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：如何培養學生的實驗創意？ 劉敏瑛 國立彰化師範大學化學系myliu@cc.ncue.edu.tw   在大學中，如何在共同實驗課程中帶領學生做有創意的實驗，如何改變傳統的講述教學方式？如何能讓學生熱情且積極的參與實驗活動？而不只是照著〝食譜〞做完指定的實驗，然後繳交報告。如何能讓自己的研究主題有創意？筆者一直思考著這些問題，最近讀了三篇文章，提到有關實驗創意的來源，覺得收穫頗多，希望與讀者們分享。 n  例一：如何在大學的化學課程中培養學生的創意1 Ascheron和Kickuth在Make your mark in scince2 文章中提到：對於許多新的科學研究者來說，最大的挑戰和障礙是需要有想像力和創意，也就是需要新的研究方向或是找到新方法來解決舊問題。Cope3 提出：創意被認為是化學家最珍貴的資產，Lakatos4 也認為：在科學中有創意的想像力勝過一切，包括實驗數據和發現的事實。 〝創意（creativity）〞到底是什麼？雖然化學家們覺得很重要，但是許多人並無法具體地在自己的研究實行。許多化學家認為〝創意〞是一種靈感、預感或頓悟。 這篇文章主要是要幫助教育者瞭解〝創意〞在化學教育中所扮演的角色。其內容包含：(1)化學家在做些什麼事，(2)化學家的創意，(3)大學生的化學實驗課和創意，以及(4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例。 (1)化學家在做些什麼事 對於一個化學系的大學生來說，一個化學家的研究就是：由原子、分子及化合物組成的物質以及它們的化學反應和物理變化。經由一般共同的實驗課程，學生學到如何使用天平、有刻度的錐形瓶、燒杯，以及簡單的實驗技巧如過濾和蒸餾等。在進階的課程中，學生學到現代化的儀器和複雜的實驗技巧。但是對於大學生們來說，知道一位化學家的研究主題，及他所使用的實驗器材和技巧，並無法使他們真正了解化學家在做什麼，以及化學家如何產生新的化學知識，其實大學生們並不清楚一位科學家是如何進行研究。大約50年前，Kuhn5,6 指出大部份時間，化學家主要是參與普通科學（normal science）活動，例如：改進已知的事物，增加一個儀器的準確度，合成一個新的化合物，或是增加一個分析方法的可信度，就像是玩拼圖遊戲一樣。很多化學教育者審視自己的教學方式和所設計的教學活動後也贊成Kuhn的觀點。 (2)化學家的創意 化學家又是如何玩拼圖遊戲呢？Ascheron和Kickuth1 提到這可能包含構思研究題目，規劃研究內容，設計實驗步驟，分析結果，思考如何展現研究成果和說服讀者等。 這兩位學者同時也指出，研究題目的產生是一種創意的呈現，很多年輕學者還沒具備這種能力。著名的科學家Max Planck提到：一位科學家的新研究主意需藉由生動及藝術化的想像力來產生，而不是由已知的事實推論產生。 Platt及Baker7 提出幾個培養出新主意的情況：一個人積極的思考一個問題，蒐集資料，及分類資料，有些時間遠離這個問題，然後下意識的大腦活動，也可補充有意識的推理。這個過程或許要花很多時間，然後突然的你開始有了問題的解答。我們的大腦進行很多下意識的工作，是我們所不知道的，而這也就是我們解決大部分問題的方式。 (3)大學生的化學實驗課和創意 一般而言，化學系大學部的實驗課目標為：熟悉主題物質，發展實驗技巧，獲得有關科學本質（Nature of Science）的洞見，培養對科學的興趣，學習獨立工作或與人合作，及發展科學推理的技巧。實驗課的教學方式影響學生的創意發展，有四種主要的實驗課教學型態：詳述（expository）、探索（inquiry）、發現（discovery）、問題導向（problem-based）。其中，實驗結果未定的只有探索，實驗步驟可由學生自訂的為〝探索〞和〝問題導向〞，而教學方法使用歸納方式的為〝探索〞和〝發現〞。大部分的實驗課以〝詳述〞進行，學生們遵照一個已知的實驗步驟，加上推理能力，來達到一個已知的結果。這種方式的優點是教學活動有邏輯性，而且同時可讓很多學生進行實驗，而授課教師的參與度可達最低。而早於1987年，Tobin和Gallaher8 就提到這種教學方式是〝無意義的學習〞，因為學生們花較多的時間去想他們是否的到正確的結果，而不是去思考科學原理。很多提倡創意教學法的化學教育家也指出這種〝詳述〞式教學法的缺點（Ascheron and Kickuth2；Drake et al.9；Zielinski10；Scott11）。盛行的〝詳述〞教學法就像是科學家們〝複製〞其他科學家的工作，然後再驗證實驗結果。 Kuhn提到，一個真正的科學發現，改變了我們的世界觀。就教學來說，與指導或非指導的〝探索〞教學法最接近。Gallet12 也指出幫助學生發展想像力，科學創意和智力自主遠比累積冷知識（cold knowledge）重要。真正的研究包含獨立和開放式的思考，實驗失敗的挫折感，從失敗中學習的挑戰，及偶爾實驗成功的快樂。 (4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例 〝The Ohio consortium for Undergracluate Research：Research Experience to Enhance Learning (OCUR-REEL) Project〞，這個Undergracluate Research Center […]

創意化學實驗：攔截紫外線，效果看得見！ 蔡威任1、陳昭錦2,* 1中國醫藥大學中醫學系2國立臺灣師範大學附屬高級中學*t35116@ntnu.edu.tw n  前言 今年五月臺灣提早進入夏季，連續數月的高溫讓許多常在戶外活動的人們難以招架豔陽的威力，氣象局人員也持續提醒大家不可忽略防曬的重要性。在陽光下長時間的曝曬可能導致人類皮膚老化甚至引發黑色素瘤，各種防曬乳液因應而生。消費者購買防曬乳時，通常會先注意到商品上標示的防曬係數SPF，防曬係數愈高的產品愈可能受到青睞。它們是否真的有較佳的防曬效果呢？消費者如何能感受這些產品的差異呢？ 本創意實驗設計，選用在紫外光照射下會分解的維他命B2，將其配成水溶液，觀測其在陽光照射下的濃度變化。改變不同防護條件，以可見光分光光度計分析維他命B2溶液照光後吸收度和濃度隨時間的變化情形，如此可在不傷害人體的前提下，觀測不同防護條件下維他命B2濃度的衰退速率，以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。 n  原理和概念 維他命B2又稱為核黃素（riboflavin），是一種橘黃色結晶性粉末，微溶於水，水溶液為黃綠色螢光，其外觀、溶液顏色及結構式，如圖1所示。對熱甚安定，但對光甚敏感，特別是紫外線，其水溶液照光後顏色會變淺，因此要儲存於深色瓶中。 圖1：維他命B2粉末（左），維他命B2水溶液（中），維他命B2結構式（右）。 （圖片來源：維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/核黄素） 若在沒有任何防護下，放置於維他命B2溶液在陽光下曝曬，溶液的顏色會逐漸消褪。若在盛裝維他命B2溶液的容器外塗上防曬乳加以保護，則溶液的顏色消褪的速率應該會變慢，藉此可以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。 n  實驗器材與試劑 (一)實驗器材與設備 電子秤、透明塑膠片、燒杯、玻棒、滴管、比色管、試管、試管架、塑膠尺、安全吸球、分度吸量管、封口膜、塑膠盆、24格細胞培養塑膠盤（見圖2）、比色燈、分光光度計SP-830+。 (二)藥品 維他命B2粉末、維他露P健康微泡飲料、維大力汽水、各種品牌防曬乳、護手霜。 圖2：24格細胞培養塑膠盤（左），維大力汽水（右）。 n  實驗步驟 1.        配製3公升100 ppm維他命B2溶液，避光保存，亦可用市售的維他露P健康微泡飲料（維他命B2含量0.12mg/100g）或維大力汽水（維他命B2含量0.75mg/100g）代替。 2.        檢量線製作 (1)      首先要找出最適合的可見光分析波長，文獻指出維他命B2溶液在440~460nm有較大的吸收。我們先把100 ppm維他命B2溶液放置於比色管中，選擇分析波長範圍為400~500 nm，波長間隔為5 nm，進行光譜分析。找出吸收值最大時的波長，約在445 nm。 (2)      利用分度吸量管和安全吸球，分別稀釋100 ppm溶液為80 ppm, 60 ppm, 40 ppm, 20 ppm, 10 ppm。 (3)      設定分析波長為445 nm，分別測定前述六種不同濃度的維他命B2溶液的吸收值，每個溶液樣品均測3個數據取平均值。 (4)      吸收度對濃度作圖，找出迴歸直線方程式。 3.        每組不同防護條件下，使用一個24格細胞培養塑膠盤，其中每4格為一組（見圖3左），如此每種相同條件（相同照光時間、相同防護）均可獲得4組數據。它的優點是可以一次進行多組比較，藥品用量少，且移動過程中較不會因晃動而使藥品灑出。再者，其上可以覆蓋塑膠片，其上塗抹不同的防護物質，如此可以方便地取得多組數據。 4.        把透明塑膠片裁成恰可覆蓋塑膠盤的大小，第一組在其上不塗抹任何物質，第二組塗抹護手霜，第三組塗抹妮X牌SPF30防曬乳，第四組塗抹曼X牌SPF50，第五組塗抹蜜X牌SPF48防曬乳。 5.        […]

創意化學實驗：探究與實作綠色化學系列課程：防火志工活動與用火安全科學關卡 周芳妃1*、詹莉芬1、張永佶1、陳祖望1、吳淑芳1、蕭琬莉1、朱昱蓁1 1臺北市立第一女子高級中學*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw   n  前言 北一女中從民國99學年度起即開始開設高一跨班的跑班選修，當時北一女化學科也就開始發展探究與實作課程，並且長期耕耘發展符合綠色化學精神的高中化學實驗教材教法，同時創新化學科相關課程的學生成果發表方式，利用每年校慶舉辦化學宅急便的科學闖關活動，課程設計與科學關卡活動不斷演進，屢受好評之外並也對於台灣的科學紮根教育有深遠的影響。北一女化學科團隊以「綠園化學使節團」為使命，以「綠野仙蹤–化學宅急便」之名，榮獲104學年度教育教學卓越金質獎。迎向108課綱之際，北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統(如圖1)： l   現行化學科課綱實驗課程：減廢減量與替代實驗研發。 l   多元選修特色課程(高一跨班選修，一學期)：綠色化學百寶變與創意小論文設計。 l   108課綱試行課程(高一跨班選修，一學期)：探究能量與跨科實作，自然科跨科開課。 l   化學實驗研究社(高一高二聯合社團，一學年)：防火志工活動與用火安全科學關卡。 第一項課程系統提及實驗減廢減量與替代實驗研發，國內許多第一線的高中化學老師都投入很多時間指導學生，教育部也在103學年度起(2014年)開展的新平台，「綠色化學創意競賽–綠色化學教育網」，讓高中職學生可以透過友善的競賽平台來發表研究作品。第二、三項課程系統的發展過程已經歷經8年，相關研發與設計方法已發表在本刊第13期(2016年6月)的文章：「化學探究教學：融入綠色化學與化學探究課程設計」，目前並在校內擴大學科參與，延伸為自然科跨科開課系統。而化學科開設的多元選修特色課程：「綠色化學百寶變與創意小論文設計」，乃使用教育部「綠色化學創意競賽」辦法為腳本，設計出一學期的四階段教學策略，也提供給教育部108課綱數理資優課程的教學模組範例。第二、三項課程系統的大綱與簡介均可在北一女學校首頁的12年國教特色課程網頁中搜尋。   圖1：北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統   化學物質在我們生活中隨處可見，如何讓生活環境更安全更便利，化學物質的妥善運用，就相當重要，而綠色化學教育更是首要。在綠色化學教育推廣的層面，從高中階段開始，已逐步的在化學教育中融入綠色化學的概念及原則，開發學生對於化學的全新想像，對學生的化學知識啟發有很大的功用。近年來臺灣大型化學災害事件頻繁，例如高雄氣爆事故、八仙塵爆事件、泰豐輪胎大火、敬鵬桃園廠惡火，帶來大量人數傷亡，也造成許多英勇的消防員殉職，令人悲痛。在消防通報方面，學校實驗爆炸，水果攤商的電土爆炸、家庭廚房火災意外等也是頻頻傳出，令人憂心不已。 有感於一般民眾在中學求學階段應有基本的用火安全知識，北一女化學科於是整合社會資源，與台灣女科技人學會(TWiST)合作策劃國際活動之際，就結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量，一起與台北市政府消防局、北一女化學科團隊、瑞德感知科技(股)公司(HEX)共同合作，創辦出全新的第四項課程：「防火志工活動與用火安全科學關卡」。透過消防專家與化學老師合作指導，協助提供志工學生事先具有完整的培訓課程與實務演練。課程發表的宣傳活動口號為：「少女防火志工帶你玩實驗，消防專家帶你玩設備！」，在2017年的元宵節當日，也恰是2月11日，臺灣首度響應「國際女科日」之際，在臺北市防災科學教育館中完成「第一屆少女防火志工」活動(如圖2)，大力協助民眾在用火安全及消防上的認知與學習，活動非常成功。因此在106學年度積極成立學生社團：「化學實驗研究社」，以延續課程並積極培養人才。下文將先介紹數個用火安全科學關卡的實驗內容，再進一步說明整體課程設計與活動推廣方式。   圖2：北一女化學科結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量。在2017年2月11日完成「第一屆少女防火志工」活動。   n  用火安全科學關卡的實驗內容 目前開發成為「可攜式」並執行成功的用火安全關卡實驗範例如下表，關卡名稱：酒精蒸氣會爆炸、製作酒精凍、酒精凍燒糖、黑煙哪裡來、高效能燃燒。其中黑煙哪裡來與高效能燃燒的實驗照片如圖3所示： 服務宗旨：用火安全人人有責 關卡名稱 科學概念 關卡執行(操作方式) 叮嚀小語(現場說明) 酒精蒸氣會爆炸 可燃物氣體非常容易引起爆炸 少女防火志工先在養樂多罐裡面的加入兩滴酒精，套上電子點火槍之後，接著把養樂多罐放在溫水裡面，這時候罐子內的酒精就蒸發變成氣體，罐子內有酒精蒸氣與空氣混合物，點燃之後會有什麼變化呢? 點火! ((擊發))。 酒精蒸氣與空氣混合後，一點燃，爆炸產生的高溫高壓氣體使養樂多罐快速飛出。當酒精蒸氣與空氣混合後，是非常危險的，千萬要避免接觸火花， 平時也不可以把酒精儲放在高溫的環境中。 製作酒精凍 應避免可燃物液體潑灑，以免引起火災的擴散。 將醋酸鈣飽和溶液與酒精以特定比例混合，將酒精液體做成固體酒精凍，表演開始，一瞬間液體酒精變成固體了。 液體酒精萬一被打翻，容易潑灑漫延，引起火災的時候，更是一發不可收拾。但是，若把酒精做成固體，可增加燃料運輸及使用的安全性，大大提高用火安全。 酒精凍燒糖 認識燃燒三要素，以及影響反應速率的因素。 先將自製的固體酒精放在鋁罐上面，再放一顆方糖，把固體酒精點燃，也準備觀察上方的方糖也易燃燒的現象。 各種食品也都是可燃物，乾燥的食品粉末，因為顆粒很小，也都變成很危險的易燃物。台灣曾經發生悲慘的八仙塵爆事件，就是「玉米粉」被點燃所造成的爆炸現象。 黑煙哪裡來 烴類氣體的缺氧燃燒反應。 利用碳化鈣遇水會發生快速的反應，產生易燃性的乙炔氣體，乙炔是碳氫化合物，難溶於水，計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為一半，使收集到氣體為體積比1:1的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。 家用瓦斯或是汽油都是碳氫化合物，碳氫化合物氣體在缺氧環境中，燃燒反應途徑非常複雜，容易產生大量有毒黑煙，黑煙是火災現場造成人員死亡的第一殺手。 高效能燃燒 烴類氣體的足氧燃燒反應。 實驗步驟與上述「黑煙哪裡來」相同，但是設計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為八分之一，其餘八分之七的瓶內空間為空氣，使收集到氣體為體積比1:7的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。 碳氫化合物氣體在充足氧氣環境中，燃燒反應非常快速並容易引起爆炸。平時居家使用或工程施工都要特別注意瓦斯管線的維護與保養。 […]

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.    […]