非洲家蛇胚胎的皮膚膠原蛋白纖維和真皮色素細胞在顯微鏡下的樣子，得到了歐洲及中東與非洲區域的獎項。

透過上述這些融合了科學與藝術的照片，人們除了可以一窺微觀世界之外，更使我們能從一個新的角度看待科學影像，並從中體會到科學的魅力。

在微米的尺度下，原先我們習以為常的各種事物有了新的面貌。看似平常的小鼠胚胎，藉由化學處理與螢光染色，呈現出一種奇異又引人注目的美；蝴蝶翅膀上一個個小小的鱗片，居然能組合成完整的圓；胺基酸的晶體，則在顯微鏡下顯得絢麗又多彩；而蛇胚胎的皮膚膠原蛋白纖維和真皮色素細胞，居然能顯現規律排列的重複性美感。這些景象都是我們在巨觀尺度下無法發現到的，但透過顯微攝影卻能躍入眼中，不禁令人感到驚奇。

如何拍出優質的顯微攝影圖像？

顯微攝影競賽不只注重科學，影像中的美學也是不可或缺的一部分，但要怎麼拍出一張美麗的顯微攝影圖像？在進行顯微攝影時，有沒有什麼技巧能提升拍攝出的圖像品質呢？

若以光學顯微鏡來說，最重要的就是「物鏡」的選擇。光學顯微鏡目鏡與物鏡搭配出的倍數，決定了顯微鏡的放大倍率，因此隨著標本尺寸挑選適當的物鏡是首要條件。其次則是影響物鏡聚光能力的孔徑數值（NA值），高NA值的物鏡將能匯聚更多、更廣的光，使得影像較為明亮，且圖像解析度高。特別在觀察細微結構，或是一些較弱的螢光訊號時，就必須更加注重所用物鏡的NA值。

此外， 標本與物鏡之間的介質也影響著成像品質。大多數顯微鏡的物鏡設計以「空氣」為介質，一旦改變介質，光的折射率也會有所不同，可達到提高解析度的效果。例如以「油鏡油」做為介質時，將能提升1.5倍的解析度，使成像變得更為清晰。

而在拍攝顯微鏡下以螢光標記的活細胞時，也有許多重點需要注意。當我們希望螢光訊號亮一點時，多半會藉由拉長曝光時間或加強螢光的激發能量，來達成目的。但太長的曝光與過強的激發光，卻可能發生光漂白（photobleaching）現象，降低樣本螢光的清晰度。此時選用高NA值的物鏡，或許是個好方法，由於高NA值的物鏡能蒐集到更多光訊號，將有助於縮短曝光時間，減少光漂白的現象。另外，螢光濾光片鏡組與其內部的濾光片，也對於活細胞螢光成像有重要影響，若使用高透射率的濾光片，便可以蒐集到較多的螢光訊號，進而減少曝光時間與光漂白，提升成像品質。

近年來， 亦有不少實驗室開始使用層光顯微鏡（l ight sheet fluorescence microscopy, LSFM）。相對於傳統顯微鏡以光點激發局部樣品，層光顯微鏡使用「薄光技術」，以片狀的照明光從側面打入，僅激發該平面上的螢光發光，增加了螢光影像的對比。而藉由薄光技術的特點，再搭配當代電腦影像處理效率的提升，層光顯微鏡不僅成像速度快，還能拍攝到生物體樣本一層層的影像切片，只要再經由後續處理便可以重建完整的3D生物體影像，用於拍攝模式生物的大腦、胚胎發育等樣本都非常適合。

用顯微鏡創造屬於你的科學故事

隨著太空望遠鏡不斷推陳出新，人們得以窺探數十萬光年外的宇宙，並拍出許多著名的星雲、星團影像；但同時，顯微攝影的技術也在不斷提升，微觀世界同樣有著許多獨特的美值得我們關注。從細胞、微生物、胺基酸晶體，或是昆蟲翅膀與礦物，若我們把這些事物拉到微米，甚至是奈米尺寸時，一片新世界將在眼前豁然開展，不禁令人感到世界之大，人之渺小。

顯微攝影不僅僅是科學研究的工具，今年由元利儀器主辦的「2021 Taiwan顯微攝影競賽」，就期望能讓平時身處科研領域的科學人，在研究之餘也能捕捉科學的美，並將這份對生命、世界萬物的驚嘆與感動傳遞給社會大眾。透過顯微攝影呈現出的作品，將使我們更能看見每一種物質最細微的面貌，若你也著迷於顯微鏡下的世界，絕對不能錯過這次的競賽，快捕捉物質在顯微鏡頭下最豐富、多彩的姿態，用影像說說你的科學故事吧！