化學科普活動與推廣：化學行動車的故事 王伯昌1,*、高憲章2 1淡江大學化學系1, 2淡江大學理學院科學教育中心 *bcw@mail.tku.edu.tw n  緣起 從2011年國際化學年（International Year of Chemistry, IYC）的活動開始，化學行動車行駛迄今已滿八年（見圖一），正式大步邁向第九年。想當年一開始執行的時候，只想把這計畫執行完交差了事。沒想到，這計畫的執行規模越做越大，從當年只想撐完一年的計畫，一路成長到積極攬下化學科普的重擔，希望能夠藉著化學行動車的服務，栽種科普的種子於年輕的一代及普羅大眾。       圖一：化學行動車每年的車身外觀呈現的主題都不相同，2011年（左上）、2012年（右上）、2013年（左中）、2014年（右中）、2015年（左下）及2016年（右下）的車身外觀。 （圖片來源：http://chemotg.tku.edu.tw/） n  巡迴四百場和第二台化學行動車 在這八年的時間中，化學行動車在臺灣各地完成超過四百場的化學推廣活動，當筆者開始提筆撰寫這篇文章的前幾天，化學行動車團隊剛剛巡迴到新北市大觀國中（見圖二上），在各界長官的參與中完成了第四百場活動，同時為第二台化學行動車「跑跑分析車」揭幕。在這之後，化學行動車真的編成為了一個車隊（見圖二下），兩台車可以一起出任務，或是分頭服務不同地區的學生。還記得當年化學行動車活動滿一百場時，剛好巡迴到新北市立深坑國中，筆者在致詞的時候，還在講千辛萬苦地終於被我們熬到了一百場，心中覺得既欣慰又高興，想不到一下子第兩百場在高雄市立大社國中，第三百場在雲林縣立虎尾國中，一轉眼回到新北市，又是第四百場活動了。當年化學行動車在淡江大學啟動，進行第一場活動的時候，淡江大學張家宜校長曾鼓勵我們說：「每次滿一百場，校長都會親自來參加。」這好像在說，學校支持你們，放心去衝吧！這真的給了我們目標讓我們努力地做下去。   圖二：2018年5月24日在新北市大觀國中舉辦達成400場巡迴里程碑（左上），並由教育部朱楠賢主任秘書和本刊主編邱美虹教授等諸位貴賓正式揭幕跑跑分析車（右上）；化學行動車隊正式編成，左車為化學行動車，右車為跑跑分析車（下）。 （圖片來源：https://www.facebook.com/ChemistryOTG/） n  以偏鄉國中為主的服務對象 在這段的歲月中，化學行動車上山下海的巡迴在臺灣本島、離島、外島，金門、馬祖、蘭嶼以及小琉球等地方，到處都有我們的足跡，此外像八八風災的重災地區，那瑪夏、寶來、六龜這些地方，幾乎都有我們年年造訪的學校。每當化學行動車到校辦理活動，這些地方的孩子總是能夠打開心房，熱情做實驗看表演，圍在工作團隊成員旁問東問西。「化學遊樂趣」在活動規劃上，一向以人數較少的偏遠學校為主，並且以國中學生為最主要的服務目標，雖然在2011年時也曾將國小與高中列入巡迴範圍內，但是在高中辦活動，高中學生在龐大的升學壓力下，參加的熱情和配合度不如預期；在小學辦活動，雖然學生玩得超開心，可惜在化學背景知識缺乏的情況下，實驗進行的風險變高，學生的吸收卻有限。因此，經過計劃主持人和團隊成員多次的討論後，我們就逐漸減少在高中學校的百分比，在這八年的四百多場活動中，約有95%為國中學校。未來新課綱實施之後，隨著國內教育環境的改變，或許將帶動另一波動手做實驗的風潮，當我們繼續巡迴之時，期待學生們的參與度能更為提高。     圖三：偏鄉學校的化學實驗闖關。2017年9月6日高雄市那瑪夏國中（左上）、2017年9月21日花蓮縣平和國中（右上）、2018年3月16日新北市瑞芳國中（左下）及2018年7月17日臺東縣長濱國中，這場有臺灣默克集團的人員參與服務（右下）。 （圖片來源：https://www.facebook.com/ChemistryOTG/） n  多樣的活動規劃 當年在國際化學年活動的規劃中，我們是以親眼看化學，親手Fun化學及親耳聽化學為三個主軸目標。在活動中引入科普講座、實驗示範表演以及讓學生親手做實驗的各種節目單元相互串聯，讓學生能夠從各種不同的角度和詮釋方式來認識化學，在科普講座中製作有近八十面的壁報，包含時事、歷史、生活、工業及研究等，由國內的研究機構和工業界提供的相關領域資料，透過故事來結合學生們課本中知識與生活中所發生的事（見圖四上）。此外，因為化學實驗的色彩變化效果一向容易抓住觀賞者的目光，我們在活動中與脫口秀結合，與學生輕鬆進行舞台互動的同時，將化學實驗的變化置入性地帶給觀眾（見圖四下），動手做實驗則將器材與實驗步驟設計到精簡，內容與生活結合，並盡量讓學生們有機會將實驗的成品帶回家，因此實驗中不乏洗手乳或海底花園等實用的產物或是極具療癒性的擺設小物，學生的校園生活體驗在家裡是非常具有感染性的，當學生在家中能夠展示並解說他們在活動中所學的一切，無形中就把化學的知識傳播給全家人知道，因此實驗的結果能夠帶回家，一直是化學行動車活動中實驗設計的必須環節，化學遊樂趣一再的強調化學與生活的結合，在經過適齡包裝後的科普演講、實驗示範與實驗動手做等節目的結合，我們希望能夠扭轉許多人對化學的偏見，並且在新聞、網路、媒體上看到這些與化學相關的時事，能夠很快的回想起活動中所學，保持著正確及邏輯性的觀念。     圖四：科普講座，2017年6月18日臺南市仁德文賢國中（左上）及2018年5月22日新北市忠孝國中（右上）。化學魔術秀，2017年12月14日高雄市六龜高中國中部及2018年1月24日高雄市內門國中（左下） （圖片來源：https://www.facebook.com/ChemistryOTG/） n  教育訓練與服務熱情 一直以來，化學行動車的團隊只有三到五位固定的成員，再加上由淡江大學在校生、系友們組成超過百人的義工團隊來支持化學遊樂趣的經營，每一場化學行動車的活動由總共八位工作人員負責在活動學校執行工作，活動中需要的講師、演講者、表演者、助教、隊輔、攝影、紀錄、場控、搬運、公關及聯絡等等都由這八位工作人員分工合作進行著，通常每個工作人員都肩負著兩到三項的工作內容，由於化學實驗極度重視安全，在一整天的活動中要帶領百位左右的學生，即使是在學校教師隨隊的情況下，活動進行的壓力其實相當龐大，再者並不是每個人都習慣站在群眾前解說和表演，因此化學行動車團隊便需要隨時不斷的訓練義工，在科普活動人才的推廣上，化學行動車活動在不知不覺中其實訓練了非常多具備科普展演能力的人。 平均而言，化學行動車一年至少要進行五十場以上的活動，每場活動除了與學校約定好的活動日期，還必須在前一天到校的準備，淡江大學的行政人員偶爾會跟筆者抱怨找不到化學行動車的人，有時候在學校想要到科學教育中心找人也總是看到辦公室大門深鎖，其實仔細想想，團隊的成員在一年中的兩百多個工作天中，有近一半的時間是跟著化學行動車在外活動，老是不在淡江大學也是情有可原，他們在剩下的時間中，要處理學校的財務核銷，提供活動資料的各種報告，要準備活動的器材，要與各種單位聯繫，要招募義工、要進行教案的美編與製作設計、要像家庭代工般的準備學生們的禮物、設計新的實驗、準備新的演講、製作新的壁報（見圖五），在許多人都以為他們能在臺灣四處遊玩，到處參訪的時候，其實他們背負相對驚人的工作壓力，隨時隨地都在跟時間賽跑，團隊工作人員每次到計畫合約到期時，雖然對未來焦慮，但是他們也未曾停下巡迴服務，這真的需要很大的熱情和毅力才能堅持下來。   圖五：工作人員的準備照。活動前實驗器材與藥品的配置（左）及表演器材的架設（右），舞台的背面，是化學車的後台，活動時堆滿原本放在車上的器具。 （圖片來源：https://www.facebook.com/ChemistryOTG/） n  經費資助與推廣活動 化學行動車的活動經費主要是由科技部（見圖六上）所提供，在2011年過後，活動本將隨著計劃結束而停止，雖然各地的學校邀約不斷，但是在沒有經費支持下，本以為活動即將曲終人散，此時台橡股份有限公司（見圖六左下）挺身來支持我們，並聯合化學工業責任照顧協會的多家廠商共同出資，資助活動經費，總算是讓化學行動車的巡迴持續下來，目前除了中國化學會與科技部的持續支持，台橡公司也一直是活動的主要贊助廠商，除了出資之外，每年也派了許多員工參與高雄地區的化學行動車活動，並與當地學校緊密結合，成為非常好的產學合作與社會回饋示範。這些年來當然也有一些廠商加入或是退出，不管他們的支持是長久或短暫，我們仍舊衷心感謝曾經支持此一活動的所有廠商。2014年起臺灣默克股份有限公司（見圖六右下）開始投入資源支持此活動，2016年時其德國總公司派人來台觀察我們的活動情形後，決定以每年七萬美金連續三年來贊助「化學遊樂趣」的活動，並期望我們能將原本一台化學行動車的編制，擴編為兩輛車的車隊，提供更具深度的化學科普活動，並擴展服務對象，目前這個車隊的第二台車—「跑跑分析車」已經打造完成，將隨著化學行動車一起移動一段時間，調整活動的方式並修正服務的範圍。   圖六：經費主要贊助單位：科技部（上）、台橡股份有限公司（左下，2018年6月15日於高雄市大社國中巡迴）及臺灣默克集團（右下，臺灣默克集團與淡江大學2017年7月31日贊助合作記者會） （圖片來源：https://www.most.gov.tw/和https://www.facebook.com/ChemistryOTG/） 這幾年的活動中，化學行動車一直保持與地方政府密切合作，尤其是淡江大學所在地的新北市，新北市教育局幾乎年年都與我們合作舉辦大型的科普活動（見圖七上），化學行動車每年也有近三分之一的活動場次是在新北市的偏鄉活動舉辦，學校對於活動內容有效的提升新北市偏鄉孩子們的學習興趣，獲得相當好的評價，新北市的深坑、瑞芳、石門、貢寮等校幾乎是年年都去，也算是鞭策我們不斷調整相對應的教學方式，並且與隨隊的教師或是校內的理化老師持續交流，除了「化學遊樂趣」的活動之外，我們團隊也參與科技部主辦的科普活動，負責在新北市地區推動「臺灣科普環島列車」和「全民科學日」（見圖七左下），除了在2017年團隊全程負責科普列車第三節車廂的所有實驗設計和活動策畫，不論每站之間的時間長短，上車受眾的年齡老幼，都能靠著長期累積的活動經驗，審慎設計的教案與教學方式，帶給這些民眾極佳的科普活動體驗。團隊也在全民科學日中設計了幾個科普化學實驗讓大家一起動起來，這幾年對應的主題包含了水資源、食用油與能源等議題的實驗，部分結果甚至可以提供校方與環保單位參考。新北市瑞芳國中王綠琳校長曾特別提及，持續不斷的化學行動車活動，對於學生求學興趣與動機的提升非常有效果，雲林縣虎尾國中江世賓主任也曾回饋，化學行動車的活動對於學生的求學視野幫助相當大，學生在參加過活動之後，對於學習科學領域、參與科學活動的需求持續地提高，其他縣市如高雄、雲林、花蓮、台南這些縣市的教育局處也都給了我們很多的協助，當然更多縣市的參與也是我們所樂於見到的。     圖七：化學行動車與新北市教育局幾乎年年合作舉辦大型的科普活動，如2017年12月3日的「2017新北科教嘉年華─跟著科寶科妞耶誕同樂趣」（左上）、2018年6月1日科技部全民科學週「2018新北科學日─『糖』奇『科』得」（右上）、2018年4月30日科技部「臺灣科普環島列車─板橋站」（左下）；並與新北市瑞芳國中合作響應2018年2月11日的「國際女性科學日─瑞芳站」（右下） （圖片來源：https://www.facebook.com/ChemistryOTG/） […]

創意化學實驗 林震煌 國立臺灣師範大學化學系 *chenglin@ntnu.edu.tw            本期的專題文章介紹了幾個有趣的化學實驗，首先是如何將化學偵測方法，連接市售簡易的訊號讀取系統，完成一組手提式儀器的研究。該實驗運用myRIO－學生用嵌入式介面卡（myRIO-1900）。這工具可透過單一可重設 I/O (RIO) 裝置，教導並實踐多種設計概念。myRIO-1900裝置本身兩側均設有以 MXP 及 MSP 接頭形式提供的 I/O，包含 10 個類比輸入、6 個類比輸出、40 個數位 I/O 通道、WiFi、LED、一個按鈕、一個內建加速規、1 組 Xilinx FPGA，以及一個雙核心 ARM Cortex‑A9 處理器。學生可使用 LabVIEW 或 C 做為myRIO‑1900 的程式設計語言。此外，本期還介紹一個小實驗,引導大家對「電漿」的認識。實驗中先進行簡易光譜儀的裝置組裝，利用特定波長的發光二極體校正光譜儀後，接著利用偵測電漿光譜性質，而得到電漿光譜。該實驗運用日常容易取得的材料組裝成一個可以量測波長數字之光譜儀，同時更引入氣體游離的觀念，讓參與實驗的人可以親手製造類似極光的光暈，使其明瞭在生活週邊其實有許多的現象與電漿息息相關，這是一個令人驚豔的實驗設計。另外，一般人對於質譜儀的印象，大多停留在這是昂貴、精密的儀器，非庶民可用的儀器。本期也介紹了質譜儀應用在食品安全的問題上，例如用在新興農藥的鑑定以及法醫研究上的應用(如指紋鑑定的應用)。 在大型化學災害事件頻繁發生的現今，如何教育年輕人對化學災害的認識，進而將此用火安全相關的教育課程推廣到社會大眾，是刻不容緩的工作項目。本期專文介紹了若干「用火安全科學關卡」小實驗，希望讓闖關人了解如何正確了解並面對「火」的危險。尤其對中學的化學教育進展來看，減少化學藥劑的使用與提升實驗安全，並且同時兼顧學生的實作啟發與化學觀念的傳遞是非常重要的。本期專文介紹的內容可以提供給國內從事化學教育者參考，同時透過集思廣益，可使其他中學的化學老師得以觀摩交流。 最後在對於如何培養學生的實驗創意也有深入的探討。本期專文介紹了一篇深具啟發性以及哲學意涵的文章，針對如何由教育者的角度思考培養學生實驗上的創意有相當良好的看法。文中列舉三個不同的面向的例子，引導讀者反思，由生活面或跨領域的知識去引發創意，尤其所整理的範例與參考資料，比較鮮為中學教育者所注意，很值得從事化學教育者一再閱讀。  

創意化學實驗：嵌入式平台的氣體感測器對不同酵母菌在麵糰發酵過程中二氧化碳變化之研究 郭家瑀、林震煌* 國立臺灣師範大學化學系*chenglin@ntnu.edu.tw   n  摘要 利用本研究自行設計並組裝的二氧化碳感測器搭配NI LabVIEW撰寫程式碼設計嵌入式平台的系統NI myRIO (National Instrument myRIO)，再以自製密封罐放置待與不同的市售酵母菌一起發酵的麵團，以觀察酵母菌在不同溫度環境下的二氧化碳濃度變化，藉此得知市售酵母菌在麵粉發酵時適合的溫度條件並從開始到酵母菌活性下降時的這段時間內共產生多少克的二氧化碳，以研究適合市售酵母菌的發酵環境溫度。 n  實驗原理 揉製好的麵團於發酵時，酵母菌利用水和麵粉所供給的養分（單醣）進行發酵作用產生大量的二氧化碳。麵包作為要好吃的一個關鍵是要有好的口感，其關鍵為麵包內部要產生多孔洞。而內部產生的孔洞乃酵母菌在靜置發酵過程中產生的二氧化碳氣體撐開麵團的麵筋造成的現象；部分多餘的二氧化碳則從麵團溢散而出。被麵筋包覆住的二氧化碳會在烘焙麵包的時候因升溫而撐大麵包，使麵包鬆軟好吃。本實驗則依據麵團溢散而出的二氧化碳的總量來判定麵團內部被麵筋包含的二氧化碳的多寡。若由麵團溢散而出的二氧化碳越多，其內部所產生的二氧化碳孔洞也越多，做出來的麵包也越有好的口感。 本實驗依固定比例的配方，在麵團配置好後並放入自製密封罐，並藉由水浴密封罐控制其發酵環境的溫度，持續觀察其二氧化碳濃度變化直至達到最大濃度、酵母菌活性開始下降為止。以此段過程作為實驗反應的時間，利用嵌入式平台上的系統記錄此段時間每一秒的濃度數值，即可推算出從實驗反應的時間之內，酵母菌利用麵團供給的養分共產生並溢散出的二氧化碳重。並且比較出在何種溫度參數下酵母菌能夠有良好的表現，在反應時間內可以產生最多的二氧化碳，做出鬆軟好吃的麵包。 n  使用材料及器材 1.      市售酵母菌：滿點牌速發乾酵母、白玫瑰牌即溶速發乾酵母，如圖一所示。成分：天然酵母（Saccharomyces cerevisiae）、乳化劑。麵粉：日清牌山茶花（高筋）、紫羅蘭（低筋）麵粉，如圖二所示。   圖一：滿點牌速發乾酵母（左）和白玫瑰牌即溶快發乾酵母（右）   圖二：日清牌山茶花高筋麵粉（左）和日清牌紫羅蘭低筋麵粉（右） 材料：輸送氣體用的管路以及改裝密封罐等等。 2.      器材：電磁加熱攪拌器、2000 mL玻璃燒杯、自組裝搭載嵌入式平台系統二氧化碳感測器、電腦攝像頭、空氣鋼瓶。實驗裝置示意圖，如圖三所示；實驗裝置圖，如圖四所示。 圖三：實驗裝置示意圖   圖四：裝置實際圖 n  NI myRIO嵌入式平台系統 所謂的嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器甚至工廠運作的裝置所使用的系統。換句話說是一種嵌入機械內部且具有專一功能和實時計算效能的處理系統。其上述許多應用內容都可採用NI myRIO技術達成。不過有時候為了某堂課或是某個專案而學習新技術，對學生可說是非常困難，而myRIO的優點即可克服這些困難。 NI myRIO的最大特色為其可以搭配簡單易上手的LabVIEW圖形化程式設計來構寫執行程式碼。圖形化程式設計讓學生能夠像工程師一樣，只要以直覺觀察並處理圖像的方式來撰寫執行程式碼，直接以滑鼠連結各種功能物件，取代繁雜的程式語言。針對大多數的程式設計語言，學生均需耗時了解特定語法，再對應為該語言的架構，才能解決問題。而NI LabVIEW圖形化程式設計，對學生而言是一種更直覺、簡單易上手的處理方法。 RIO代表「可重設I/O」(Reconfigurable I/O)，RIO採用FPGA架構也就是「現場可重設閘陣列」（Field Programmable Gate Array），是一種可以重新設定的晶片，可供使用者自行設定電路程式。因此，藉由LabVIEW圖形化程式設計，學生就會知道該如何設計自己的電路程式。FPGA是一種可以設定的電路，所以運作速度快，而且非常穩定，就像在麵包板上運作的電路一樣。上述提及這是一種可以重設的I/O。也就是說，如果想要修改FPGA可以隨時清空原有的內容，設定其他不一樣的功能。 NI myRIO其中除了FPGA之外，還有一個搭配Real-Time作業系統的處理器，我們可以把程式碼部屬至Real-Time作業系統，接著就能夠在FPGA來回讀寫資料。Real-Time作業系統的特別之處在於其出色的穩定性。比如說，Windows必須平均分配處理器時間給各項電腦作業像是執行程式碼、更新和防毒軟體，對於基本資料擷取應用來說非常實用。但是Real-Time作業系統會優先並專心執行程式碼，提高系統持續工作的穩定性，這對控制應用的產品來說非常重要，比如汽車、航太、控制機器人多種應用領域。此外，如果我們把程式碼部署至Real-Time作業系統，不需要電腦也可以運作產品。 本實驗利用本實驗室自行使用LabVIEW撰寫持續監測二氧化碳並記錄的執行碼，並把該執行碼放入myRIO的FPGA晶片當中，使該系統能夠配合二氧化碳感測器持續觀察感測器周遭二氧化碳的濃度變化，有助於觀察酵母菌在麵團發酵時二氧化碳的變化情形。嵌入式系統平台架構，如圖五所示。 圖五：嵌入式系統平台架構 n  二氧化碳感測器 傳統的紅外二氧化碳感測器中僅有1個感光元件，一般都是將無人存在的環境中的二氧化碳濃度假定為300 ppm作為背景值，採用通過檢測與背景值之間的差異來確定二氧化碳濃度。該種〝相對值檢測〞方法。如果環境中經常有人活動，其二氧化碳濃度不會下降到300 ppm的水平，如此一來背景值與實際濃度的誤差將會被放大，從而無法檢測到準確的濃度。本實驗採用的二氧化碳感測器中有2個感光元件，其前端搭载各不相同的光學濾鏡，一個感光元件對二氧化碳吸收紅外線波長範圍（二氧化碳的吸收波長）的紅外線通量進行檢測，而另一個感光元件則對二氧化碳不吸收的波長範圍（背景波長）的紅外線通量進行檢測，如此即可随時檢測到不受背景影響的紅外線水平。二氧化碳感測器內部構造及原理，如圖六所示。   […]

創意化學實驗：高解析度質譜快速鑑定未知農藥 方銘志*、蔡佳芬、高雅敏、王德原 衛生福利部食品藥物管理署*fangmc@fda.gov.tw n  前言 未知物的分析如同尋寶一般，憑著一絲線索逐步發掘更多的線索，最後一步步、一塊塊得拼湊出未知物的樣貌，其過程有如大海撈針，充滿著冒險與挑戰。過去一項未知物質的鑑定工作，從找出可疑訊號開始，歷經可疑物質純化分離，最後面臨其結構鑑定與確認，所需要的時間至少超過半年甚至更久；而隨著現代質譜科技的進步，本文藉由二個不明粉末鑑定的實際案例，利用高解析度質譜逐步推敲出未知物質的結構，最後確認為違法的新興農藥，整個過程所需時間僅數星期，文中以化學元素精確分子量及元素間穩定同位素比例的觀念，快速解析出未知物質，是化學元素基礎理論實際應用的優良實例，現代化高解析度質譜是鑑驗一大利器，搭配專業人員的化學知識得以搭建高效率檢驗圍籬，阻絕危害物質進入國內，維護國民健康。 n  質譜儀 三稜鏡用於光的色散，可以把一束白光分出七彩，而這一道道不同顏色的光，是不同波長的光線因折射率不同，而在折射時偏轉不同角度，稱為光譜（spectrometry）。質譜（mass spectrometry）意思就是質量（mass）與光譜，原理亦如三稜鏡般，但不同的是使用磁場或是電場代替稜鏡，而帶電物質會因為其質量大小而影響其在磁場或是電場偏移的角度，因此能把物質依質量大小分開，也可以叫做質量分析器，可以想像質譜儀是一個秤，可以秤量化學分子的質量，解析度高的質譜儀可以量測質量至很精準的地步，如小數點下第四位統一原子質量單位（Unified atomic mass unit, u），這時就可以輕易地分辨出例如水（H2O=18.015 g mol-1）和銨（NH4+=18.038 g mol-1）整數質量（Nominal Mass）同為18的兩個不同物質。利用高解析度質譜儀能幫助我們以較少的樣品量與較快的速度，鑑定出未知物質的化學元素組成。 n  不明粉末成分鑑定 近年國際快遞頗為流行，著名的國際購物網站如Amazon、淘寶等林立，我們只要在手機或電腦前按幾下，商品就會送到家門口，頗有貨暢其流寓意，去年2017年海關簡易進口數量就超過三千萬件，平均每位國民都有買超過一件以上的國際快遞物品，但這條〝路線〞卻也成為違法進口的康莊大道，不時可以在電視及網路媒體新聞上見到不肖業者利用國際快遞郵包，夾藏毒品、化學物質、藥物等，利用迂迴郵寄路線，增加查緝難度，使得多種化學物質在無人知曉的狀況，偷偷的進入國內，嚴重危害國民健康。 二件關務署送驗的未知粉末，其中一個是重達20公斤的國際快遞郵包，申報名稱為material，但實際上為黃色粉末物，貨品與名稱不符，遭關務署查扣，這件可疑的未知黃色粉末（見圖一左），經過一般例行性檢驗後，結果為未檢出現行檢驗方法列出之農藥有效成分，由於仍不知是什麼物質，於是輾轉送到食品藥物管理署檢驗。另一件是外觀類似水泥的細粉，顏色為白色（見圖一右），也是國際快遞郵包遭攔截，經例行性毒化物檢驗後，結果也為農藥未檢出。這二件檢體，經初步的溶劑萃取與層析分離後，可疑的訊號以高解析度質譜分析，能快速拼湊出未知物質的化學元素組成。但事實上未知物質的檢驗，在以儀器分析前的樣品處理步驟，才是最難的地方，因為不知道它是什麼成分或組合的物質，需要憑經驗嘗試許多不同的參數，例如：不同極性的溶劑、酸鹼值調整及溶劑間的分配率等一試再試，最後才能萃取出有代表性的檢液；而以層析方法初步分離未知物質後，還要能幸運的挑出可疑訊號，若挑出的訊號只是不純物而不是想要分析的未知物，只能回頭再重來一次，但既然是未知物，就什麼都有可能，這挑出可疑訊號的過程猶如大海撈針，在實務上比我們接下來要談的如何利用高解析度質譜快速鑑定未知物的結構還難呢！以下二張圖就是這二個未知物以高解析質譜儀分析的質譜圖，圖2是不明黃色粉末之質譜圖，圖3則為不明白色粉末之質譜圖。我們之前談論過質譜儀好像是一個秤，可以秤出分子的質量，那也許你會問為什麼圖一的黃色粉末經質譜儀分析後得到的結果竟有至少4個不同的質量，其實這四個質量都來自同一個未知物，原因是自然界存在天然同位素。 圖1：可疑的未知黃色粉末（左）和外觀類似水泥的白色細粉（右） 圖2：不明黃色粉末之高解析質譜圖 圖3：不明白色粉末之高解析質譜圖 n  同位素是甚麼？可以幫助預測分子元素組成？ 我們知道有機物質主要由碳、氫、氧、氮及硫組成，有時還含有鹵素，在自然界天然存在著同位素，他們的質量及在自然界中的比例如表1所示。如果一個有機分子裡所含的元素全都由自然界豐量最高（most abundant）質量的元素組成，稱為單一同位素（monoisotope），但事實上因自然界存在著同位素，因此所有有機物質均有同位素。以一個簡單的分子「苯」舉例來說，苯的化學式是C6H6，一般我們在算分子量時都使用整數，因此苯的分子量約為126 + 16=78(g mol-1)。如果參考表1算得仔細一點為12.0000006 + 1.0078256 = 78.04695 (g mol-1)。如果上網（例如：Wikipedia）查尋苯的分子量（或稱莫爾質量），則我們得到數字卻是78.11g mol-1，為什麼上網查得78.11g mol-1而我們自己查表算的確是78.04695g mol-1呢？原因是我們在計算時沒有考慮到同位素，我們只計算分子量最小的分子，事實上苯分子上碳有可能被碳13（13C）所取代，而這個含有1個碳13的苯分子質量就會變成79.0503 （12.0000005 + 13.0033551 + 1.0078256）(g mol-1)，這個比較重的苯出現機率還蠻高的喔，超過6%，利用數學課裡曾教過的排列組合，我們可以計算出來，如果含6個碳的苯其中1個碳是碳13的機率，那就是從6個碳裡取1個出來的機率，數學式為0.01110.9895= 0.0624  6%，意思就是1個碳13和5個碳12的機率（0.011和0.989分別為碳13和碳12在自然界中出現的機率，可以由表1中得到），因此如果以高解析質譜來分析苯，它的質譜圖會如圖4所示，至少可以看到3種苯分子的同位素組成，分別是質量為78、79和80的三種苯同位素，而一般我們所使用的莫爾質量就是平均分子量，是計算苯所有同位素的算術加權平均分子量，算法如表2所示： 表1：常見元素之質量及在自然界之比率   M M+1 M+2 […]

創意化學實驗：光譜儀的製作及電漿光譜的觀測 范智傑1、洪舜文1、吳韋霆1、黃佑杰1、周芳妃2、盧麗娟3、呂家榮*1 1.國立臺灣師範大學化學系 2.台北市立第一高級女子中學 3.臺北市立南港高級工業職業學校 *cjlu@ntnu.edu.tw 壹、前言     大家對「電漿」這個東西可能會很陌生，但其實「電漿」卻跟我們的生活息息相關。舉凡日常生活中的日光燈管、霓虹燈的發光；大自然中的閃電，極光皆是應用到電漿的原理。本實驗先進行簡易光譜儀的裝置組裝，利用特定波長的發光二極體校正光譜儀之後，即可用於偵測電漿光譜性質。在實驗室中利用高壓直流電在金屬電極尖端放電，也可以產生電漿。本實驗取用家庭中常見電蚊拍電路裝置，應用以產生大約3000伏特但電流很微弱的高壓直流電。在自製電漿瓶裡有兩個電極，瓶中填入待測氣體，與電蚊拍的電路連接以後，電漿就會在兩個金屬電極尖端放電生成，於瓶中看到類似「極光」的現象。最後，利用自製光譜儀，量測自製電漿的光譜訊號，得到電漿光譜。   █什麼是光譜儀?     光譜儀（Spectroscope）屬於科學儀器，由稜鏡或衍射光柵等分光材料構成，可將具有多種頻率的的光線，經過分光材料而將光線分辨出各種色光的波長或頻率。這些被分析出來的色光可稱為光譜線，光譜儀測量得到的光線性質與光譜線的關係可統稱為光譜。 █什麼是電漿?    最早在1920年代，Langmuir等人首先研究電漿中的現象，發現氣態離子的存在，而在1929年Langmuir使用了電漿 (plasma)來敘述此類離子化氣體的現象。 圖1:離子化氣體放光圖 若對物質施加高溫或加速電子、加速離子等能量，中性物質會透過激發、解離、離子化等反應而產生分子(molecules)、原子(atoms)、激態物質(excited species)、電子(electrons)、正離子(positive ions)、負離子(negative ions)、自由基(free radical)、紫外光、可見光等物質。這些物質混合在一起的狀態就稱為電漿，因其不同於 固、液、氣三態，因此電漿常被稱為是物質的第四態。日常生活中常看到的日光燈、霓虹燈發亮的狀態，就是屬於電漿發亮的狀態。   ◆ 如何產生電漿?     電漿的產生是因為具有足夠能量的電子去撞擊中性氣體，使中性氣體解離失去電子而產生電漿。但中性氣體的原子核對其電子具有束縛能，外界電子能量需大於束縛能，才可在衝撞中性原子時造成中性原子解離出電子。所以我們需要以高壓直流電的方式來使電子的能量足夠，電子在電極中會被帶正電之電極吸引而加速，在加速過程中電子就可以累積能量，當電子的能量達到某一個程度後就有足夠能力來解離中性氣體。   貳、實驗器材列表: 一、基本器材： l   筆、橡皮擦、美工刀、方格紙、手套 l   大針筒(50mL)x1 l   小針筒(10mL)x1 l   木夾子x1 二、電漿燈源： l   雙頭鱷魚夾1~2個 l   電蚊拍電路x1 l   電漿燈源樣品瓶x1 l   變壓器x1 l   氣體(氦氣鋼瓶即錶壓頭) l   教師準備：市售未知氣體小型螢光燈 三、光譜儀製作： l   […]