創意化學實驗：質譜分析法在指紋鑑定的應用 翟永誠1,、陳珮珊2* 1國立臺灣師範大學化學系2國立臺灣大學醫學院暨附設醫院毒藥物鑑定暨檢驗中心 *paishanchen@ntu.edu.tw n  前言 「真相只有一個」是著名偵探漫畫中主角的登場台詞，雖然真相確實只有一個，但是在現實刑案的偵辦過程，往往不如影集、動畫中呈現的如此順遂，鑑識人員得面對的多半是殘破、被蓄意破壞的犯罪現場，唯有仔細的蒐集各項證據，再透過種種的抽絲剝繭，還原事實真相，找到兇手，而指紋即是現場蒐證中重要證據之一。 由於指紋具有「人各不同」、「終身不變」的兩大特點，使得指紋成為鑑識科學中有力的依據[1]。指紋是靈長類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路，而透過油墨、染料可以將指紋清楚的拓印在媒材上。早在中國古代，人們便習慣透過按壓指紋來做為身分的區別，三國時期，諸葛亮便透過指紋建檔以管理戶口、發放軍餉，爾後的唐朝也習慣用按壓指紋、掌紋作為簽約時的標記，很快的指紋這種在外觀上較容易判斷出差異的個人特徵，變被應用到了犯罪追溯上，宋代的民間傳說–包青天，就曾利用木工留下的血手印讓犯人伏首認罪，被譽為法醫學之父的宋慈，亦在其著作《洗冤錄》中提及指紋如何成為刑案決定性的證據。 然而，大多數的刑案現場中，指紋並不會像武俠小說裡有鮮明的血手印可以直接比對，而是潛伏於犯人接觸過的物質表面，刑事犯罪就算戴手套，也可能在穿脫的過程或棄置手套時留下指紋。指紋上有汗腺、皮指腺等腺體，其分泌物為98.5%的水、無機鹽類、胺基酸、有機酸、蛋白質、油酯等[2]，鑑識人員或利用物理吸附、化學沉澱反應、光源激發等方法，讓潛伏的指紋現行，達到犯罪偵查的目的。 物理吸附的手法中，最成熟也最常用的便是「粉末法」。如前所述，指紋的主成分是水，而水能吸附粉末，實務上鑑識人員會將粉末撒在指紋上後，再用刷子小心翼翼的把多餘的粉末清除即算完成。在粉末法中，根據指紋背景的材質、顏色選擇適當的粉末更是重要的課題，當背景圖案、顏色複雜時，可以使用具螢光效果的粉末，以排除背景的干擾。金屬粉末的適用範圍較廣，不論是光滑或粗糙的表面皆能有不錯的顯現效果。磁性粉則較適合用於光滑的表面。然而，粉末法必須透過水與物質間的吸附作用方能成功採集指紋，對於三天以上陳舊指紋的效果較差，且不適用於潮濕、具吸水性的材質，指紋的紋路也有機會在刷去粉末的過程中被破壞[3]。 指紋中除了水以外的成分是無機鹽類和胺基酸、有機酸、蛋白質等有機物，化學顯現法便是利用試劑與前述物質的化學反應（如：沉澱反應、生成有色化合物等）使得指紋現形，其中硝酸銀法主要是利用銀離子與汗液中之氯化鈉反應，產生氯化銀，遇光還原成黑色的銀而使指紋顯現，其優勢是操作簡單，但於滲透性的表面（例如：紙張、木頭）表現不佳；Oil Red O、蘇丹黑等嗜脂性染劑，則可以和脂質反應，增顯潛伏指紋；寧海德林、1,2-indanedione能與胺基酸反應，生成的產物能放出特定波長的光，搭配濾鏡即可觀察到潛伏指紋[4, 5]。 過去人們發現，對於沾染礦物油、動物油的指紋，在低溫下會發出自然發出螢光，且越低溫強度越強，爾後科學家便開始將吸收、發射光譜的原理應用於指紋鑑定，嘗試用不同的光源，例如：雷射、紫外、紅外光等，觀察是否能讓潛伏指紋現形[6]，例如：槍彈痕跡及墨色差異常以紅外光來檢測；紫外光則可用來檢視纖維、精斑、綑綁痕跡及油墨、粉末、染料內的螢光成分。 n  未來趨勢—影像質譜與指紋鑑定 雖然傳統的指紋鑑識技術，多半聚焦於指紋在樣貌，但是對於指紋上的微量成分探討甚少，是故從指紋上發掘更多資訊，例如：以質譜分析指紋上所提供的生物資訊，成為了近年鑑識科學努力的目標。 質譜儀的基本結構有進樣系統、離子源、質量分析器、偵測器、資料處理系統，未知的待測物透過進樣系統進入質譜儀後，如以電子游離法（Electron Ionization）令待測物受到高能電子束撞擊，碎裂成帶電的碎裂片，這些帶電碎片都有其獨特的質荷比（m/z），利用質荷比的不同，質量分析器可以進一步的捕捉目標離子之產物碎片，以提高鑑別度與靈敏度，如圖一所示。 圖一：質譜儀基本構造 其中飛行時間質量分析器即是給予待測離子統一的加速能量後，通過一電場為零的飛行管，不同質量的碎片理當會在不同的時間到達偵測器，達到質量分析的效果，如圖二所示。而四極柱分析器、離子阱分析器則是利用不同荷質比的離子碎片，在不同電場的影響下會有不同的運動模式，透過電壓的調控，只讓特定荷質比的離子碎片達到偵測器，最後在偵測器、資料處理系統經過電子訊號的轉換，即可得到質譜圖，如圖三所示。 圖二：飛行時間質量分析器原理示意圖 圖三：四極柱質量分析器示意圖 質譜除了具有高度的精確性、偵測極限低，更重要的是能夠同時檢測多個未知物，能大幅減少分析的時間，對於分秒必爭的刑事鑑定來說是一大優勢，然而傳統的質譜分析方法由於無法保留指紋的形貌，使得質譜在過去較少應用於指紋鑑識上。 隨著科技日新月異的發展，影像質譜技術的出現，化解了前述難題，2008年Ifa, D.R等人的研究刊載於重量級的科學期刊—Science，該研究成功利用影像質譜技術於不同基材的表面檢測微量的古柯鹼、大麻代謝物、三亞甲基三硝胺（常用於製造高爆炸能力之爆裂物），偵測極限達5 μg，開啟了指紋鑑識新的篇章[10]。 影像質譜技術可以想像成是顯微鏡和質譜儀的結合，可以提供待測物上任何一個空間位置的質譜資訊，較常見的影像質譜技術如二次離子質譜法，即是透過帶電粒子轟擊待測物表面，使待測物表面的成分帶電、脫離表面進入質量分析器，而該方法僅會影響待測物表面數十至數百個原子深的範圍，對於待測物本身的結構、特性不至產生變化，既可以完整的呈現指紋的形貌，亦能提供指紋表面物質的空間分布資訊[11]，如圖四所示。 圖四：二次離子質譜法原理示意圖 2012年英國雪菲爾哈倫大學和警局合作的研究就指出，分析特定的代謝物，可以得知嫌犯的飲食狀況、是否服用毒品，分析殘留物質，則可以了解嫌犯使用過哪些清潔劑、化妝品，該研究也發現，許多犯罪者習慣利用安全套來避免指紋殘留於作案現場，而透過影像質譜，甚至能辨別安全套的品牌[12]，2017年美國史丹福大學的研究更透過分析指紋表面脂質的成分，成功地分辨受試者的性別、年齡、種族，該研究也指出，透過特定的代謝物的分析將可以得知受試者是否有心血管疾病、遺傳疾病等生醫資訊[13]，而這些更細緻的訊息，都可以幫助檢調單位進一步確認嫌犯的特徵，縮小偵查的範圍、距離真相更近。 n  結語 鑑識科學相關的電影、影集也是許多學生平時就有涉獵的題材，且與許多高中化學課程皆有密切關聯，以指紋鑑定作為教學時引起動機的素材，乃至於探究與實作課程的骨幹都非常適合。而質譜儀雖然於高中課程沒有介紹，但其質量分析原理乃是由陰極射線管發展而來，不致過於艱澀，也能幫助高中生及早了解化學研究的應用與發展，有利於興趣的探索與培養，而影像質譜技術除了被應用於指紋鑑定外，亦廣泛的被應用於生醫、材料表面成分鑑定，是未來科研領域的重要發展，值得學生早日認識。 n  參考文獻 1.    刑事警察局。指紋科學小百科–主題4：指紋的特性。Available from: https://www.cib.gov.tw/Science/EncyclopediaDetail/231. 2.    王勝盟。讓枝微毫末損而復生—化學鑑識。科學月刊，2014。 3.    張良帆、程晉塏。赴美研習現場勘察技術報告，2012。 4.    羅嘉欣。赴美國研習微物跡證鑑識等技術報告書，2009。 5.    刑事鑑識中心主任林故廷等人。1,2-IND 指紋顯現法研究暨推展計畫，2016。 6.    牛利等人。潛指紋顯現方法研究進展，應用化學，2011. 28-10: p. 5。 7.    […]

雙氧水製氧實驗中替換催化劑的評估 王進賢 國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班 ahian150221@gmail.com n   前言     氧氣是地球上許許多多生物維持生命現象不可缺乏的物質，國民小學自然課在「空氣與燃燒」(翰林版5上自然與生活科技，2015)這類單元中，有詳細的介紹與實驗。在前階段「空氣對燃燒的影響」實驗中，學童已觀察到造成兩支蠟燭是否能繼續維持燃燒現象的原因(如圖1所示)，是由於空氣供給的量足不足夠。而在空氣的成分之中，除了已知的氮氣和二氧化碳不能幫助燃燒之外，到底哪一種物質是燃燒的關鍵因素呢?答案當然就是學生最熟悉的氣體―氧氣了!     在國民小學階段的自然實驗課中，製造氧氣常用的方法是將雙氧水加入紅蘿蔔當作催化劑的方式(翰林版5上自然與生活科技，2015)，比起以二氧化錳來得安全、方便與生活化。但經過中小學科展的實驗證明，幾種常見蔬果在雙氧水製氧時當作催化劑的效果頗佳，有的甚至比紅蘿蔔好(王小芩、高睿辰、李品君、徐晢尹等，2014)，所以我們此次的實驗就增加一項，採用其中效果很好的金針菇來當催化劑。在此實驗中，並搭配與教科書稍微不一樣的燃燒實驗，看看效果如何? 圖1 蠟燭燃燒與空氣的關係   n  實驗器材和藥品 1. 紅蘿蔔 2. 金針菇 3. 雙氧水(市售消毒用約5%) 4. 廣口瓶  5. 線香  6. 捲紙條 (A4大小廢紙)       7.  50ml量筒 圖2實驗器材與藥品   n  實驗原理 1.      雙氧水製造氧氣的化學反應式 :  2 H2O2    2 H2O + O2 2.      此反應式中的催化劑在國民小學的實驗室常用二氧化錳或其他含有過氧化氫酶的植物(例如胡蘿蔔等)。 3.      燃燒實驗的反應式: C + O2 à  CO2 […]

「膨」出甜蜜的滋味 許麗楨   桃園市八德區大成國民小學國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班n3a@dches.tyc.edu.tw   n   前言 對於小學階段的孩子而言，喜歡上自然課的原因多半是因為「可以做實驗」。然而，有一部分的孩子也是因為「可以做實驗」而不喜歡上自然課。這是一個奇怪卻有趣的現象，一樣都是做實驗，為什麼會造成如此兩極的結果？直到筆者深入去訪談孩子們對於「參與實驗課程的感受」後，才發現原來有許多孩子在操作課本實驗時感受是無趣、乏味的。 筆者試著分析小學自然課本中的實驗操作，整理出幾項特質：第一、部分課本實驗與學生的生活經驗脫鉤，科學現象與生活經驗的連結性較差；第二、部分課本實驗呈現出的科學現象在日常生活中隨處可見，於是做實驗就只是「把常看見的現象再看一次」；第三、大多課本實驗較缺乏趣味性，學生在操作實驗時不覺得快樂，自然也就興趣缺缺。 為了嘗試改變孩子們對於自然課的想法、提升其學習動機與興趣，筆者思考將「趣味科學實驗」融入自然科領域教學的可行性。相較於課本中的「自然科學實驗」而言，將「趣味科學實驗」融入自然課教學中有幾個優點：第一、趣味科學實驗較貼近學生實際的生活經驗；第二、趣味科學實驗能將生硬的實驗現象用學生預料不到的方式呈現，以提升學生的學習興趣；第三、趣味科學實驗較為有趣，不但可增進學生對科學實驗的興趣，更可輔助學生對自然科課程的學習。 基於以上的論點，筆者決定以「熱對物質的影響」主題為例，於課程中引入實驗活動－「膨糖的製作」;此次實驗對象為國小六年級28位學童,在課堂中分成5組(依序為G1、G2、G3、G4、G5)進行操作觀察、記錄，並利用課後問卷與學習單了解孩子們對於課程與實驗的感受。   n    課程內容 Ø 「膨糖」簡介 「膨糖」，又名「泡糖」，一種台灣傳統的小零嘴，過去是指加冰糖於蛋白，經煮熟起膨後讓它凝固，形狀像輕石的餅乾；現在則指砂糖煮後加小蘇打粉。(圖一) 圖一「膨糖」成品 Ø 準備材料 二號砂糖、小蘇打粉、湯匙、酒精燈、三角架、水、小量杯、筷子、盤子。(圖二~圖六) 圖二 二號砂糖、小蘇打粉 圖三 湯匙 圖四 酒精燈 圖五 三腳架 圖六 水、小量杯、筷子、盤子 圖七 不時以筷子攪拌，避免燒焦   Ø 製作過程 1.      取10克二號砂糖，倒入大湯匙中。 2.      加水至大湯匙中，淹過糖面即可。 3.      將湯匙置於三角架上，以酒精燈加熱，讓湯匙中的糖完全溶解，再持續加熱，並不時以筷子攪拌，避免燒焦。(圖七) 4.      將糖漿煮至濃稠狀。   有兩種判斷方式： (1)   觀察泡泡 糖漿未濃稠時，泡泡小而多，冒得快。 糖漿變濃稠時，泡泡大而少，冒得慢。 (2)   準備一小杯清水，當糖漿滴於水中立即固結，不會擴散開即可。(圖八) 5.      移開火源，用筷子沾小蘇打粉於湯匙中攪拌，約20秒左右。(圖九) 6.      […]