面對令人聞風喪命的神經毒素，可預服的解毒劑終於要誕生了嗎？

本文由 ASM 委託，泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技，我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎？在半導體的世界，我們做到了！

如果將半導體製程比喻為蓋房子，「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊，透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路，再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體，最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片，我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下，塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此，半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶，一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機，來刻出更微小的電路。但別忘記，要做出這些複雜的設計，你都要先有好的基底，也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

現在，這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位，直徑約0.1奈米，等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度，而且還要長得非常均勻的薄膜，例如說3奈米就必須是3奈米，不能多也不能少？

這唯一的方法就是原子層沉積技術（ALD，Atomic Layer Deposition）。

小小的電晶體是怎麼做出來的？

蓋房子的第一步是什麼？沒錯，就是畫設計圖。只不過，在半導體的世界裡，我們不需要大興土木，就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上，形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先，工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層，進行第一次沉積，放上我們想要的材料。接著，為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案，會再塗上光阻劑，並且透過「曝光」，讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後，就會換個材料，重複沉積、曝光、蝕刻的流程，這就像蓋房子一樣，由下而上，蓋出每個樓層，最後建成摩天大樓。

薄膜沉積是關鍵第一步，基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎？不只是堆砌磚塊有很多種方式，薄膜沉積也有多樣化的選擇！在「薄膜製程」中，材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類，物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

化學氣相沉積是現今最常見的沉積技術

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料，特別適合使用化學氣相沉積法（CVD, Chemical Vapor Deposition）。CVD 的過程也不難，氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」，會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和，便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應，逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢？那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶（Epitaxy）技術！磊晶的過程就像是在為房子打「地基」，只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶，我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層，並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊，這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術，但隨著摩爾定律的推進，發展 3D、複雜結構的電晶體構造，薄膜也開始需要順著結構彎曲，並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

原子層沉積是什麼？

並不是說 CVD 不能用，實際上，不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術，在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是，隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈，電晶體的設計也開始如下圖演變。

看出來差別了嗎？沒錯，就是構造越變越複雜！這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說，如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料，就會出現像是清洗杯子底部時，有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量，雖然對杯子來說沒事，但對半導體來說，那些最靠近表層的地方，就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢？

材料學家的思路是，要找到一種方法，讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長，這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD，原子層沉積，顧名思義，以原子層為單位進行沉積。其實，ALD 就是 CVD 的改良版，最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」，讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度，並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段，我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步，要確保前驅物只會與基板產生反應，而不會不斷疊加，這樣，形成的薄膜，就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止，這就稱為自我侷限現象。此時，我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段，我們再注入含有 B 成分的化學氣體，與早已附著在基材上的 A 成分反應，合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應，將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面，每次沉積一個原子層的薄膜，我們就能實現極為精準的表面控制。

ASM 與 ALD、半導體產業攜手前進

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎？這個隱形冠軍就是 ASM！ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商，自 1968 年，Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來，ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年，ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率，也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

ASM 一直持續在快速成長，現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心，營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場，目前已在台灣深耕 18 年，於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室，並且在 2023 年於南科設立培訓中心，高雄辦公室也將於今年年底開幕！

當然，ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 作為半導體設備領導廠商，為了維持領先優勢，當然也得持續開發新技術。例如 PEALD，ALD 前面的 PE，是 Plasma Enhanced，所以這種改良技術就稱為電漿輔助式原子層沉積。做法是針對 ALD 的第一步，先以電漿方式，將氫、氧、氮等氣體電離成離子。這些氣體離子，例如氧自由基，會先將前驅物提前氧化，同時也氧化基材的表面原子，使其產生缺少電子配對、不穩定的「懸空鍵」。如此被活化的基材與前驅物，就更容易互相產生反應，解決過去 ALD 常遇到前驅物反應率不足的問題。讓反應溫度更低的同時還能加快反應速度，因此能滿足更多的製程需求。未來不論是 GAA 環繞式閘極電晶體還是其他製程，都會持續看到 ALD 技術的身影。

最後，ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇，就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢，絕對不能錯過！

本文由 美國穀物協會 委託，泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎？

2007 年，從台北的八座加油站開始，民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3，指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示，則代表不同濃度，最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10，巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

為什麼要加酒精呢？

單論玉米乙醇來說，碳排放趨近於零。為什麼呢？因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟，接著被採收，發酵成為玉米乙醇，最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環，淨排放都是 0，是個零碳的好燃料來源。

當然，我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此，美國農業部經過評估分析，2017 發表的報告指出，玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF（永續航空燃料）前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%，而根據國際民用航空組織（ICAO）的預測，這個數字還會成長，2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF，開始成為航空業減碳的關鍵，及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續，都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高，以食用油為原料進行氫化的 HEFA，以及酒精航空燃料 ATJ（alcohol-to-jet）。

每種燃料的原料都不相同，因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料，因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油，再進行「氫化」。

就引擎來說，我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵，以氫原子佔據這些鍵結，讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高，不易氧化，適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯，接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵，成為長鏈烷烴，性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化，但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外，HEFA 取用的油品來源來自餐廳，雖然是幫助廢油循環使用的好方法，但供應多少比較不穩定。相對的，因為 ATJ 來源是玉米等穀物，通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產，因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF，都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息，例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100％ 的 SAF 燃料完成飛行，締下創舉。

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析，在所有交通工具的碳排放中，航空業佔了其中的 12%，而公路交通則占了 77%。沒錯，航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%，但真正最大宗的碳排來源，還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢？有人擔心，酒精可能會吸收空氣中的水氣，對機械設備造成影響？

其實也不用那麼擔心，畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅，來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說，酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑，當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查，結果發現，由於 E10 汽油摻雜的比例非常低，和傳統汽油的化學性質差異非常小，這 50 年來的車輛，只要符合國際標準製造，都與 E10 汽油完全相容。

解惑：這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎？

在環保議題裡，這種原本以為是一片好心，最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範，例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明，生質乙醇等生物燃料確實有持續性，但必須符合「永續」的標準，並且因為使用的原料是穀物，因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是，隨著目標變明確，專門生產生質酒精的玉米需求增加，這也帶動品種的改良。在美國，玉米產量連年提高，種植總面積卻緩步下降，避開了與糧爭地的問題。

另外，單位面積產量增加，也進一步降低收穫與運輸的複雜度，總碳排量也觀察到下降的趨勢，讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭，低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外，生質燃料車，是否也是個值得加碼投資的方向？

參考資料

• Corn to Power Airplanes? Biden Administration Sets a High Bar. – The New York Times
• 台灣中油全球資訊網-加油站查詢
• https://grains.org.tw/最新科學研究：玉米燃料乙醇大幅減少溫室氣體排/
• USDA Releases New Report on Lifecycle Greenhouse Gas Balance of Ethanol
• https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bbb.2225
• 本田・GE100% 可持續燃料航空引擎測試成功
• 阿聯酋航空邁向永續 完成 100％ SAF 驅動單一引擎首航
• https://tcc-gsr.com/module-1/transforming-transport-and-mobility/

如果鄭捷用的不是刀。捷運攻擊的可能利器 – 沙林毒氣與氰化物的殺人機制。

文／ 陳奕均（台灣大學生化科技學系所）

最近的捷運砍人事件，造成社會恐慌，兇嫌鄭捷持刀攻擊多位無辜民眾，造成大量死傷。在地鐵的攻擊事件，全球皆有，除了直接以刀砍殺外，早在 1995 年，鄰近的日本即發生東京地鐵沙林毒氣事件，造成13人死亡及約6,300人受傷。而在 2002 年與 2006 年，都有人企圖以氰化物攻擊英國與美國地鐵。究竟沙林毒氣與氰化物為何物？他們是怎麼造成人類死亡？

氰化物

氰化物有三種常見種類，氰化氫（HCN）、氰化鈉（NaCN）及氰化鉀（KCN），氰化鈉及氰化鉀都是固態離子化合物。氰化物在體內解離產生的氰根離子 CN^－，會結合粒線體內膜上的細胞色素氧化酶，抑制細胞的呼吸作用，甚至造成死亡。

要深入了解氰化物的毒性原理，就必須了解呼吸作用。呼吸作用並非我們平時用鼻子吸氣吐氣，而是細胞把物質氧化分解並產生能量的過程，又稱為細胞呼吸（Cell respiration）。呼吸作用能產生許多的 ATP（三磷酸腺苷， Adenosine triphosphate, ATP），為人體中的能量代幣，儲存和傳遞能量。

呼吸作用分為三大部分，糖解作用（Glycolysis），檸檬酸循環（citric acid cycle, TCA cycle）以及電子傳遞鏈。葡萄糖在細胞質中藉由糖解作用轉換成丙酮酸（pyruvate），丙酮酸進入到粒線體以後變成乙醯輔酶A（acetyl Co A），進入檸檬酸循環。在糖解作用與檸檬酸循環的過程，除了會產生少量 ATP 外，亦會產生其他兩種能量代幣，NADH（菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸）與 FADH₂（黃素腺嘌呤二核苷酸），但是NADH 和 FADH₂ 這兩種代幣人體內無法使用。必須藉由電子傳遞鏈將NADH 和 FADH₂ 轉換成 ATP 才可供人體使用。而細胞色素氧化酶就是在電子傳遞鏈中扮演產生 ATP 的重要角色，當氰根離子進入體內和細胞色素氧化酶結合，會抑制提功能，細胞就不能將 NADH 與 FADH₂ 轉換成ATP 供人體使用，導致人體化學窒息，因而死亡。

打個比方，我們在糖解作用檸檬酸循環兩間工廠工作了一天，得到了 4 元新台幣、 10 元美金和 2 元人民幣，當我們拿著美金和人民幣電子傳遞鏈銀行要換新台幣時，卻發現負責換幣的細胞色素氧化酶被氰根離子打暈了。我們就只能拿 4 元新台幣去買便當，很快就會餓死。

在大氣濃度中要是含有 100 ppm的氰化物，則 30 分鐘內即會造成死亡，若是超過 270 ppm，則馬上會出現昏迷。若是直接口服，50 毫克就有可能致死。

在很紅的電視劇後宮甄嬛傳中，鸝妃安陵容最後吞食大量苦杏仁，不出半天的時間就死於宮內，就是因為苦杏仁會產生氰化物導致死亡。而看到苦杏仁有覺得很熟？名偵探柯南常在死者嘴巴聞到淡淡苦杏仁味，就會馬上推論出死者是因為氰化物而死，即是因為氰化物有苦杏仁的氣味。

沙林

沙林（sarin）最早是在1938年被德國納粹的科學家發現，1988年伊拉克以化學武器大量屠殺庫德族人，其中包含沙林毒氣。沙林之化學式為C₄H₁₀FO₂P，為有機磷化合物，是一種乙醯膽鹼酯酶（acetylcholine esterase）的不可逆抑制劑，攻擊人體神經系統，造成肌肉癱瘓，受害者窒息死亡。

乙醯膽鹼（acetylcholine），分佈在中樞及周邊神經系統，是神經傳導物質。體內神經之所以能傳遞訊息，乙醯膽鹼佔了舉足輕重的地位。神經傳遞時，乙醯膽鹼從軸突末梢經突觸裂隙與突觸後細胞膜上的受體結合，形成神經衝動，造成肌肉收縮。乙醯膽鹼和結合後，會被乙醯膽鹼酯酶水解為乙酸（acetic acid）和膽鹼（choline），終止神經衝動，肌肉就不再收縮。

沙林會解離出氟離子，剩餘離子中的磷酸官能基和乙醯膽鹼酯酶的絲胺酸（serine）形成共價鍵，導致乙醯膽鹼酯酶失去活性，此時乙醯膽鹼無法被分解，逐漸開始堆積，使神經衝動不斷地傳遞，造成肌肉與器官無法正常運作。因此，當人體由吸入高劑量的沙林毒氣後，肌肉系統與神經系通都被癱瘓，造成受害者窒息死亡。

打個比方，乙醯膽鹼就像令牌一樣，當受體拿到這個令牌，他就會指揮人類運動。本來只要跑100公尺，乙醯膽鹼酯酶就會把令牌搶走丟掉，受體就會叫人類不要跑了。但是沙林把乙醯膽鹼酯酶打暈，乙醯膽鹼酯酶無法搶走受體拿著的令牌，只能叫人類一直跑一直跑，跑到最後人就死了。

沙林在極小濃度就可以發揮極大毒性，成年人只要吸入0.6毫克即可致命。非致死劑量的沙林侵入人體，也會造成瞳孔縮小、胸部緊塞等症狀。可怕的是，沙林的毒性具有累積性，累積至最後就會導致人體死亡。

——

看了這兩種恐怖的有毒物質過後，我都覺得搭捷運好危險了！好在這兩種有毒物質政府都有在管制，一般人不易取得。但是如果有心的話，氰化物其實是蠻容易取得的。2005 年台中市發生的毒蠻牛事件，犯人就是在飲料裡面下了氰化物，造成人員死亡。而 2012 年則有男大學生在網路上輕而易舉購得氰化物自殺，說明氰化物管理的鬆散。希望我們政府能加強對這些可能的殺人利器進行管制，避免更嚴重的捷運攻擊事件發生。

處理方法

但是如果不幸真的中毒怎麼辦呢？針對氰化物中毒，已經有解毒包可以處理。解毒包主要原理為提供另一個物質來和氰化物結合，使細胞色素氧化酶恢復功能，電子傳遞鏈持續運作產生 ATP；解毒包裡面含有亞硝酸異戊酯（C₅H₁₁ONO）、亞硝酸鈉（NaNO₂）、硫代硫酸鈉（Na₂S₂O₃）。亞硝酸異戊酯與亞硝酸鈉會和血紅素反應，使其變為變性血紅素。變性血紅素會和氰化物結合，形成毒性較低的物質。硫代硫酸鈉則可以透過體內酵素的催化和氰化物反應，使其變成毒性較低的物質。雙管齊下，降低氰化物濃度，也降低對人體的傷害。

至於沙林毒氣，目前已經多半以阿托品（atropine）與解磷定（pralidoxime, PAM）併用進行治療。阿托品可以阻斷乙醯膽鹼受體和乙醯膽鹼結合，使囤積於突觸內的乙醯膽鹼無法作用。而解磷定可以再活化被磷酸物（沙林）結合而失去活性的乙醯膽鹼酯酶，恢復其水解能力，將乙醯膽鹼水解。兩種藥品藉由不同的路徑，前者不讓乙醯膽鹼和其受器結合，後者將乙醯膽鹼水解，共同降低沙林對人體的傷害。

參考資料

氰化物：

1. 氰化物的致命之吻。郭朝禎。科學發展。2012年3月，471期，42-49。
2. 氰化物中毒怎麼辦。黃欣怡。
3. Lehninger Principles of Biochemistry,Fifth Edition . David L. Nelson and Michael M. Cox. 2008. 527-543
4. Lehninger Principles of Biochemistry,Fifth Edition . David L. Nelson and Michael M. Cox. 2008. 616-634.
5. Lehninger Principles of Biochemistry,Fifth Edition . David L. Nelson and Michael M. Cox. 2008. 708-721.

沙林：

1. Neuroscience, Fourth Edition. Dale purves. Dale Purves, George J. Augustine , David Fitzpatrick , William C. Hall , Anthony-Samuel LaMantia , James O. McNamara , Leonard E. White. 2007.119-126.
2. 國立陽明大學生命科學系暨基因體研究所－小小神經科學：神經毒氣

處理方法：

1. 化學毒劑緊急救護及治療──以日本沙林為例。蕭開平。疫情報導。106-110。

相關新聞

1. 1995年沙林毒氣襲東京地鐵。蘋果日報。2014年3月20日。
2. 英國破獲驚天大案倫敦地鐵險遭毒氣襲擊。張莉。人民日報。2002年11月18日。
3. 蓋達擬毒氣攻擊紐約地鐵。大紀元。2006年6月20日。
4. 劇毒氰化鉀竟可網購　男大生服用「比死更難受」。ETtoday地方新聞。2012年 5月21日。
5. 毒蠻牛奪命千面人改囚終身。劉昌松、鄧玉瑩。蘋果日報。2010年03月19日。

• 文／林傑│有點反骨的人類。談談科學，再談談文學。

世界上最遙遠的距離，是解藥就在面前……

2017 年 2 月 13 日，就在情人節前夕，北韓領袖的同父異母哥哥金正男在吉隆坡機場遭到毒殺，在短短 20 分鐘內即窒息死亡，法醫在遺體眼睛及臉部發現了 VX 神經毒劑。

令人惋惜的是，檢方在金正男的隨身物品發現 12 瓶阿托品 (Atropine)，而那正是 VX 神經毒劑的解毒劑。到底是什麼樣的毒？能讓人在解藥面前，來不及治療而死亡。

真正的一日喪命散：VX 神經毒劑

「一日喪命散，是由七種不同的毒藥，再加上鶴頂紅，提煉七七四十九日而成，吃了之後一日之內會武功全失，筋脈逆流，胡思亂想，而致走火入魔，最後會血管爆裂而死。」──唐伯虎點秋香

到了現代，化學武器的「毒」比起電影的毒藥更稱得上一日喪命散這個名字，它只需極少的劑量就可在短時間內致命。

1950 年代開發的 VX 神經毒劑，它比起上一代的「沙林毒氣」更不容易揮發，容易殘留在環境及人體身上，殺傷力與擴散力比以往更強。即使被國際條約禁止，近幾十年來的戰爭或恐怖攻擊還是能夠見到它們的身影。

VX 與沙林都是有機磷化物，同時是乙醯膽鹼酯酶 (acetylcholine esterase) 的不可逆抑制劑。它們進入生物或人體中會與乙醯膽鹼酯酶結合使其失去活性，進而破壞神經系統傳導功能，造成肌肉及神經系統癱瘓，最後導致患者窒息而死亡。若是未及時接受治療，從接觸毒素到死亡只需要不到一個小時，甚至更短。

別以為這種毒不存在我們生活中，農藥中就有一部分是屬於有機磷農藥（如 1997 年被禁用的巴拉松）。當農藥在噴灑時，對於農民也是一大安全隱憂；根據世界衛生組織 (WHO) 統計，每年在開發中國家有超過二十萬的人因為有機磷農藥而死亡。

若是不幸吸入或接觸到有機磷毒素，目前只能以阿托品 (Atropine) 與解磷定 (Pralidoxime, PAM) 併用進行治療；但即使幸運地及時獲得治療，仍有可能受到不可逆的神經系統損傷，留下永久的後遺症。況且大部分的時候，醫護人員很可能無法立即抵達患者身邊。對於這種急毒性物質，難道人類就無力可施嗎？

幸好，科學家還沒放棄，想出了一個辦法：既然投藥治療很可能來不及，那麼就來研究「事前預防」吧。

毒素疫苗：抵抗毒素也是預防勝於治療

一般的疫苗，是透過接種疫苗，刺激人體的免疫系統辨識特定病原體並生成抗體，讓人體自身擁有抵抗力。

科學家在幾十年前提出「毒素疫苗」的概念，它並非真正的疫苗，而是一種可以偵測並分解毒素的物質，科學家將其稱作「守衛(bioscavenger)」¹。事先將守衛注射到身體中，這種物質可以透過鍵結或者催化水解的方式分解神經毒劑。

概念很簡單，做起來卻相當困難。首先要克服的，便是任何要注入血管中的物質，都要考慮到免疫系統的反應。其次，過去數十年的研究，守衛的解毒效率不是很低，就是能存留在體內的時間短，最多只能存留一個小時，隨後被身體自動代謝消滅。相較之下，一般疫苗的保護力可以持續一年到數年以上。若要作為實用的守衛，至少須能在生物體內存在七天，最好可以持續到一個月以上。（開玩笑，每小時打一次針，誰能受得了？）

近期華盛頓大學化學工程系的研究團隊在科學轉譯醫學期刊 (Science Translational Medicine) 發表了他們的最新成果──奈米守衛 (Nanoscavenger)。體內被注射奈米守衛的豚鼠，面對「沙林大魔王」仍活蹦亂跳，甚至還存活長達八天。

奈米守衛：雙層結構的保命藥

奈米守衛的組成有兩大核心，催化中心（有機磷水解酶 OPH）及保護層 (PCB)。

有機磷水解酶 OPH 全名為 Organophosphorus hydrolase，顧名思義，它可以將有機磷水解成無害的物質，當注入血液中也不會激起人體的免疫反應。作為此研究的靈魂人物，OPH 有個致命的缺點──它的藥效極短。若是將 OPH 直接注入到生物體內，只有一到兩天的效果，隨後就被代謝清除掉。

但當研究人員在 OPH 表面鍵結上一層具有親水性與半透膜性質的聚羧基甜菜鹼（PCB; poly(carboxybetaine)） 作為保護層。不可思議的是，這層半透膜可以減緩 OPH 被代謝，也不會阻擋目標毒素與 OPH 進行反應，因此不影響解毒效率。

沙林算甚麼？豚鼠 never die

研究團隊向軍方借來了沙林來做實驗，選用了改良過的 OPH-YT，加上 PCB 後，做出升級版奈米守衛 YT。接著，在豚鼠體內注射奈米守衛 YT，再注射沙林，之後每隔 24 小時注射沙林，觀察豚鼠的生理狀況與病徵。

研究發現，擁有奈米守衛 YT 的豚鼠全數存活到第六天，第七天時存活率降為 80%，到了第八天存活率仍有 60% 左右。這一些存活到第八天的豚鼠，依然頭好壯壯，只出現輕微的中毒現象，要知道，他們可是吃下數倍的沙林致死量。

由於老鼠的代謝速度比起人類快上許多，因此研究人員推論奈米守衛可在人體存活得更久，可能長達數周，粗估在人體的生物半衰期²，可能長達 100 小時（豚鼠 36.3 小時）。當然老鼠與人類不能相提並論，即使同為哺乳類，生理系統仍有許多的不同，須經過進一步的臨床實驗才能證實，也因此研究團隊希望下個階段能在靈長類動物上進行實驗。

未來奈米守衛開發完成，將是農藥工作者與前線軍人的保命符，避免第一時間死亡，甚至促使各界減少化學武器的使用，畢竟沒有殺傷力的武器就如同玩具。

註解

1. 此處將 bioscavenger 暫譯為「守衛」，Nanoscavenger暫譯為「奈米守衛」。
2. 半衰期：一個物質失去一半效果的時間，描述代謝過程對特定物質的清除效率。

參考資料

1. P. Zhang, E. J. Liu, C. Tsao, S. A. Kasten, M. V. Boeri, T. L. Dao, S. J. DeBus, C. L. Cadieux, C. A. Baker, T. C. Otto, D. M. Cerasoli, Y. Chen, P. Jain, F. Sun, W. Li, H.-C. Hung, Z. Yuan, J. Ma, A. N. Bigley, F. M. Raushel, S. Jiang, Nanoscavenger provides long-term prophylactic protection against nerve agents in rodents. Sci. Transl. Med. 11, eaau7091 (2019)
2. ‘Nanoscavengers’ could protect people from sarin gas, other nerve agents
3. 如果北捷發生毒氣攻擊