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電子顯微鏡才看得到病毒 諾貝爾獎得主Betzig擘劃顯微鏡的未來

2020-02-06 18:47經濟日報 莊智強

光電科技工業協進會總監林穎毅

今年美西光電展的焦點在量子、奈米科技、材料、生醫等方面,其光電會議涵蓋次世代Data Center、量子計算、顯示與全像技術、奈米科技、積體光學、微光機電系統(MOEMS),和光通訊,以及光電在各種商業的應用等議題。雷射會議則觸及了新雷射光源、非線性光學、光束導引、微奈米應用,和3D製造等議題。在此次的研討會中,不乏各種先進技術跨領域的結合,其中電子顯微鏡融合光學技術,加上大數據分析即是一例。

美西光電展 諾貝爾獎得主站台演講

諾貝爾獎得主艾瑞克•貝齊格(Eric Betzig)受邀發表了「探索細胞生命的秘密」演說。貝齊格教授因為發明了可以突破繞射極限的「超解析度螢光顯微鏡」,與其他兩位物理學家共同榮獲2014年諾貝爾化學獎。貝齊格說:在19世紀末卡爾蔡斯(Carl Zeiss)發現了繞射極限之後,顯微鏡的基本功能百年以來就沒有再做改變。直到現今發明了明視野顯微鏡與螢光標記,顯微鏡才能够在分子生物學方面再顯光輝。他表示,每種顯微鏡都有其優點和局限性,因為它們必須在空間解析度、時間分辨率、成像深度之間做取捨。例如螢光顯微鏡可以照亮細胞內的蛋白質,產生很好的影像,但其周遭環境卻付之闕如。另一方面,用傳統的電子顯微鏡,你可以看到很好的整體影像,但難以再區別裡面的結構。

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克服繞射極限之後的挑戰

有鑑於此,Betzig轉向了「點陣光片顯微鏡(lattice light sheet microscope)」,它可以產生連續焦平面的影像。然而這種顯微鏡所產生的數據將達到十兆位元,這過於龐大的數據還是需要計算科技的進步,以找出如何處理這些龐大數據的方法。最後他說,這門科學的未來是把不同的顯微技術和光學技術融合到一個設備中,並把這個設備變得便宜又容易獲得,這是最具有挑戰性的地方;然後再交給研發人員使用。

顯微鏡市場的趨勢

諾貝爾獎得主擘劃了顯微鏡技術的未來,讓我們來看顯微鏡的市場趨勢。2019年全球顯微鏡的市場有62.8億美元,預計2022年將達到74億美元,這期間年複合成長年率為5.6%,其成長動力來自技術的進步以及對奈米科技和醫療的日益關注等因素。近幾年顯微鏡的新創公司容易受到投資者青睞,其先進的顯微鏡研發計畫有利吸引融資。然而,越先進顯微鏡越是堆高成本,這也恐抑制這市場的成長。

影像軟體的市場機會

以顯微鏡相關的產品做分析,顯微鏡的軟體是這市場需求最高的周邊產品。先進的顯微鏡需要影像軟體的支援,尤其在生命科學研究領域裡,如同Betzig所說的,生醫影像品質的提升也產生了大量的數據。這些龐大的數據非傳統的生醫影像軟體所能處理,這便開啟了大數據處理的市場機會。電子顯微鏡在生物學、材料科學、奈米科學和半導體產業中有著重要的應用。而這些領域的研發計畫,和半導體產業的興盛,是電子顯微鏡市場成長的保證。而材料領域則是顯微鏡最重要的應用領域,因為顯微鏡可用於材料的結構和化學分析,包括聚合物、金屬、合金、陶瓷和生物材料等。

再以區域市場做分析,北美仍是全球顯微鏡最大的區域市場,畢竟北美在學術研究、醫療基礎設施的預算、內需市場規模仍執世界牛耳,如下圖所示。但亞太被視為成長最快的區域,包括日本、中國和印度。這區域可以用較低的成本,獲取先進的技術,再透過降低製造成本,從而提高了產品的滲透率,以及市場的成長。

全球顯微鏡市場,2020/1。光電科技工業協進會(PIDA)/整理且提供
全球顯微鏡市場,2020/1。光電科技工業協進會(PIDA)/整理且提供

傳統光學顯微鏡仍佔有市場三分之一的比例,預期未來這比例將隨著高階顯微鏡的崛起來逐年遞減。細分市場在2015年佔據了37%的最大收入份額。Betzig與其他兩位諾貝爾獎得主所發明的螢光顯微鏡則約佔有市場五分之一的比例。利用相位成像的顯微鏡、近場掃描顯微鏡、共焦掃描顯微鏡等市場也會有不同影像應用的需求;各類顯微鏡的市場如下所示。

2019各種類型顯微鏡的市場比例,2020/1。光電科技工業協進會(PIDA)/...
2019各種類型顯微鏡的市場比例,2020/1。光電科技工業協進會(PIDA)/整理且提供

台灣顯微鏡的市場機會

全球高階顯微鏡的公司約有十幾家,其中德國的卡爾蔡司(Carl Zeiss)公司仍是顯微鏡產業的龍頭廠商,但美國與日本也不乏挑戰者,例如日本的一些老牌光學公司-Nikon、Olympus、Hitachi、JEOL等公司。而台灣早期是有做傳統光學顯微鏡的代工,但在高階顯微鏡方面則幾乎沒有著墨。而台灣半導體產業、研究機構應不乏有顯微鏡的需求,尤其在自動光學檢測(AOI)方面需要整合顯微系統。現今武漢肺炎病毒延燒,顯微鏡當然是檢測細菌與病毒的最佳利器。光電協進會認為在工業或生醫檢測應用方面,非高階顯微鏡的國產化應該仍有機會,或者延伸這些影像大數據的處理、管理與應用服務,也是另闢蹊徑的發展機會。

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