幫細菌分類的人──科恩誕辰｜科學史上的今天：1/24

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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本文轉載自顯微觀點

顯微鏡後的女性科學家系列

顯微鏡學的蓬勃發展，不僅促進了醫學﹑公共衛生的發展，而在這背後也有許多偉大的女性科學家參與其中。

屏東縣九如鄉一處養羊場有 3 頭羊確診「布氏桿菌病」，為台灣約 30 年來首例，動防所已撲殺感染羊隻並進行消毒。由於「布氏桿菌」為人畜共通傳染病，衛福部疾病管制署匡列 4 名牧場員工……。2023 年 12 月 9 日報導

由於乳製品滅菌的觀念普及，現在已很少聽聞布氏桿菌感染。這都得歸功於首先發現經由飲用感染布氏桿菌的生牛乳而導致人類得馬爾他熱，進而促成乳品全面巴氏消毒的細菌學家艾莉絲．埃凡斯（Alice Catherine Evans）。

從偏鄉教師到微生物學家

埃凡斯的祖父 1831 年從英國威爾斯移民至美國，她於 1881 年 1 月 29 日出生在美國賓州尼斯威爾斯社區的一戶農家。

埃凡斯在出生地念中小學，因當地沒有高中，她到了賓州托旺達（Towanda）的薩斯奎漢納學院（Susquehenna）就讀。1901 年畢業後，進入大學就讀的夢想因家裡無法負擔而破碎，且當時小學教職幾乎是唯一對女性開放的非基層勞力職業，因此她沒有多想就進入一所小學擔任 1 至 4 年級的教師。

她在家鄉和外地的小學共教了 4 年書後，得知有康乃爾大學農學院提供偏鄉教師免學費的自然科學課程。當時康乃爾大學的農學院院長貝利（Liberty Hyde Bailey）希望藉由受過訓練的教師，培養學生對大自然的熱愛、對植物和動物以及無生命世界的興趣。

埃凡斯申請了這項計畫，並用她四年教書的積蓄來到康乃爾大學，並選擇細菌學作為研究領域，指導教授是研究乳製品的微生物學家史托金（William A. Stocking）。

1908 年她獲得康乃爾大學農學院的學士學位，經指導教授推薦，獲得威斯康辛大學的獎學金；這是專門提供給專攻農化或細菌學研究的獎學金，且在此之前未曾頒給女性。於是埃凡斯前往威斯康辛大學繼續碩士學業。

但她雖然是拿細菌學獎學金，但在農業細菌學指導教授黑斯廷斯（Edwin George Hastings）的要求下，埃凡斯花了三分之二的時間研讀化學，並於 1910 年獲得碩士學位。 碩士學業最後一年，教授希望埃凡斯留下來繼續攻讀博士學位。雖然意識到這是不錯的機會，但大學和碩士學業已帶給她不小的經濟和精神負擔，加上博士學位在當時對科學家並非必要，因此她選擇不再繼續攻讀。

與布氏桿菌相遇

每個人都有自己的天職，天賦就是呼喚，有一個方向，所有的空間都向他敞開。他擁有靜靜地吸引不斷往前努力的能力。

——愛默生

幸運的是，埃凡斯獲得了農業部動物產業局（Bureau of Animal Industry）的研究職位。由於乳酪是威斯康辛州的重要產業，當時威斯康辛大學化學系和細菌學系與乳製品部門合作，研究更好的乳酪製作方法。

埃凡斯是該單位首位女性員工。當時的動物產業局官員沒有想到可能會選擇女性。據傳聞，官員們在一次會議中聽到一名女科學家將加入他們的工作行列的「壞消息」時，他們充滿了驚愕，甚至「差點從椅子上跌下來」。

埃凡斯的回憶錄寫到：「就我而言，進入動物產業局純屬意外，因為長官在女性就業屏障上留下了一個漏洞，我不知不覺地就鑽了進去。」但這在女性就業可說是一個重要的里程碑，因為除非對美國公務員提出嚴重的投訴，否則埃凡斯不會被任意解僱。

所幸埃凡斯的頂頭上司，乳製品部長羅爾（B. H. Rawl）與研究主任羅傑斯（Lore A. Rogers），都不認同其他高級官員對女性的敵意。她在此研究主題是牛乳中各式各樣的細菌，並了解這些類型細菌的來源。同時，她也每年在大學選修一門課，以充實知識。

研究過程中，她的目光漸漸集中到一個特定的對象，一種致流產的傳染性微生物。

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• 作者／陳建仁、胡妙芬
• 繪者／Hui

不只人傳人，動物也會傳給人

通常，親緣關係比較遙遠的動物，不會互相傳染疾病，例如魚和人，魚的傳染病通常不會傳染給人。但是，親緣關係較接近的動物，就有可能傳染共通的疾病，像是豬和人同屬哺乳類，豬的流感就會傳染給人，這一類的傳染病就叫做「人畜共通傳染病」。

自古以來，動物會傳染給人的疾病就不少，常見的像是從狗傳染給人的「狂犬病」、從牛羊而來的「炭疽病」，或由豬、馬、家禽而來的「日本腦炎」。但隨著人類生活與活動方式的改變，像是大量的畜養家禽、家畜，或是常常入侵野生動物的棲息環境，使得近幾年來人畜共通傳染病有越來越多的趨勢。

很多造成大流行的傳染病，像是 SARS、H5N1 禽流感、A 型 H1N1 新型流感和 COVID-19，都是二十一世紀後才冒出來的新興人畜共通傳染病。

我們都是狂犬病受害者

親緣關係相近的動物，不但身體構造比較類似，目標細胞外的化學物質也比較相近，所以容易被同一種病原體入侵，而得到共通的傳染病。例如狂犬病是一種由病毒引起的急性腦膜炎，被感染後一旦發病，致死率幾乎 100%。但是會傳染狂犬病的不只是狗，許多哺乳動物像是浣熊、果子貍、蝙蝠、狐狸、貓，也都可能傳染。所以如果不小心被這些動物咬傷或抓傷，應該緊急到醫院施打狂犬病疫苗。家裡的寵物貓、狗也應該每年接種狂犬病的疫苗。

A 型流感也是人畜共通傳染病

在常見的流行性感冒中，B 型流感只能人傳人，而 A 型流感卻是人畜共通傳染病。

有時候 A 型流感確實比 B 型流感容易傳染，因為除了人類之外，還可以傳染給家禽或鳥類等動物，所以病毒很容易因為在不同的動物之間傳來傳去，並出現基因突變、重組而形成不同的新型病毒株。

下圖標明的病種，皆為 A 型流感突變而成的新型病毒株，並在不同的動物之間傳來傳去。

——本文摘自《小大人的公衛素養課：流行病學×預防醫學》，2021 年 9 月，親子天下，未經同意請勿轉載。