研發電子顯微鏡 發現物質第五態

〔記者郭怡君╱台北報導〕物質狀態除傳統認知的固態、液態、氣態和液晶態等四種，極可能存在「第五狀態」！台大物理系副教授趙治宇成功研發出全球第一台可觀察小型活體細胞的「生物電子顯微鏡」，不但首度驗證水分子可用滲透的方式進出細胞膜，且與水共存的細胞膜，會自然形成一種介於液體和液晶之間的新物質狀態，為生物細胞和物理特性研究立下了新的里程碑。

趙治宇表示，一般人熟知的光學顯微鏡只能觀察大型細菌的活動，若要研究病毒和蛋白質分子，就必須用到動輒上千萬元的電子顯微鏡，細胞要活動少不了水，但因電子顯微鏡極怕進水，過去科學家只能用染色的乾切片和冷凍後的死切片來觀察生物細胞，結果往往不夠客觀正確。

趙治宇歷經十年重組顯微鏡的失敗經驗，終於在第十一年「革命成功」，他參考中研院院長李遠哲獲得諾貝爾獎的關鍵「動力真空」設計原理，成功在怕水的電子顯微鏡內加入利於活體觀察的水層，寫下全球第一次能用電子顯微鏡觀察活體切片的紀錄。

由於水分子是各種生命作用的關鍵，趙治宇運用生物電子顯微鏡進行的第一項研究便是探索「水分子如何進出細胞膜」的機制，根據去年諾貝爾化學獎得主的研究，水分子是藉由蛋白質構成的離子通道進出細胞膜，趙治宇卻靠自行研發顯微鏡首度證實，細胞膜就像世界上最細的奈米濾紙，讓水分子能以滲透方式進出，不一定要透過離子通道，這項成果獲刊在全球物理研究最高等級的「物理評論通訊」十二月第二期。

更令人驚喜的是，與水共存的細胞膜在電子顯微鏡下呈現的繞射影像，顯示細胞膜表面分子會持續蠕動，能和水分子保持動態平衡，其結構竟然不屬於液態也不能歸類為液晶態，而是介於兩者之間，未來可能需要被歸類為物質的「第五狀態」。

台大校方強調，趙治宇研發出的新顯微鏡技術未來潛力無窮，可具體觀察各種生物動態反應，為醫療研究打開新視野，例如可望協助破解ＡＩＤＳ和ＳＡＲＳ等病毒如何進出細胞膜的謎題、了解抗生素如何殺菌的動態機制，乃至於了解肺水腫等病症的實際現象，台大已打算組成跨領域團隊投入。

電子顯微鏡與水相剋變相容趙治宇辦到了

記者郭怡君╱專訪

年僅卅四歲的趙治宇是台大物理系前途看漲的年輕學者，從小就喜歡將手錶、收音機等物品拆解研究後再重新組裝，唸博士班時面對千萬台幣等級的電子顯微鏡，為了打破電子顯微鏡無法觀察活體細胞的限制，趙治宇靠著「神經大條和心臟強壯」，毅然將電子顯微鏡拆解重裝，歷經三、四百次的慘痛當機、把指導教授實驗室的昂貴顯微鏡弄到報銷，才換來今日的成功。

一九九二年台大物理系畢業的趙治宇赴美國紐約州立大學攻讀博士，指導教授何庭深問他有沒有興趣挑戰「用電子顯微鏡觀察活體細胞」的難題，在台大訓練下「從來不服輸」的趙治宇一口接受，隨即展開「電子顯微鏡與水分子化敵為友」的大作戰。

趙治宇回憶，當初雖然知道電子顯微鏡一吸入水氣就會當機，但真正開始進行拆解組裝工作後，才體驗那不是普通的當機，是非常要命的「慘當」！而且電子顯微鏡一旦因為吸水而當機，可不像電腦當機重開那麼好修復，為徹底清除水氣保持真空狀態，往往需要清理檢查一、兩個月才能恢復運作，「我唸博士時有九十五％的時間都花在修復電子顯微鏡，常自嘲為博士級的修理工人。」

趙治宇在博士生涯與電子顯微鏡奮戰五年，經過三百多次慘當、讓指導教授實驗室擁有的電子顯微鏡提早夭折，仍然無法用電子顯微鏡觀察生物薄膜，最後卻靠液晶薄膜的研究拿到博士學位，由於不喜歡美國的環境，加上想回台灣貢獻所長，趙治宇在指導教授和父親的反對下，還是選擇回台任職。

當年的失敗經驗並非徒勞，趙治宇回台後繼續進行電子顯微鏡改裝作戰，終於在一年前獲得關鍵突破，成功看到活體細胞的影像。

何謂物質五態

傳統物理學的物質三態為固態、液態和氣態，一般人熟知的冰、水和水蒸氣便是水的三態。

一八九○年前後，科學家發現有些物質的狀態，介於液態和固態之間，分子結構排列不像固態那麼規則有秩序，又不像液態分子的雜亂無序，這種具有「柔性排列結構」的物質被命名為「液態晶體」，其呈現的物質狀態就稱為「液晶態」。

生活中常見的布丁、果凍，人體的精液、鼻涕、膽固醇及導致白內障的混濁物質，都屬於液晶態，近年來大行其道的液晶顯示器則是善用「液晶態」材料的光電特性，作出省電輕薄顯示器。

台大物理系副教授趙治宇用生物電子顯微鏡發現人類的細胞膜狀態，通俗來說是「比液體還稠、比液晶態還柔軟」，進一步探究，則是「分子間的關連性與液態相同，排列卻具備液態所沒有的方向性」，明顯介於液態和液晶態之間。

不過，「液晶態」一直到一九七○年，才透過各種研究被確立為物質的第四狀態，若要確立生物組織是以「物質的第五狀態」存在，可能還有十年、二十年的路要走。 （記者郭怡君）