第一章 緒論
目前為止儘管已經發展了許多對抗傳染病的抗菌方法，但微生物 病原體仍不斷進化且產生抗藥性。此外，新出現的病原體，如 20 世 紀 80 年代出現的人類免疫缺陷病毒（HIV）[1]和西尼羅河病毒（West Nile Virus）[2]仍構成威脅。因此，迫切需要新的，更有效的病原體 消滅方法。
利用超短脈衝雷射（USP Laser）選擇性滅菌是一種很有潛力的 滅菌方法。USP 雷射治療已被證明能消滅多種病毒包括愛滋病毒，流 感 病 毒 ， 人 類 乳 頭 瘤 狀 病 毒 （ HPV ）， 小 鼠 諾 羅 病 毒 （ Murine Noroviruses），A 型肝炎病毒（HAV），腦心肌炎病毒（EMCV），煙 草嵌紋病毒（TMV）和 M13 噬菌體，以及細菌如大腸桿菌，沙門氏 桿菌（Salmonella），李斯特氏菌（Listeria）[3-11]。
以下是用超短脈衝雷射消滅病原體的優點:
( 1 )一般常規方法，是製造出能對抗新的、突變的微生物。與此相反，
超 短 脈 衝 雷 射 能 有 效 地 消 滅 包 膜 （ enveloped ） 病 毒 、 無 包 膜
（non-enveloped）病毒、單鏈 DNA 病毒、雙鏈 DNA 病毒、RNA 病 毒、革蘭氏陽性細菌（gram-positive bacteria）、革蘭氏陰性細菌（gram- negative bacteria）[12]。這表示超短脈衝雷射可以消滅病毒與細菌病
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Microorganism Properties Load Reduction
Human Immunodeficiency
Virus(HIV) Enveloped, single-stranded RNA 104 Influenza Virus Enveloped, single-stranded RNA 105 Encephalomyocarditis
Virus (EMCV) Non-enveloped, single-stranded RNA 103 Murine norovirus (MNV) Non-enveloped, single-stranded RNA 103 Hepatitis A virus (HAV) Non-enveloped, single-stranded RNA 103 Human Papillomavirus (HPV) Non-enveloped, single-stranded DNA 105 M13 bacteriophage Non-enveloped, single-stranded DNA 105
Escherichia coli Gram negative 104
Salmonella typhi Gram negative 105
Listeria monocytogenes Gram positive 103 Enterobacter Sakazakii Gram negative 103
( 2 )現有的滅菌方法，例如:紫外光照射、γ 射線照射、UV 光化學、
微波吸收和藥學方面的抗病毒藥、抗細菌藥，這些都是無選擇性的，
所以隨著治療還會伴隨副作用，而另一方面超短脈衝雷射已經被證實
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可以消滅病毒、細菌等微生物，同時也不會損傷既有的物質例如乳動 物細胞和蛋白質[3,6,9]，即是說超短脈衝雷射技術能夠選擇性地滅菌，
因此，具有最小的潛在的副作用。表 2 顯示對各種微生物用近紅外光 的超短脈衝雷射的選擇性實驗結果[12]。值得一提的是，雷射能量密 度 1~10 GW/cm2是超短脈衝雷射的療效區間（therapeutic window），
在這範圍內的能量密度可以消滅各種病原體的同時保持哺乳動物細 Blood Cell
Human Jurkat T-cell
Mouse Dendritic
Cell Threshold Laser
Power Density for Inactivation
(GW/cm2)
0.06 0.85 1 1.1 15 22 12
( 3 ) 由於超短脈衝雷射滅菌的性質，超短脈衝雷射的機制對病原體 去氧核酸核酸 ( 螺旋植體 DNA ) 突變這微小變化不敏感但易受外殼 震 動 的 影響 ，即是 說 超 短脈 衝雷射 的 機 制可 用來消 滅 活 原生 型
（wild-type）、突變型和已產生抗藥性的微生物，例如 M13 噬菌體，
其原生型與改造型都可有效地被超短脈衝雷射消滅[9]。這樣的特性 使得超短脈衝雷射技術特別適合於快速進化的、產生抗藥性的病毒和 細菌，例如 HIV 和 MRSA。
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( 4 ) 目前使用的降低病原體的方法（在在血液中加入藥劑）通常會 產生額外的有毒或致癌化學物質。這些化學品會保留在輸血產品內。
此外，很可能這些化學物質會與產品本身產生相互作用，改變其 結構或功能[13]，而超短脈衝雷射技術在病原體減少過程中不引入化 學品。這使得超短脈衝雷射技術這方法安全又環保，而且便於處理那 些人類所使用的產品，如血液製品，藥品和疫苗。
2010 年為了深入了解滅菌機制 Kong T. Tsen 用超短脈衝雷射對 突變的沙門氏桿菌（Salmonella）進行滅菌實驗。該突變體缺乏 RecA 蛋白（負責的維修受損的 DNA）。換句話說，該突變體對 DNA 的損 傷很敏感，圖 1.1 顯示顯示了原生型和突變型沙門氏桿菌被可見光超 短脈衝雷射照射後雷射光通量與損傷數量關係[10，12]。
圖 1.1 原生型和突變型沙門氏桿菌細菌量衰減對數對雷射光通量圖 [10,12]Tsen KT, Tsen et al. :Studies of inactivation of encephalomyocarditis virus, M13 bacteriophage and
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Salmonella typhimurium by using a visible femtosecond laser irradiation: Insight into the possible inactivation mechanisms.
一般來說，在接收相同劑量的雷射光通量情況下原生型的細菌衰 減量對數會較突變型的高。特別是在光通量為 800J/cm2時突變型沙門 氏桿菌的細菌衰減量對數減少 5，但在接收相同光通量下原生型只減 少 0.5，因為兩種沙門氏桿菌的差別只在於是否存在 RecA 蛋白（修 復受損 DNA），因此實驗顯示可見光超短脈衝雷射會造成 DNA 損傷 隨即使沙門氏桿菌死亡。圖 1.2 顯示結果為:通過電泳方法觀察雙鏈 DNA 經過超短脈衝雷射照射前後的結果[10]，實驗對照組 （標記為 NO.1）顯示三條暗帶，分別對應圓型、線型和超螺旋型雙鍊 DNA，
NO.2 顯示攪拌會造成輕微的相對暗度改變，而受超短脈衝雷射照射 的樣品（標記為 NO.3）顯示三個暗帶的相對暗度被大大改變。
圖 1.2 雙鏈 DNA 做電泳實驗
（NO.1:雙鏈 DNA 的對照組，NO.2: 雙鏈 DNA 的對照組經磁 攪 拌子攪拌，NO.3: 雙鏈 DNA 經超短脈衝雷射照射以及攪拌）
[10，13]。Tsen KT, Tsen et al. Studies of inactivation of
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encephalomyocarditis virus, M13 bacteriophage and Salmonella typhimurium by using a visible femtosecond laser irradiation: Insight into the possible inactivation mechanisms. 主要成分是單重態氧（singlet oxygen），因此會損傷 DNA 造成細菌死 亡[14-19]。因此可見光超短脈衝雷射消滅細菌的另一個機制是光照射
（Mask aligner）、臭氧機、飛秒脈衝雷射。第四章為實驗結果與討論，
我們著重於光通量、脈衝數、對殺菌效果的數據分析，探討不同劑量
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對殺菌率的影響，從而找出最佳化流道設計，提高殺菌效率。第五章 為結論與未來展望。
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