25Aug.2025
粒徑界達電位

三維光波動場顯微鏡（3D-OWFM）：活細胞觀察的新世代突破

什麼是三維光波場顯微鏡3D-OWFM？

在生命科學與醫學研究中，如何清楚觀察「活細胞」的結構與行為，一直是科研人員的重要課題。
傳統顯微鏡（相差顯微鏡、螢光顯微鏡、電子顯微鏡）雖然廣泛應用，但仍有以下限制：
  • 需要染色或螢光標記，可能影響細胞自然狀態。
  • 部分技術僅能觀察死細胞（如SEM、TEM）。
  • 長時間觀察會造成光毒性，導致細胞受損。
三維光波場顯微鏡（3D-OWFM, 3D Optical Wave Field Microscope） 正是為了解決這些問題而誕生的新技術。
它利用光的波動特性，透過分析光學路徑差（Optical Path Difference, OPD），能夠即時、無染色、非侵入地觀察活細胞的細微結構。

下面介紹該技術內容全部引用自該論文
<Cell Observation and Analysis with a Three-Dimensional Optical Wave Field Microscope>
https://www.mdpi.com/2079-6374/15/8/515
 

為何需要新一代顯微技術？

細胞研究是生命科學與醫學發展的核心，但要在不破壞細胞的前提下清楚觀察其內部結構與動態過程，傳統顯微鏡往往力有未逮：

相差顯微鏡 (Phase-contrast microscopy)

優點：可在不染色的情況下觀察透明樣品，適合活細胞成像。
限制：容易出現光暈 (halo artifact)，導致邊界模糊，難以解析細微結構。

共軛焦雷射顯微鏡 (Confocal laser scanning microscopy)

優點：具備高解析度、三維重建能力，可觀察特定標記的細胞內結構。
限制：需螢光染色，樣品可能受光毒性影響，長時間觀察不適合。

掃描式電子顯微鏡 (SEM)

優點：可觀察細胞表面的精細結構，解析度高。
限制：樣本需脫水、鍍金等繁瑣製備，且僅能觀察死細胞。

穿透式電子顯微鏡 (TEM)

優點：可解析細胞內部超微結構，解析度可達奈米級。
限制：需要超薄切片與染色，完全無法應用於活細胞觀察。
👉 這些技術雖然各有長處，但在「活細胞的無標記、非侵入、即時動態觀察」上仍存在明顯不足。
 

3D-OWFM (3D Optical Wave Field Microscope)的突破

三維光波場顯微鏡（3D Optical Wave Field Microscope, 3D-OWFM） 則成功彌補了上述缺口。
  • 核心原理：以 638 nm 雷射光照射細胞，透過波前感測器記錄干涉訊號，計算 光學路徑差（Optical Path Difference, OPD），重建細胞的三維影像。
  • OPD 公式：
OPD = (n2 − n1)d

反映細胞厚度與折射率差異，讓研究者同時掌握 XY 與 Z 軸資訊。
OPD示意圖
 

系統規格：

  • XY 解析度：約 0.49 μm
  • Z 軸解析度：約 10 nm
  • 視野範圍：700 μm × 700 μm
可輸出 OPD 原始影像、邊緣影像、差分影像，對比清晰且無暈圈問題。
 

與傳統顯微鏡的比較

顯微鏡技術 是否需染色 活細胞觀察 成像特點 限制
相差顯微鏡 否 可 簡單快速，適合透明樣品 光暈效應，細節不足
共軛焦顯微鏡 需要螢光染色 可，但有限 高解析度，可三維重建 光毒性強，不適合長期觀察
SEM 需金屬鍍膜 否 表面結構解析度高 樣品破壞，僅限死細胞
TEM 需超薄切片 否 內部超微結構觀察 樣品破壞，僅限死細胞
3D-OWFM
MINUK		 否 可 無侵入、無暈圈，Z 軸解析 10 nm，即時觀察 折射率與厚度無法完全分離，但不影響三維結構判讀
👉 3D-OWFM 最大的價值：同時兼具「活細胞、無染色、即時觀察」與「高解析度」，這是現有技術無法達成的。

實驗案例：多細胞株比較與分裂觀察

論文中，研究團隊利用 3D-OWFM 成功觀察了多種哺乳動物細胞，包括：
  • C3H10T1/2（間質幹細胞）：清晰呈現細胞邊界與核內結構，甚至觀察到類似「細胞間通道」的管狀結構。
  • IMS32（神經細胞）：觀察到細長突起，無需染色即可辨識。
  • RAW264.7（巨噬細胞）：顯示細胞核內聚集物，這在一般數位顯微鏡中難以確認。

時間序列觀察：細胞分裂

在 3 小時的 Time-lapse 實驗中，研究人員發現：
  • 細胞分裂時，細胞核的 OPD 訊號顯著增強（代表核內結構重組）。
  • 分裂完成後，OPD 訊號回到正常水準。
  • 長達 24 小時的觀察未造成細胞存活率下降，也無顯著凋亡比例上升。
👉 這證明 3D-OWFM 適合長時間追蹤活細胞的生理過程。
使用光波動場觀察不同密度細胞樣品
*圖:使用光波動場顯微鏡3D-OWFM觀察不同密度細胞樣品。

與傳統顯微鏡的比較優勢

  • 避免暈圈效應（優於相差顯微鏡）。
  • 無需染色（優於螢光顯微鏡）。
  • 可觀察活細胞（優於電子顯微鏡）。
  • Z 軸解析度達 10 nm，遠超光學同類技術（如 OCT 或一般全像顯微）。

與傳統顯微鏡成像比較

與傳統顯微鏡比較
MINUK可以觀察活細胞

未來應用展望

論文中指出，3D-OWFM 的潛在應用包括：
  • 💊藥物開發：即時追蹤藥物對細胞的影響，用於高通量篩選。
  • 🧬疾病診斷：利用細胞折射率與形態變化，辨識癌症或纖維化等早期徵兆。
  • 🏗組織工程：觀察細胞群在三維培養基材中的行為。
  • 🔬智慧影像分析：未來可結合 AI，進行細胞分類與自動化診斷。

結論

三維光波場顯微鏡MINUK（3D-OWFM） 不僅是一項影像技術，更是細胞觀察模式的轉折點。
它結合「無染色、非侵入、高解析度、即時性」等特點，讓研究者能捕捉到傳統顯微鏡無法獲取的細胞細節與動態。
隨著技術成熟，3D-OWFM 將在 生命科學研究、藥物研發、醫學診斷 等領域，發揮革命性影響。
MINUK海報 (簡報) (1)

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