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   […]

創意化學實驗：微型發音哨的開發與氣體偵測上的應用 王慶豪 臺北市立建國高級中學 chwang2@ck.tp.edu.tw █ 前言 氣相層析中常用的氣體偵測器多達20～30種，其中常用到的如質譜儀（GC/MS）、火焰離子化偵測器（FID）、熱導偵測器（TCD）、電子捕捉偵測器（ECD）等，上述的偵測器大多為購買商用儀器時會與氣相層析儀搭配使用。雖然於實驗室中使用非常方便，但價格昂貴並非一般中等學校可以負擔。本文介紹於2010年由師大化學所林震煌教授實驗室所研製微型發音哨氣體偵測器。微型發音哨氣體偵測器的結構非常簡單—如同一般的哨子，唯一的差別只是體積縮小了約10倍左右。而微型發音哨的製作方式相當簡單，且製作的材料方便取得，，甚至利用3D列印的技術亦可製作出實用的發音哨。 微型發音哨偵測器具有簡易、安全、小型化、廉價及耐用性佳等特性，且因其使用之原理為閉管空氣柱發音之物理現象—藉由聲音的頻率變化推算出進樣氣體之分子量或體積，故於使用時可省去傳統儀器分析方法時需先使用標準品進行校正曲線工作的特性。 利用微型發音哨與自主裝氣相層析儀的結合可大為減少傳統氣相層析儀體積龐大過於笨重的問題，若再搭配自動進樣系統的改良，即可進行長時間的氣體監控。目前已將氣相層析儀搭配微型發音哨的裝置應用於1. 儲氫材料釋氫溫度之研究。2. 人體呼吸商之檢測。3.種子萌芽呼吸作用中氧氣與二氧化碳濃度檢測。4. 釀酒過程中酒精濃度監測。   █ 微型化發音哨的簡介 一、原理： 1.          格雷姆擴散（逸散）定律：高中課程中曾討論擴散定律，微型發音哨即架構於擴散定律中，已知於擴散定律中得知氣體擴散（逸散）速率與氣體分子量的關係為，亦即氣體的分子量愈小，其擴散（逸散）速率愈快。 2.          閉管空氣柱發音頻率：氣體的流經發音哨的開口端時，會使管內空氣柱發生振動形成駐波發音，其發音頻率，其中ƒ為閉管空氣柱產生共振聲音的頻率，為共振腔的長度，為氣體運動的速率。   由以上兩個基本原理結合可知當不同分子量的氣體流進哨子口後，會使哨子的共振腔產生不同頻率的哨音—當分子量愈大的氣體通過時，哨子發出聲音的頻率愈低，反之亦然。此時，哨音可藉由麥克風接收並同步以LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程式進行快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)，獲得即時聲音頻率的變化，並可藉由聲音頻率變化量反推得知流經氣體的分子量或特定氣體的濃度，以達定量分析之目的。   二、微型發音哨的結構： 微型化發音哨的長度約5 mm～20mm之間，主要材料為外徑3 mm，內徑1 mm之鐵氟龍管，並以直徑為1 mm之銅柱作為微型發音哨閉口端之填充物與哨口結構之材料。   三、微型發音哨的製作方法： 1.          首先準備外徑3 mm、內徑1 mm，長度約為15 mm之鐵氟龍管。 2.          利用銼刀將直徑為1 mm之銅柱磨製成梯形結構，其中銅柱的最大厚度應介於0.85 mm～0.95 mm之間。 3.          將梯形銅柱由最厚端推入鐵氟龍管中，至深度約為5 mm止。 4.          鐵氟龍管的另一端取直徑為1 mm銅柱推入至深5 […]