微生物的奇幻旅程：食物為何變得好壞壞？ ──「PanSci TALK：生鮮食品該如何保存」

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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• 文／林芸寬、張愷丰、張庭瑀、郭亮均、林詠真 

最新研究：寵物與新生兒健康的密切關聯

現代家庭飼養寵物的比例逐年上升，貓狗已成為人類最親密的夥伴。農業部最新（2023）的資料發現，臺灣飼養貓狗的比例上升，家犬較上一期（2021）增加 19%；家貓較上一期增加 50%。然而，許多新手父母常擔心，飼養貓狗可能會影響新生兒的健康，像是引發呼吸道過敏等疾病，但近期的科學研究提供了相對令人安心的解答。 

科學家發現，飼養貓狗也許有益家庭中新生兒的健康。最新研究證實，家中貓狗不僅能增添樂趣，更能減少新生兒感染呼吸道疾病的機率。早在 2012 年，就有芬蘭研究團隊追蹤鄉村地區 397 名新生兒，自出生到一歲的健康狀況，發現有飼養貓狗家庭中的新生兒，較少感染呼吸道疾病。研究詳實記錄貓狗與新生兒的互動頻率，及其對新生兒健康的影響。

腸道菌相的力量：微生物如何提升寶寶免疫力

今（2024）年聖路易華盛頓大學兒科團隊發表在《Pediatrics》的最新研究，分析新生兒的就醫紀錄，並透過對父母的訪談，探討「親餵母乳」、「家中飼養貓狗」、「新生兒醫療需求」三者間的關係。研究發現，親餵母乳且家中有飼養貓狗的新生兒，出生六個月內對醫療服務的需求相對較低。華盛頓大學團隊推測，這可能是貓狗身上的微生物 ，增加了環境中微生物多樣性，並影響新生兒的免疫力。 

環境中微生物多樣性，與新生兒免疫力的關係為何？至今仍是未解的問題，但根據現有的研究，這很可能與新生兒體內「腸道菌相」的差異有關。「腸道菌相」是胃腸道中的微生物群落，由細菌、病毒和真菌組成，它們在我們的免疫系統發展中扮演了重要角色，特別是在生命的早期階段，對腸道的健康和功能有著深遠的影響。

為何養狗的新生兒感染率更低？

2023 年的一項研究，進一步探討環境中微生物多樣性與新生兒免疫力之間的關係，揭示腸道菌相的多樣性在在影響了新生兒的健康。研究顯示，家中飼養狗的新生兒，其腸道中的梭桿菌、科林氏菌和瘤胃球菌等菌群明顯較多，這些菌種的豐富性有助於免疫系統的發育，也可能有助於減少新生兒過敏與氣喘的風險。

有趣的是，這份研究也提到，對於喝配方奶的新生兒而言，其腸道菌相的組成與養狗有關，「與狗接觸」可能成為他們獲取環境微生物的替代途徑，補充因缺乏母乳餵養而缺少的微生物，從而幫助免疫系統的發展。

目前研究雖無法直接證實接觸貓狗可以增強免疫力，但可以確定的是，接觸貓狗的小孩，腸道內的微生物多樣性高，也比較不容易生病，新手父母可以不用太擔心養狗對小孩發育的影響。同時，與狗接觸還能改變嬰兒腸道中的微生物組成，這或許有助於減少呼吸道疾病的發生風險。

資料來源： 

1. https://www.moa.gov.tw/theme_data.php?theme=news&sub_theme=agri&id=9418
2. https://publications.aap.org/pediatrics/article/130/2/211/29895/Respiratory-Tra ct-Illnesses-During-the-First-Year
3. https://www.nature.com/articles/s41390-024-03200-9
4. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/cea.14303

無知的代價：產褥熱

故事說到這裡，此時此刻，人們依然只能透過顯微鏡、放大鏡等工具，追尋微生物的芳蹤。當然啦，發現微生物是一回事，要確認這些微生物與特定疾病的相關性，並且證實它們的致病性與致病機制，則完全又是另一回事。

然而，產業救星巴斯德先生在拔了一根草、測了測風向以後，敏銳的發現，風向是會改變的。在與微生物和疾病的永恆戰鬥中，人類也不會永遠的屈居下風。

巴斯德的重心，逐漸從化學轉移到微生物之上。他雖然不是醫生，也不是婦女，卻對婦女的生死大關特別有興趣。

在十八世紀到十九世紀之間，有多達百分之三十的婦女，會在生產後的「產褥期」，受到細菌感染而持續發燒，稱為「產褥熱」（puerperal fever）。

當時，產褥熱的致死率相當高，一旦受到感染，有百分之七十五的產婦可能會挺不過去，一手接生一手送死，悲傷的故事在醫院裡不斷上演。

被忽視的警告：「不要碰完屍體去接生！」

一八四三年，美國醫生霍姆斯（O. W. Holmes）在論文中提到，不少醫生會在解剖完屍體之後，再為產婦進行接生，這些產婦中，染上產褥熱的比例也偏高。

但是，當時的醫學界並不認同霍姆斯的觀點，將他的提醒當成了耳邊風。

與此同時，在著名的維也納大學醫學院中，匈牙利醫師塞麥爾維斯（Ignaz Philipp Semmelweis），正為了附屬醫院中，遲遲無法下降的產婦死亡率而苦惱著。

即使進行了詳細的大體解剖，塞麥爾維斯也無法找出產褥熱的原因，只能眼睜睜的看著產婦一邊期待著新生命的降臨，一害怕著死神將揮舞著鐮刀，收割她們的性命。

心痛的塞麥爾維斯，於是將目光轉向產房細節。他注意到，如果產婦居住在解剖室旁的產房，產褥熱的比例更居高不下；反觀助產士教學病房裡的產婦，死亡率就明顯較低。

塞麥爾維斯於是推測，或許在屍體中帶有某種毒素，經由負責解剖的醫生、實習生的雙手，在接生或產檢之際進入產房，造成了產婦的死亡。

只是洗個手，死亡率剩下原本的 1/4

一八四七年，塞麥爾維斯決定，要求產科裡所有醫生、實習生，特別是那些剛進行過大體解剖的小夥伴們，在為產婦接生或檢查之前，務必要用肥皂與漂白水浸泡、清洗雙手，並澈底刷洗指甲底下的汙垢。

果不其然，一個簡簡單單的洗手動作，就讓院內產婦的死亡率，從百分之十二下降到百分之三！可喜可賀！

按照常理思考，我們可以大膽推測，接下來的劇情發展應該是：「塞麥爾維斯被譽為英雄，他所推行的洗手習慣，立刻被全世界廣泛採用……」

NO～NO～NO，塞麥爾維斯拿到的，可不是這麼簡潔、老生常談的劇本，故事尚未劇終，本章節依然未完待續。

事實上，他的重要發現並沒有受到醫學界的認可，連病房主任也說，死亡率的下降，是醫護同仁們用心禱告的結果，跟洗不洗手什麼沒啥關係。

不僅論點違背主流風向，許多醫生甚至覺得，塞麥爾維斯的說法，根本就是在說「醫生手很髒」或「病從醫生來」，對此，他們表達強烈的不憤怒與不滿。

讀到這裡，我們或許會覺得，只是洗個手，有那麼痛苦那麼難嗎？殊不知，即便是疫情當前的今日，對於這個倡導手部衛生的建議，依然有人會感到不滿與抗拒。

如此一想，一百多年前的醫生們不想洗手，好像不是多麼不可思議的事情了。

──本文摘自《厲害了，我的生物》，2022 年 8 月，聚光文創，未經同意請勿轉載。