夫朗和斐誕辰｜科學史上的今天：3/6

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

本文轉載自顯微觀點

主持台大生醫光學實驗室的朱士維，在 2023 年初兼任台大學務長。他一面落實以學生為核心的大學價值，一面持續鑽研光學與生物組織、奈米結構的互動。

近年朱士維參與的研究包含觀察「活的小鼠大腦」如何自我調節、以光激發出奈米材料的新物理性質等。這些研究登上《自然通訊》（Nature Communication）、《先進科學》（Advanced Science）等重要期刊，以尖端光學技術為腦科學、奈米材料探照未知之處。

對於生醫領域的精密光學應用，朱士維說明，光學顯微技術介於醫學造影和電子顯微鏡之間：醫學造影提供即時成像，但解析度不夠精密。電子顯微鏡可以達到奈米解析度，卻無法保持樣本活性。而持續發展的光學顯微術則開始達成快速的高解析度活體影像，讓科學家看到真實生理。

活體顯微影像的追求不出四大方向：對比、解析度、穿透深度、速度。

– 朱士維

雙光子顯微術搭配人工智慧 追上神經生理

2024 年，朱士維領銜的台大、清大聯合團隊研發高速體積成像系統 TAG-SPARK (TAG-lens-based SPAtial redundancy-driven noise Reduction Kernel)，以可調式聲學梯度變焦透鏡（Tunable Acoustic Gradient, TAG lens）結合自我監督式深度學習演算法，顯微影像成果比單用雙光子顯微術清晰 10 倍，掃描速度快上近 1000 倍。

TAG-SPARK 的聲學梯度變焦透鏡，以聲波控制特殊透鏡內的液體振動、改變折射率，使雙光子顯微光路可以在 1 秒內完成多個深度的對焦，快速建立 3D 影像。在高速體積成像的支援下，研究團隊設計的演算法利用每層平面影像間豐沛的空間冗餘（spatial redundancy）資訊進行去噪（noise reduction），讓影像訊噪比改善7倍以上。

高速度和高品質的立體顯微影像，讓科學家以接近神經運作的速率，觀察活體小鼠的小腦動態。研究團隊以小腦中的柏金氏細胞（Purkinje cells）作為觀察目標，它們是小腦皮層唯一的輸出神經元，掌控小腦的訊號傳輸與身體日常運作。柏金氏神經細胞的樹突緻密分布於小腦皮質最外側的分子層（molecular layer），細胞體則聚集在更深處的分子層與顆粒細胞層（granule cell layer）之間，獨立形成柏金氏層。

傳統顯微方法不易穿透其深度觀察細胞體動態，若使用共軛焦顯微術，強力激發光卻容易傷害腦細胞。但雙光子顯微術在觀察活體組織時，則可以提供較深的焦平面和較低的光毒性。

透過 TAG-SPARK, 研究團隊不僅詳細記錄柏金氏細胞動態，更發現相同的樹突訊號能導致柏金氏細胞體產生不同反應，呈現前所未見的有趣訊號模式。朱士維相信「意識是資訊的集合」，高速立體光學成像系統能讓我們看見腦中資訊的聚散，更進一步接近「何謂意識」這個世紀之謎。

朱士維也參與由台大生科系教授陳示國領導的跨校團隊，以雙光子顯微術結合梯度折射（Gradient-Index, GRIN, 物鏡內有不同折射率的微型透鏡平行排列）內視鏡，觀察小鼠的晝夜節律神經系統的真實運作狀況。

這支結合生命科學、物理以及工程科學的研究團隊測試大腦底部「視交叉上核」（suprachiasmatic nucleus，SCN）神經細胞對光線變化的反應。在團隊中，朱士維負責提供精密顯微影像，研究活體腦神經元生理不可或缺的觀察工具。

團隊利用朱士維研發的雙光子-GRIN顯微內視鏡（雙光子顯微術搭配GRIN內視鏡），從樹突叢集的鼠腦表層看進神經細胞體聚集處。他們發現，即使樹突受到相同光訊號刺激，節律神經細胞體可能以不同的方式回應，並由複數神經元整合資訊，再行輸出訊號給下游神經元。

研究團隊認為，在多種神經元的交織協力下，晝夜節律的神經生理呈現高度動態變化。神經細胞活動與光照的關係並非傳統想像的線性模式，而是雙穩態（bi-stability, 系統中有 2 個調節開關）的靈活調控，而單一類型神經細胞對光照的反應難以預測，生理時鐘內還有許多奧秘等待探索。

與跨領域學者合作，並非一帆風順。朱士維坦言，跨足生物學領域，他還有很多知識要補充、溝通門檻要跨越。

他笑稱，「光是合作對象經常討論的果蠅蕈狀體，我聽了 3 年才認為自己真的懂了。」對他來說，跨領域合作最重要的收穫之一，就是尊重不同領域之間的知識含量。其次，則是溝通的技術。

我維持了幾年的一知半解才了解合作對象的語言，那我務必要讓自己說出來的話非常容易理解。

– 朱士維

除了生醫應用，朱士維也在物理工程領域探索新的光學現象。他與中國、日本學者合作研究奈米材料上的非線性光學，發現與米氏散射原理相關的移位共振，能夠激發矽奈米結構的多極模態（multipolar modes）。

透過共軛焦反射顯微鏡光路達成的多極模態，讓奈米材料展現幾項嶄新的光學效應，如更低的光學非線性閾值、光開關的訊號反轉（sign flip）、空間解析度提升等。不僅開啟了操控米氏共振的新方法，也擴張了超過百年的經典光散射理論。

這些精采研究涵蓋跨領域、跨國界的合作，並非巧合，而是出於朱士維的世界觀。他深信，「真實世界的所有問題，都是跨領域問題。」在大學教室裡，他也以此觀念為學生設定學習方向。

討論與實作優先的大學教育

在大一、大二的基礎課程中，朱士維就會要求學生提出研究計畫、動手進行研發。他強調，讓學生從具體而明確的問題出發，親手進行研究。在研究中遇到挑戰、企圖解決時，學生自然會尋找需要的知識。

朱士維回想，「修課學生果然從很務實的角度發想，有人的提案是『保證起床的鬧鐘』，結合物理知識和現實可行的元件，做出不會被輕易關掉的鬧鐘，讓他可以準時上課。他在學期末真的做出了這個鬧鐘。」

朱士維認為，在豐富的現代資訊環境中，幾乎所有理論知識都可以線上學習，在教室上實體課程的必要性遠不如以往。至於實體課程最珍貴的部份是讓人當面討論、激盪想法，讓積極學習的學生們能夠聚集、交流，而非要求學生安靜聽課、被動吸收。

朱士維相信，大學教育的重要目標之一，是訓練學生主動採取行動的習慣，並讓他們知道必須主動追求，才能完成自己心中的期待。因此親自規畫、動手（腳）實踐，是他所有課程的必備基礎。

除了物理系，朱士維也在臺大創新設計學院（College of Design and Innovation，簡稱 D-School）開設課程，引導學生以「設計師」、「使用者」觀點建構自己的大學生活與生涯規劃。

朱士維特別說明，D-School 設有創新領域學士學位學程，讓學生能夠跳脫舊有領域框架自訂學習主題。讓學生能實現自己對知識的構想，或許比舊有科系分野更能適應快速變化的社會。他強調，「學生原創的課程組合，是可以得到學士學位的。」

主修社團，副修電機

談及學習經驗，朱士維說，「我常常說自己大學主修『嚕啦啦社』，副修電機系。大學4年中至少有1年在山上過，成績排名也因此往往是後半段。」但他認為，自己重要的「能力」如溝通協調、事前規劃、親手解決問題的信念，都是在社團經歷中學到的。

朱士維回想，他在高中時參與了救國團服務隊舉辦的山區營隊，活動內容相當刻苦簡樸，但他十分羨慕服務隊成員們能住在優美山林間，心想「等我上大學，一定要成為其中一員。」

進入台大嚕啦啦社並擔任服務隊員後，朱士維不僅培養了在山野間帶隊行進的嚮導經驗，也經常為了團康活動面對群眾。他說，「服務員經常得一手掌握團隊氣氛，活動才會成功。」他回想，當年為了達到這樣的能力，投入許多時間認真練習，經過跌跌撞撞的多次嚐試，才塑造出自己的風格。

後來得到「優良導師」與多次「教學優良教師」獎項的朱士維分析，這種能力其實就是「溝通」。但是他當時並非盤算著，「有天我會成為教師，能把這種技巧發揮在教室裡。」而是對當下的任務很投入，進行一件自己真的很想做的事情，在過程中內化了這項能力。

做學術研究不可或缺的計畫書，我也是在社團學到怎麼寫的，因為當時想申請更多經費來辦活動。朱士維

因為自身經歷，朱士維相信，讓學生能投入自己真的想做的事情，才能培養長期的能力與素養。為了帶給學生自由探索的時間與空間，朱士維也強力支持 D-School 中的「探索學習」計畫。

選擇「探索學習」的學生，不再受到學期學分下限要求，可以自行前往校園外進行探索，建構自己的志向與經驗。選擇此計畫的學生，有人加入 NGO、有人進入動物園與馬場實習，還有人搭乘無動力帆船橫跨大洋，獲得課堂中無法給予的重要體驗。

朱士維認為，親身體驗，遠比聽講的學習效果更好。而離開校園探索世界的深刻體驗，未必會讓人遠離學術。

提及學術起點，朱士維不好意思地說，當年之所以報考台大光電研究所，「是因為想要繼續參加社團，要是離開台大，社團生涯就結束了。」

研究所開學不久，921 大地震撼動台灣，中部災情尤其嚴重。朱士維聽聞大學時期經常前往、充滿熟悉與認同的南投山區也遭受重創，便和指導老師孫啟光請假，前往災區協助賑災。

朱士維回憶，孫啟光乾脆地答應他的請求，即使他離校超過一個月才回歸實驗室，也不曾額外施加壓力。經過了在南投山區鎮日搬運物資、不時目擊傷亡狀況的賑災經驗，他回到台大光電研究所時，同學們大多已在研究軌道上運作。

朱士維說，「當時我並沒有對研究成果想太多，而是想回報孫老師。因為他給我很大的彈性、研究主題又有趣，就專心投入他的計畫。想不到，幾個月後研究成果竟登上國際期刊。至今我還記得看到自己名列期刊之中的感動，也在那時開始覺得『我或許可以走學術這條路！』」

因為充滿因緣際會的生涯際遇，朱士維相信，「全心投入的事情，都會在生涯某處開花結果。比起嚴密生涯規畫更重要的，是當下的自己、周遭的人與環境，找到自己想投入的事情。」

從「好好生活」出發的學務長

一進入朱士維的學務長辦公室，能看到一幅對聯「好好生活。感恩助人」，書桌後方則並列三幅春聯「好好生活」、「好好吃飯」、「好好睡覺」。

朱士維說，學務處實際上掌管學生除了成績外的所有在校事務，而大學除了學業成績外，更應該協助學生培養人格和價值觀。因此，他將學務處設定為學生在校期間的支持與賦能來源。

台大學務處網站上的理念「好好生活，吃飯睡覺運動交友；感恩助人，學生互助回饋社會。」就是朱士維為學務處設立的目標。他強調，將學生推向世界，能夠與自身、週遭人事物建立真實的連結，是比追求課業成績更優先的大學價值。

因此他規劃學務處擴改善硬體設施、增加軟體服務，從社團資源、宿舍、餐廳、心輔中心到新的經濟支持計畫，提供學生友善、包容的生活環境。他期待學生能夠在生活中感到安定，進而察覺值得感恩的事，得到感激並協助他人的能力，形成助人的循環。

朱士維回想，自己在台大的社團與求學經驗都讓他心懷感恩，包括在台大擔任教師也是非常幸運的事。現在，他致力為台大學生建立可以安心探索自我與真實世界的大學環境，以充滿感動的學習經驗，取代孤獨且競爭激烈的人生賽道。

• 林百尉　中央研究院民族學研究所
• 柯維盈　中央研究院歷史語言研究所
• 劉致慧　中央研究院歷史語言研究所
• 陳光宇　紐澤西州立羅格斯大學
• 黃銘崇　中央研究院歷史語言研究所

1928 至 1937 年間，中央研究院歷史語言研究所（以下簡稱史語所）於河南安陽小屯村周圍進行 15 次發掘，發現晚商時期的大量遺存，包括宮殿宗廟區的大型建築基址、西北崗的大型王陵、墓葬、祭祀坑等遺跡，以及青銅、陶、玉、骨等遺物，首次在考古學上證實以安陽小屯為中心的區域，是晚商的都城殷墟。除此之外，更發現了兩萬多片甲骨，包括 1936 年發現大量未經擾動的甲骨層、備受學者矚目的 YH127 坑，^[1]目前皆收藏於史語所。

過去學者對甲骨塗色現象多有關注，然而，由於缺乏科學儀器及技術，長期限於肉眼辨識顏色種類，以及推測顏料成分。近年，我們系統性整理史語所藏殷墟甲骨上的塗色現象，並採用拉曼光譜分析其顏料成分，首次揭開甲骨色彩與顏料的神秘面紗。

甲骨塗色現象的肉眼辨識記錄及其限制

甲骨塗色的記錄，始於 1910 年羅振玉《殷商貞卜文字考》記錄甲骨文字塗朱、墨；其後，王襄（1925）、容庚（1933）等著錄皆有提及塗朱、墨的現象。^[2]對史語所發掘甲骨文字所塗顏色的觀察，始於 1929 年董作賓〈新獲卜辭寫本後記〉，將所見塗色分為朱、墨兩種。屈萬里在《殷虛文字甲編考釋》中，更將顏色分為朱、墨、赭、淡紅、黃、紫等色。張秉權對 YH127 坑甲骨進行復原、綴合和考釋，出版《殷墟文字丙編》，以單版甲骨為單位，逐版記錄甲骨文字的塗色與褪色狀況，分成硃、褐、墨三種顏色，並直言其顏料成分有待定性分析。^[3]

除了史語所 1928 至 1937 年發掘的甲骨之外，1950 年後殷墟的考古發掘繼續進行，陸續出土許多甲骨。其中，最有名的兩次發現為 1973 年於小屯南地發現五千餘片甲骨、1991 年於花園莊東地 H3 坑出土 659 件龜腹甲、25 件背甲和 5 件卜骨，分別著錄於《小屯南地甲骨》與《殷墟花園莊東地甲骨》，並有塗朱、塗黑等現象的記錄。^[4]

2014 年，林宏明在檢視大量甲骨彩照之後，認為過去學者所判斷的顏色，可能受到埋藏環境及時間的影響，且無法確定是否為商人所塗原色，因此主張僅以塗朱、塗墨區分即可；而其學生林雅雯則認為褐色與朱、墨有顯著差異，提出甲骨塗色應有朱、墨、褐三色。^[5]

以上對甲骨塗色現象的記錄，皆為肉眼辨識，並未透過科學技術和方法進行顏料成分的定性分析。肉眼辨識的缺點，除了在人對顏色的感知和判斷標準不同之外，甲骨所塗顏料經過多年地下埋藏，可能導致嚴重的褪色，進一步使得今日學者肉眼辨識的顏色，不見得是晚商製作甲骨時所施用的顏色。除此之外，肉眼辨識僅能推測顏料材質，無法予以證實。因此，透過當代科學技術和方法進行顏料成分的定性分析，成為進一步討論甲骨塗色現象及其可能意義的突破點。 

拉曼光譜用於分析甲骨所塗顏料的可行性與突破性

過去使用科學方法檢驗顏料性質的研究，僅有 Benedetti-Pichler 透過傳統濕化學分析法，刮下普林斯頓大學所藏甲骨上的紅色顏料，推測其為硫化汞，存於自然界的硃砂。^[6] 然而，這種侵入式方法不僅方法繁複、造成文物耗損，且僅能測出顏料可能的成分元素，而非分子結構。

目前學界常見的其他分析方法，包括氣相色譜—質譜聯用分析法（GC-MS）、傅里葉轉換紅外光譜分析法（FTIR）、核磁共振法（NMR）以及 X 射線螢光光譜法（XRF）；然而，如學者所指出，這些方法或需進行化學預先處理、或易受不同因素干擾、或無法進行物相分析等。因此，非侵入式、高效的拉曼光譜（Raman Spectra），成為受到重視的分析方法。^[7]

1928 年，印度科學家拉曼（Chandrasekhara Raman）發現，光線穿透透明液體時有散射現象，散射光的波長與原入射光不同，此一現象被稱為拉曼效應。波長改變的數值，反應分子內部的化學鍵振動（包括轉動）與不同能階的間距。因此，入射光與散射光的頻率移動差距，與分子的化學鍵與構成元素，有一定的密切關係。換言之，透過某一特定化合物入射光與拉曼光頻率之差所得光譜，等於該化合物的分子指紋（molecular fingerprint）。  

由於拉曼散射強度僅為入射光的千萬分之一，直到雷射器問世，能提供優質、高強度的單色光，方推進其研究與應用。拉曼光譜儀結合共聚焦顯微鏡及雷射器，形成精準微量取得分子指紋的理想組合，可迅速辨識樣品中的各種化合物。自 2000 年代技術成熟之後，拉曼光譜已被學界大量用於分析考古所出土無機質類（包括陶瓷、玻璃等）、有機質類（包括竹木漆器、紡織品、紙質等）以及複合類（包括壁畫、彩陶等）文物，進行顏料成分鑑定、膠料及有機殘留物鑑定、胎體分析，以及真偽鑑別；其中，顏料成分鑑定被廣泛用於壁畫、紙本手稿、漆器、陶器，以及青銅器等，為學者提供關於古代文物所塗顏料種類、來源、製作方法，以及彩繪復原的重要材料。^[8]

過去學者對甲骨塗色現象多有關注，然而，由於缺乏科學儀器及技術，長期限於肉眼辨識顏色種類，以及推測顏料成分。使用拉曼光譜分析甲骨所塗顏料，不僅具有技術上的可行性，更在相關研究上具有突破性。近年，我們系統性整理史語所藏殷墟甲骨上的塗色現象，由本所文物維護實驗室採用拉曼光譜進行分析。

實驗採用美國 Horiba Jobin Yvon 所出產 iHR320 拉曼光譜儀，採用共焦型—夾縫空間率波法，搭配 Olympus LMPLFLN 50x/0.50 物鏡或 PLL 80x/0.80 物鏡及 CCD 感光元件（1024×256 pixels）偵測儀，搭配 632.8nm 雷射光源約 17mW，物鏡下有效雷射能量約在 1.29-0.11mW 之間，將甲骨直接置於物鏡下進行顯微拉曼分析。此種無損分析方法，不須取樣或事前制樣作業，可針對甲骨刻辭塗色殘留區域進行分析。每件樣本分析前，須以單矽晶片校正光譜。進入分析過程後，先以 10x 物鏡觀察顏料殘留集中區域、避開纖維或汙染物干擾，再以 50x 或 80x 物鏡獲取圖譜分析位置，至少採集 1-5 次拉曼圖譜。條件設定如下：夾縫寬度（front entrance）約 100-400μm、光柵（grating）設定值為 1800 grooves/mm、曝光時間（Exposition）為 2-20 秒（sec）、掃描（Accumulation）次數皆為 1 次，可偵測波長範圍（wavenumber）為 100-4000cm-1。

綜上所述，透過非侵入式的拉曼光譜對甲骨所塗顏料進行成分鑑定，不但不必對甲骨進行任何化學前置處理作業，對甲骨刻槽中大小僅數微米的顏料顆粒，亦能借助顯微鏡，精準、迅速地獲得散射光譜。截至 2021 年，我們已檢測了史語所藏甲骨 48 片，並將所得結果與數據庫對照，確認甲骨所塗顏料的化學成分。^[9]

史語所藏甲骨上的色彩與顏料

本文精選史語所藏甲骨中，肉眼辨識色彩鮮明、具代表性，且經拉曼光譜分析證實，含括硃砂、赤鐵礦、碳黑、針鐵礦等不同顏料成分的 4 片甲骨，針對其形制、塗色分布、塗色刻辭內容，以及實驗分析顏料所得成果，逐片進行介紹。

由於下文將介紹甲骨上的塗色分布，在此先介紹龜腹甲的部位，以便讀者對照文字敘述與甲骨彩照，找到拉曼分析的刻辭位置。我們採用陳夢家《殷墟卜辭綜述》所繪龜腹甲線圖，^[10] 並於其上標示不同部位名稱（圖 1）。以下，針對本文所選 4 片甲骨，逐一進行介紹。

一、R041287（碳黑）

此版為一龜腹甲殘片，左右甲橋、下半部皆殘泐，表面有多處剝蝕，下端有一裂縫；全版長 13.7 公分、寬 12.2 公分。刻辭塗色部分，正面明顯塗黑；背面除左側占辭明顯塗黑，而首甲、中甲卜辭則呈現深褐色。甲骨正面及背面塗黑的刻辭均屬於生育事類，卜問商王武丁的三后之一——婦好分娩的時間和嬰兒性別，而武丁親自觀兆，並於占辭慎重推測丁日或庚日生男，而壬戌日則生女。然而，正問的驗辭「三旬又一日，甲寅娩；不嘉，惟女。」一段，記錄婦好是在 31 天後的甲寅日生出女嬰，生女不嘉，可見商人對於生男有所期待。^[11] 我們透過拉曼光譜分析本段驗辭中，位於正面左首甲和中甲交界處「甲」字（圖 2-1 A），發現其拉曼特徵峰值為 1365.8、1585.3 cm^-1（圖 2-1），為含碳黑顏料的特徵（圖 2-2），故判斷此處塗黑為碳黑。

圖 2-1　R041287 碳黑拉曼分析圖譜。 　　　　A. R041287 正面分析位置。B. 圖 A 紅點區 10x 物鏡下顯微照片。 　　　　C. 圖 A 紅點區 50x 物鏡下顯微照片。

圖 2-2　碳黑顏料樣品拉曼圖譜，拉曼特徵峰值為 1329.7、1581.1cm-1， 　　　　參考標準樣為 Kremer47710-碳黑色粉。

二、R044327（硃砂）

此版為一龜腹甲殘片，甲橋及下半部多有殘泐，長 23.8 公分、寬 20.7 公分。刻辭塗色部分，正面從中甲以降，前甲與後甲部位皆塗紅；正面首甲兆序和背面首甲刻辭同為塗黑，應是同組。塗紅之刻辭皆屬於建築事類，記錄貞人「爭」於壬子日及次日癸丑，卜問上帝是否順祐興築城邑一事，占卜次數高達 35 次；癸丑日亦卜問上帝是否順祐商人遷入此邑，高達 20 次；可見商人對此次「作邑」、「宅邑」之重視。「癸丑卜，爭貞：帝弗若？」一段屬於「宅邑」正反對貞的反問，位於左前、後甲交界，左後甲殘泐之處。我們透過拉曼光譜分析其中橫跨齒紋的「貞」字（圖 3A），發現其拉曼特徵峰值為 200.6、252.8、342.5cm^-1，為硃砂（硫化汞）的特徵峰，故判斷此處塗朱為硃砂（圖 3）。

圖3　R044327硃砂拉曼分析圖譜。比對樣本為Kremer-10620硃砂色粉。 　　　A. R044327拉曼分析位置。B. 紅點區10x物鏡下顯微照片。C. 紅點區50x物鏡下顯微照片。

三、R044358（硃砂、碳黑）

此版為一龜腹甲殘片，下半部殘泐，長 17.5 公分、寬 13.4 公分。刻辭塗色部分，首甲正面、自右向左的刻辭，與位於首甲、中甲背面的驗辭，皆為塗紅；位於左前甲正面邊緣的命辭，與位於左前甲背面邊緣的驗辭，皆為黑色；甲骨背面，中甲下方的卜辭為黑褐色；左右甲橋正面皆為黑褐色。刻辭屬於祭祀、氣象事類；正面塗朱大字的部分，卜問乙巳日酒祭下乙（祖乙），商王判斷該祭恐有禍害，應鑿牲祭祖以避禍。驗辭「乙巳酒，明雨，伐；既雨，咸伐，亦雨。卯鳥星」一段，講述乙巳日天亮時正在下雨，進行酒祭、伐牲一人；酒祭進行時，雨停，酒祭結束後，繼續下雨。當天亦兼用、卯兩種殺牲法祭拜鳥星。我們透過拉曼光譜分析位於正面中甲左半部的「既」字（圖 4-1 A），發現其拉曼特徵峰值為 200.8、254.3、343.4cm^-1，為硃砂（硫化汞）的特徵峰，故判斷此處塗朱為硃砂。位於背面中甲左半部的「戠」字塗朱，亦有相同的特徵峰（圖 4-1 C），顯示此版甲骨正背面大字塗紅均為硃砂（圖 4-1）。

圖 4-1　R044358 硃砂拉曼分析圖譜。比對樣本為 kermer-10620 硃砂色粉。 　　　　A. R044358 正面分析位置。B. 圖 A 紅點區 50x 物鏡下顯微照片。 　　　　C. R044358 背面分析位置。D. 圖 C 紅點區 50x 物鏡下顯微照片。

另外，我們亦分析位於背面左首甲、左前甲的刻辭「九日，甲寅，不酒，雨」，此段驗辭為正面命辭「丙午卜，爭貞：來甲寅，酒大甲」的驗辭，講述於丙午日貞問後九天，即甲寅日，並未酒祭大甲，當天即下了大雨。我們透過拉曼光譜分析其中位於左首甲的「酒」字（圖 4-2 A），發現其拉曼特徵峰值為 1376.7、1580.9 cm^-1，屬於含碳物質的頻帶，故判斷此處塗黑為碳黑（圖 4-2）。

圖4-2　R044358 碳黑拉曼光譜分析。 　　　　A. R044358 分析位置。B. 圖 A 紅點區 10x 物鏡下顯微照片。 　　　　C. 圖 A 紅點區 50x 物鏡下顯微照片。

 四、R044852（針鐵礦、碳黑、赤鐵礦）

此版為一完整龜腹甲，長 20.3 公分、寬 11.7 公分。刻辭塗色部分，正面首甲和左右甲橋上半部以塗黑為主，僅有卜辭「貞」等個別字塗紅；前後甲所刻卜辭以褐色為主，僅卜辭末「年」字塗黃；背面左右前甲到後甲的卜辭和占辭，以及左右尾甲的卜辭，皆塗黑，有些呈現黑褐色。整版刻辭有官吏和農業等事類，而褐色為主，部分塗黃之卜辭屬農業事類。我們分析位於正面左前甲的「丙子卜，韋貞：我不其受年？」，貞人「韋」於丙子日卜問今年是否豐收，此段為該正反對貞的反問。我們透過拉曼光譜分析「年」字黃色筆畫處（圖 5-1 A），發現其拉曼特徵峰值為 300.6、387.3、471.3、547.2、1086.6，與針鐵礦（Goethite，α-FeOOH）的拉曼特徵峰值（299.3、355.1、386.5、551.8、1303.0 cm-1）相近，故判斷此處塗黃為黃色針鐵礦，主要成分為氧化鐵，是常見的天然礦物顏料之一，又稱土黃（Yellow ochre）（圖5-1）。

圖5-1　R044852 針鐵礦拉曼分析圖譜。 　　　　A. R044852 拉曼分析位置。B. 圖 A 紅點區 10x 物鏡下顯微照片。 　　　　C. 圖 A 紅點區 50x 物鏡下顯微照片。

另外，我們亦分析了位於正面左尾甲的刻辭「貞：王其有曰多尹，若？」，此段貞問：商王說過多位尹官，是否吉利順若？我們透過拉曼光譜分析「若」字（圖 5-2 A），發現其拉曼特徵峰值為 227.4、297.9、411.7、1322.4 cm^-1，與赤鐵礦（Hematite，α-Fe ₂O₃）的拉曼特徵峰值（228.25、294.75、299.5、 413.5、1318.37 cm^-1）相近，故判斷此處塗朱為赤鐵礦（圖 5-2）。

圖5-2　R044852 赤鐵礦拉曼分析圖譜。 　　　　A. R044852 塗珠分析位置。B. 圖 A 紅點區 50x 物鏡下顯微照片。 　　　　C. 圖 A 紅點區 80x 物鏡下顯微照片。

最後，我們透過拉曼光譜分析位於背面左前後甲交界、近千里路處的刻字「𡧊」（圖 5-3 A），發現其拉曼特徵峰值為 1369.6、1587.4 cm^-1，與碳黑的拉曼特徵峰值相近（圖 2-2），故判斷此處塗黑應屬於碳黑（圖 5-3）。

圖5-3　R044852 碳黑拉曼分析圖譜。 　　　　A. R044852 背面分析位置。B. 圖 A 紅點區 50x 物鏡下顯微照片。

結語與討論

綜上所述，我們以拉曼光譜分析塗色甲骨所得成果及其價值，主要有三點：

第一，顏料成分的鑑定。過去對甲骨所塗顏料成分的討論，長期停留在透過肉眼辨識進行推測，無法予以證實；以科學方法進行分析者僅有一例，但該分析技術不僅為侵入式，且缺乏效率及準確度。我們團隊透過精準且非侵入式的拉曼光譜，分析不同顏色的顏料成分，得出以下成果：紅色顏料成分為硃砂或赤鐵礦、黑色為碳黑，黃色則為針鐵礦 （見表一），從而解決學界長期懸而未決的顏料定性分析問題。

第二，顏色種類的確定。過去學者對塗色甲骨進行肉眼辨識，所提出的顏色種類，主要為紅色、黑色和褐色。然而，肉眼辨識受限於個人對顏色感知和判斷標準的不同，且甲骨經多年地下埋藏，常有嚴重褪色現象，故肉眼辨識建立的顏色分類，缺乏客觀、準確的科學基礎。透過拉曼光譜分析所得顏料材質，我們得以證實在紅、黑、褐三色之外，必須加上黃色。關於褐色的來源，過去學者多認為其為紅色顏料褪色的結果；然而，經拉曼光譜檢測，我們發現其為黑色顏料褪色的例子更多。除此之外，我們亦發現部分褐色有其獨立的顏料來源，但仍無法確定其成分為何。儘管如此，透過拉曼光譜分析，我們得以建立具有科學分析基礎的顏色分類。  

第三，提供進一步研究甲骨塗色功能及意義的科學基礎及可能性。過去學者基於肉眼辨識建立的顏色分類，認為甲骨塗色的功能及意義，可能有美觀、區分和宗教等。然而，該顏色分類缺乏客觀性及準確性。我們透過拉曼光譜分析成果建立的顏色分類，不僅為學者提供客觀且準確的科學基礎，更增加了新的顏色種類，提供進一步研究塗色功能及其意義的可能性。

值得注意的是，本文所選四片甲骨中，內容相同的正反對貞或選貞卜辭（前辭、命辭、占辭及驗辭），即同組卜辭，所塗顏色大抵相同。R041287 正面卜辭與背面占辭，同為卜問婦好生育之事，且皆塗黑。R044327 正面大字卜辭，卜問興建、遷入城邑之事，左右正反對貞，且皆塗紅。R044358 的刻辭皆為祭祀、氣象事類，正、背面的同組卜辭，皆塗同色，分別為塗紅、黑。R044852 所刻對貞卜辭皆塗同色；其中，正面大字卜辭，卜問當年豐收與否之事，左右正反對貞，皆為褐色、僅尾字為黃色，且兆序多塗有黃色。同組卜辭塗色一致的現象，原因值得學者進一步研究。

綜上所述，透過拉曼光譜分析甲骨塗色現象，我們得以鑑定顏料成分、確定顏色種類，從而解決學界長期懸而未決的顏料定性分析問題，並建立客觀、準確的顏色分類，提供學者進一步討論甲骨塗色之功能及意義的可能性。本文透過精選具代表性的 4 片塗色甲骨，介紹其形制、塗色分布、刻辭內容，以及拉曼光譜對顏料成分的分析結果，將史語所具代表性的藏品，以及相關最新研究成果呈現於本文，以饗讀者。期能拋磚引玉，未來繼續開展對殷墟甲骨塗色現象及其功能與意義的研究。

表一　本文所選甲骨之拉曼光譜儀檢測結果^*　筆者製表

	史語所典藏編號	檢測位置	檢測刻辭	甲骨文字	拉曼光譜波數cm-1	顏料
1	R041287	正面，左首甲和中甲交界處	三旬又一日，甲寅娩；不嘉，惟女。		1365.8、1585.3	碳黑
2	R044327	正面，左前、後甲交界處	癸丑卜，爭貞：帝弗若？		254.0、342.5	硃砂
3	R044358	正面，中甲左半部	乙巳酒，明雨，伐；既雨，咸伐，亦雨。卯鳥星。		200.8、254.3、343.4	硃砂
		背面，中甲左半部	乙巳夕，有戠于西。		200.3、254.5、343.9	硃砂
		背面，左首甲	九日，甲寅，不酒，雨？		1376.7、1580.9	碳黑
4	R044852	正面，左前甲	丙子卜，韋貞：我不其受年？		300.6、387.3、471.3、547.2、1086.6	針鐵礦
		正面，左尾甲	貞：王其有曰多尹，若？		227.4、297.9、411.7、1322.4	赤鐵礦
		背面，左前後甲交界、近千里路處	庚戌卜，𡧊		1369.6、1587.4	碳黑

^* 每版均檢測多個刻字，本表僅舉數例，並使用粗體、畫底線標明被檢測字。

附錄：本文所引各版甲骨之彩照

註腳

• [1] Chi Li, Anyang (Seattle: University of Washington Press, 1977), 3-157.
• [2] 羅振玉，《殷商貞卜文字考》（玉簡齋石印本，1910），頁 31；王襄，《簠室殷契徵文．考釋．第一編》（天津：天津博物院石印本，1925），頁 2；容庚、瞿潤緡，《殷契卜辭》（1933 年），收入氏著《容庚學術著作全集．第一冊》（北京：中華書局，2011），頁 171、245-246。
• [3] 董作賓，〈新獲卜辭寫本後記〉，收入《安陽發掘報告（第一期）》（臺北：中央研究院歷史語言研究所，1929；1996 年景印一版），頁 212；屈萬里，《殷虛文字甲編考釋》（臺北：聯經出版公司，1984）；張秉權，〈序〉，收入氏編著《殷虛文字丙編．上輯（一）》（臺北：中央研究院歷史語言研究所，1957），頁 3-4。
• [4] 中國社會科學院考古研究所編著，《小屯南地甲骨》上、下冊（北京：中華書局，1980、1983）。中國社會科學院考古研究所編著，《殷墟花園莊東地甲骨》（昆明：雲南人民出版社，2003），頁 1575、1683。
• [5] 林宏明，《甲骨文中的塗朱卜辭研究》（科技部補助專題研究計畫成果報告，編號：NSC 102-2410-H-004-172，未出版，2014 年 10 月 30 日），頁 4；林雅雯，〈甲骨塗辭研究：以塗朱甲骨為核心〉（臺北：國立政治大學中國文學系碩士論文，2016），頁 83。
• [6] Anton Alexander Benedetti-Pichler, “Microchemical Analysis of Pigments Used in the Fossae of Incisions of Chinese Oracle Bones,” Industrial and Engineering Chemistry 9, no. 3 (March 1937): 149-152. 同年，白瑞華（Roswell S. Britton）發表文章介紹前者的研究成果，並據此認為甲骨塗朱的顏料即為硃砂。見 Roswell S. Britton, “Oracle-Bone Color Pigments,” Harvard Journal of Asiatic Studies 2, no. 1 (March 1937): 1-3.
• [7] 郭瑞、楊麗琴、楊璐，〈拉曼光譜法在彩繪文物分析中的應用進展〉，《光散射學報》，第 25 卷第 3 期（2013 年），頁 235-242。
• [8] 馮澤陽、張衛紅、鄭穎、朱鐵權、陳建，〈2000 年以來拉曼光譜在考古中的應用〉，《光散射學報》，第 28 卷第 1 期（2016 年），頁 27-41。
• [9] 柯維盈、林百尉、劉致慧、黃銘崇、陳光宇，〈甲骨刻辭之塗色及其意義——以 YH127 坑為例〉，收入《第二十一屆中區文字學學術研討會論文集》（臺中：逢甲大學中文系，2019 年），頁 1-48；陳光宇、劉致慧、柯維盈、林百尉、黃銘崇，〈甲骨刻辭塗色的拉曼光譜分析〉，收入宋鎮豪主編，《甲骨文與殷商史》新十輯（上海：上海古籍出版社，2020），頁 458-474；陳光宇、劉致慧、何毓靈、柯維盈、黃銘崇，〈殷墟出土甲骨、文物、棺土的拉曼光譜分析〉，《古今論衡》，37 期 （2021.12），頁 73-89；Jhih-huei Liu, Weiying Ke, Ming-chorng Hwang, Kuang Yu Chen, “Micro-Raman Spectroscopy of Shang Oracle Bone Inscriptions,” Journal of Archaeological Science: Reports 37 (2021), doi:102910. Available at ScienceDirect.com: https://doi.org/10.1016/j.jasrep.2021.102910. Jhih-huei Liu, Yuling He, Weiying Ke, Ming-chorng Hwang, Kuang Yu Chen, “Cinnabar Use in Anyang of Bronze Age China: Study with Micro-raman Spectroscopy and X-ray Fluorescence,” Journal of Archaeological Science: Reports 43 (2022), doi:103460. Available at ScienceDirect.com: https://doi.org/10.1016/j.jasrep.2022.103460.
• [10] 陳夢家，《殷墟卜辭綜述》（北京：中華書局，2008），插圖一。
• [11] 本文釋文參考張秉權，《殷虛文字丙編考釋》（臺北：中央研究院歷史語言研究所，1972）；朱岐祥，《殷虛文字丙編選讀》（臺北：台灣學生書局，2021）。