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今天空氣好嗎?即時監測 PM 2.5,「空氣盒子」的奇幻之旅

研之有物│中央研究院_96
・2020/07/20 ・5338字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

用物聯網和大數據減少 PM 2.5 危害

今天的空氣品質好不好?到底該不該開窗?能不能去外面運動?
圖/giphy

「今天要開窗還是空氣清淨機?」「哪條慢跑路線少吸一點廢氣?」統統交給空氣盒子!2013 年起,在中研院、LASS 社群、民間企業、學校和政府……等跨界合作下,聯手打造全世界規模最大的 PM 2.5 感測資料平台──以大量便宜、小型的感測器「空氣盒子」構成綿密的空汙監測網路。遍佈臺灣的四千多台空氣盒子,可提供民眾即時空汙資訊,甚至預測空氣品質。研之有物專訪中研院資訊科學研究所、空氣盒子推手陳伶志研究員,一起回首研發、推廣空氣盒子的奇幻旅程。

PM2.5,指的是粒徑小於 2.5 微米的小顆粒,比我們的頭髮還細小,卻能傷人於無形,長期吸入可能引起過敏、氣喘、肺癌、心血管疾病。了解每日 PM2.5 濃度,能在生活中保護自己減少空污威脅。

在過去,臺灣空氣微型感測器尚未普及,想要知道當下空氣品質,必須仰賴全臺 76 個國家監測站(2017 年新增至 77 台)。然而,生活中處處存在汽機車、香爐、工廠等無數小型污染源,影響每時每地的 PM2.5 濃度,大型監測站無法即時反應各地情況。

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「我要怎麼知道『當下』、『此刻』的空氣品質好不好?」陳伶志心生疑問,開啟長達 8 年的空氣盒子研發、推廣之路。

空氣盒子地圖:各地 PM2.5 即時濃度。
資料來源/PM2.5 MAP

什麼是空氣盒子?它跟傳統測站有什麼不一樣?

傳統空氣品質量測的專業儀器,造價數萬至十萬元不等,雖然比較精確,但每次實驗能出動個位數的儀器就很了不起了,無法同時在很多地點取樣。

那時,我們就天馬行空給自己出題目:何不使用小型、便宜的空氣感測器,撒網式地多點取樣?即使準確性比不上專業儀器,但可以量取勝。利用大量數據發展新理論和演算法,另闢蹊徑來解釋、甚至預測空氣品質,這就是空氣盒子的起點。

目前空氣盒子已超過四千台,裝設在全台各地,每五分鐘回傳一筆資料 (全台灣的傳統測站共數十台,每小時只能產出一筆監測資料),資料量和回傳速度都不可同日而語,可供資料科學家分析 PM2.5 的分布與變化。

空氣盒子各階段 prototype。空氣盒子現在使用的感測器,是經過幾代的改良,才找到最好的感測器。感測原理是:利用 PM2.5 的物理性質,用雷射光照射這些微粒產生散射,進而計算 PM2.5 濃度,量測出來的結果一致性很高。
圖/陳伶志提供(轉載自研之有物)

不過,空氣盒子能夠有如今規模,還要歸因於它屬於「參與式感測系統」。生活中有許多問題,例如空污、塞車,被動地等待政府解決往往緩不濟急,並非政府效率太差,而是不知道問題真兇在哪裡,例如眼前的空污到底是霾害?還是有工廠偷偷排放廢氣?參與式感測系統以「自己的環境自己救」的概念出發,透過群眾自主觀察所得的大量數據,由專家分析找出問題癥結點,推動政府或相關單位採取行動、對症下藥!

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參與式感測:透過群眾觀測、專家分析,由下而上解決問題。
圖/林婷嫻、張語辰設計(轉載自研之有物)

便宜的小型感測器,數據會不會不準確?

其實,我們一開始也陷入「準確性」的迷思:期待便宜的感測器測量結果跟專業儀器一樣!但,天下沒有白吃的午餐,準確度好的機器一定很貴(苦笑)。

後來我們轉而追求「一致性」,不強求感測器跟專業儀器測量數值完全一樣,只要這些感測器的數值可以穩定維持在同一個區間,可校正、可比較、可以看出趨勢變化。

環保署將空氣盒子架設在多個標準測站,比較兩者測到的 PM2.5 濃度。藍色代表空氣盒子、橘色代表環保署測站,兩者測得 PM2.5 濃度值雖不同,但有相似的趨勢變化。
資料來源/環境保護署空氣品質監測網

我們也重新思考研究的目的:不是用便宜的空氣盒子取代數百萬元的專業儀器,而是走一條以量取勝的道路,以大量便宜、但堪用的小型感測器組成綿密的監測網路,取得當下、此刻的空氣品質。

但相對的,空氣盒子的量測也容易受到局部環境變化影響、資料比較雜,分析前必須處理。比方說,有些空氣盒子 PM2.5 飆高是因為沙塵暴來襲,有些是因為有人在旁邊抽菸,後者屬於小範圍異常,必須想辦法排除。

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如何辨別環境中的雜訊?PM2.5 飆高是因為沙塵暴,還是有人抽菸?

空氣盒子是否能分辨雜訊和沙塵暴?
圖/wikimedia

首先,我們假設戶外空氣在地理空間上會均勻擴散,應該不會發生某台空氣盒子偵測的 PM 2.5 濃度很高,一百公尺外的機器偵測的濃度很低。所以,每台空氣盒子與周圍空氣盒子感測值變化應該要「一致」。

再來,假設空氣的擴散是緩慢的,同一台空氣盒子相近時間的感測數值也應該「一致」。如果某台空氣盒子的 PM 2.5 濃度突然劇烈變化,代表它可能發生異常。

因此,我們必須比較每台空氣盒子在鄰近區域以及相近時間內的一致性,定時給予評分,分數低代表這個空氣盒子的微世界(micro environment)跟別的不一樣,也許它裝在廟旁、裝在室內、有人在旁邊抽煙,或是感測器取風口裝反,讓灰塵進去出不來等等。

這個評分每 5 分鐘執行一次,分析過去 24 小時的資料,如果某個空氣盒子的評分低於標準,會把它標示為異常,資料就不會用來做後續的分析。

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空氣盒子如何預測 PM2.5 濃度變化?

預測有兩件事最重要:一個要很準,另一個要夠快。比方當我們想要用預測結果決定 1 小時後的行動,若電腦還得花 50 分鐘運算,那就太遲了。如何用有限資源,在 1 分鐘之內完成 4,000 台空氣盒子的預測模型,極具挑戰性。

首先,我們設定只做 5 小時以內的預測,假設在這時間內氣候變化不會太大,暫且不考慮海風、陸風、大陸冷氣團等氣候變因,純粹使用資料科學方法,從過去的變化歷程預測未來數小時 PM 2.5 濃度。

一開始,我們以類神經網絡模型預測,準確性高、但運算速度太慢。因為每個感測器所處的環境不同,過去的歷史資料也不一樣,所以 4,000 台空氣盒子就要有 4,000 個預測模型。

經過多方嘗試,我們終於找到準確但又不會太慢的作法:先將 4,000 台機器,按照過去歷史資料或是地理位置等方式分群,在每一群中選擇一個具代表性的空氣盒子,以它的歷史資料做預測模型,再把預測模型套用到同群的其他空氣盒子上。以下是按照地理位置分群的做法:

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上圖以地理位置將台中空氣盒子分群,(a)是分成 1 群,(b)是分成 4 群,(c)是分成 9 群,(d)是分成 16 群,在其中找一個具代表性的空氣盒子做預測模型,再套用到同群其他空氣盒子。結果發現,空氣盒子分群越多,運算速度變慢、但誤差變小。如果分成 16 群,可以發現運算速度變慢一些,但誤差降低許多。
圖片重製/林洵安、資料來源/陳伶志(轉載自研之有物)

如果是按照歷史資料來分群,想像一下,橫軸是時間、縱軸是 PM2.5 濃度,每個空氣盒子具有自己的濃度變化曲線,把曲線波動類似的空氣盒子分成一群,代表它們的模型特性是相似的。比方說,如果偵測到上下班有兩個波峰,代表這些空氣盒子可能裝在大馬路旁,因為尖峰時刻車流較多,造成空氣品質數值的波動。

空氣盒子可以解決哪些生活問題?

空氣盒子可以回傳即時的資料,協助生活決策,例如空氣盒子的 Line 聊天機器人,你可以把它想像成空氣品質的隨身管家。

像我小孩七點半上學,可以訂閱學校附近的空氣盒子,定時在出門的時刻,以 Line 傳送學校附近的 PM 2.5 濃度,讓我決定要不要讓他戴口罩。又或者,我可以訂閱離家最近的空氣盒子,一超過特定濃度就發出訊息,來決定家裡要開窗戶或開空氣清淨機。

跟空氣盒子Line聊天機器人的聊天對話。
資料來源/陳伶志(轉載自研之有物)

空氣盒子的預測模型也很實用!例如:什麼時間可以出去跑步?畢竟跑步是為了健康,如果空氣很糟還出門,不就成了人體空氣清淨機?

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於是我們嘗試用預測模型找出最健康的運動路線,做出 PM 2.5 最小曝露量的導航系統。你可以想像地圖是 x 軸和 y 軸,時間是 z 軸,地圖上每個地點、不同時間,皆有不同的 PM 2.5 濃度。我們將不同路線上、每個時間點所對應的 PM 2.5 濃度累加,預測出吸入最少 PM 2.5 的路徑。

用空氣盒子找出最健康的運動路線。以中研院到台北火車站為例,使用 Google 導航騎腳踏車的最短路徑是灰色路線,所需交通時間是 45 分鐘,計算出的 PM 2.5 曝露量分數 75.8(分數越高代表吸入越多 PM 2.5)。如果利用空氣盒子資料做分析,建議採用路線為藍色,它會引導你走河堤或避開大馬路,所以交通時間增加到 83 分鐘,但 PM 2.5 曝露量分數降低至 59.8。
資料來源/陳伶志(轉載自研之有物)

此外,生活中有許多空汙問題,很難知道問題真兇藏在哪裡,例如眼前的空污是霾害?還是有工廠偷偷排放廢氣?因為不肖業者常常利用各種取巧、偽裝來規避稽查,例如半夜偷排廢氣。空氣盒子可收集大量數據,經過機器學習找出汙染排放規律、可疑地區,幫助稽查員確定關鍵時機,人贓俱獲!

開發這些應用服務的靈感從哪來?

空氣盒子不只要「感測」成功,民眾的「參與」也要成功,才能解決生活問題。
圖/wikimedia

一方面來自生活真實需求,另一方面是希望……空氣盒子系統可以活得久一點!!

事實上,從 2013 年計畫開始到現在,有些空氣盒子已慢慢離線。原因不是參與者主動不要它了,而是時間一長,可能發生無線網路不穩、停電後沒有重新開機等等,參與者很難察覺。一開始,我還會呼籲大家常常檢查自己的空氣盒子,但是呼籲久了也怕被嫌煩。

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因此我決定讓空氣盒子提供更貼心的生活服務,參與者可主動透過 Line 訂閱自己的空氣盒子,不僅可即時知道 PM 2.5 濃度,機器故障時也會收到通知提醒。

參與式感測不只「感測」要成功,「參與」也要成功,提高參與就要滿足大家發自內心的需求,提供有用的服務,回應大家的生活問題。

對空氣盒子未來有什麼規劃呢?

首先是嘗試將空氣盒子與專業測站結合,開發更多的應用。最近跟國外學者合作,疊合環保署測站、空氣盒子、衛星影像的氣膠光學厚度(Aerosol Optical Depth, AOD),發展三者相互換算的校正模型,全台各地只要這三個量測工具任一覆蓋,就可算出當地的 PM 2.5 濃度、增加全台空氣品質量測的解析度。未來這個技術還可應用於測站分佈較少的國家,例如非洲沒有太多空氣品質測站,如果安裝空氣盒子搭配衛星遙測影像,即有機會算出當地空氣品質概況。

其次,增加與國外相關計畫與社群的連結。目前我們與美國芝加哥最大的智慧城市計畫「Array Of Things」合作,他們一開始佈建的感測器價格比較高,所以數量不多,希望與我們合作,利用微型感測器補足數量。韓國則與台灣購買微型感測器,佈建機器後請我們協助分析資料。此外,德國和泰國也都在洽談合作。

空氣盒子 PM2.5 感測網,延伸至世界各地。
資料來源/陳伶志(轉載自研之有物)

推動空氣盒子的過程,有沒有難忘的回憶?

最感動的就是:一開始就不斷有志同道合的夥伴加入!LASS 的創客、關心空污的台中親子共學團加入、教師社群進來,後來又蹦出台北市智慧城市,接著訊舟科技要捐機器,然後是前瞻基礎建設計畫……,現在回頭看這一切,真的是很幸運。

那段時間也是最快樂的,因為你完全無法預期接下來會發生什麼事,每次好像走到一個盡頭,就蹦出一個力量把我們再往前推一點、再多做一點。就像有一句話說:

當你真心渴望某樣東西時,整個宇宙都會聯合起來幫助你完成。

此外,中研院在這過程也給我很大的自由,從 2013 年到 2015 年的開發階段,沒有發表任何一篇和空氣盒子相關的論文,直到 2017 年才有正式的論文發表。乍看之下,好像做了四年的白工。但這在中研院是 OK 的!因為信任,讓研究人員有機會去嘗試可能失敗的重要題目,讓我們可以再ㄍㄧㄥ一下、再試一下,這也是身在中研院的好處,我覺得啦。

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為自己的環境自己救!以空氣盒子監測你家附近的空汙,泛科學為宣傳推廣執行單位。

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研之有物│中央研究院_96
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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

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,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
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 / 圖片來源:envato

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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)」 / 圖片授權:Shutterstock

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。

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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)。

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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。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

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。

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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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不抽菸也會得肺癌?PM2.5 如何「叫醒」沉睡的癌細胞?
PanSci_96
・2024/06/25 ・4403字 ・閱讀時間約 9 分鐘

不好意思,你很可能會得這種癌症。其實,我也是。

它就是台灣十大癌症榜首,肺癌。

現在,根據 2023 年 11 月衛福部發布的最新統計數字,肺癌一年的新增病人數已經超越大腸直腸癌,成為台灣每年癌症發生人數之最,堪稱臺灣人的「國民病」。

可怕的是,肺癌在癌症之中有三個之最:死亡率最高、發現時已經是晚期的比例最高、醫藥費也最高。現在再加上發生人數最高,堪稱從癌症四冠王。

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你說肺癌是抽菸的人的事?錯!台灣抽菸人口比例在全球排名 30,比日本、韓國、中國和多數歐洲國家都還低!顯然抽菸並不是肺癌的唯一主因!那難道是二手菸?還是空污惹的禍?還是台灣人的基因天生脆弱?我們到底要怎麼做才能遠離肺癌?

臺灣人的肺癌特別在哪?癌症和基因有關嗎?

根據衛福部國健署的說法,肺癌人數的增加,其實與 2022 年 7 月開始推動肺癌篩檢的政策有關。

隨著篩檢量的上升,近年內肺癌的確診人數預期還會再往上。

原來是因為篩檢量啊,那就不用擔心了。但換個角度想,這才是肺癌最可怕的地方,它可能已經存在在很多人身體裡,而我們卻沒能發現它。肺癌早期幾乎沒有症狀,高達 50% 的患者發現時已經是第 4 期。屆時不只肺部遍布腫瘤,癌細胞可能還轉移到大腦、骨頭等器官,讓治療變得加倍困難。

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對付肺癌,最關鍵點是愈早發現愈好。按照國健署統計,如果第 1 期就發現,5 年存活率可達九成以上,第 2 期發現降為六成,第 3 期存活率大約三成,一旦到第 4 期,僅僅剩下一成。

當然,最好的方法,就是做好預防,打從一開始就不讓癌細胞誕生。

那麼我們就要先了解問題到底是出在環境,還是你、我身體中的基因? 過去關於肺癌的遺傳研究,多半以歐美國家為主,套用到我們身上總有些牛頭不對馬嘴。幸好,我這裡一份以臺灣人為主角的大規模研究報告,將為我們揭露答案。

這份研究是由中央研究院團隊主導,結合臺灣大學、臺北醫學大學、臺中榮總等單位的研究,還登上生物領域頂尖期刊《Cell》2020 年 7 月的封面故事。非常具有權威性,不能不看。

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同時,這也是全球第一次完整剖析東亞地區肺癌的成因。他們的主題很明確:「為什麼不吸菸也會得肺癌?」

在西方,肺癌病人裡面只有 20% 左右的人不吸菸。但是在臺灣,卻有超過一半的肺癌病人都不抽菸,顯示有其他致癌要素潛伏在基因裡作怪。另外,臺灣肺癌病人的男女比例和西方人也大不同,臺灣女性通常更容易罹患肺癌。 為了瞭解肺癌,研究團隊取得肺癌病人的腫瘤和正常組織,解讀 DNA 序列和蛋白質表現量,最後鑑定出 5 種和西方人明顯不同的變異特徵。

其中最受關注的,是一種 APOBEC 變異,因為它有可能是臺灣女性為什麼容易罹患肺癌的關鍵。

這種變異特徵屬於內生性的,也就是人體機制自然產生的 bug。

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APOBEC 不是指單一基因,它是細胞內負責編輯 mRNA 的一組酵素,包含 11 個成員。主要功用是把胞嘧啶核苷酸(C)轉變尿嘧啶核苷酸(U)。簡單來說,APOBEC 原本是細胞正常活動的一環。但因為它有改寫核酸序列的能力,在 DNA 修復過程同時活躍時,就很有可能出事。這就像是一個創意豐富的阿嬤,看到破損的古畫,就在沒和別人討論的情況下上去東湊西補,用自己的方式重新修復了這件藝術。一個與原本不同的突變細胞可能就這樣產生了。

APOBEC 變異在臺灣女性病人身上特別明顯,舉例來說,60 歲以下沒有吸菸的女性患者,就有高達四分之三有這種變異特徵。研究團隊認為,APOBEC 出錯造成的基因變異可能是導致女性肺癌的關鍵。 除了內生性變異,另外一個容易導致肺癌發生的,就是周遭環境中的致癌物。

致癌物有哪些?

研究團隊總結出 5 種肺癌危險物質:烷化劑、輻射線、亞硝胺(Nitrosamine)、多環芳香烴(PAHs),還有硝基多環芳香烴(Nitro-PAHs)。

其中,亞硝胺類化合物主要來自食品添加物和防腐劑,多環芳香烴大多來自抽菸和二手菸,硝基多環芳香烴則是透過汽機車廢氣和 PM2.5 等毒害肺部。

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圖/unsplash

他們進一步分析,大略來說,女性在不同年紀,致癌因素也有差異。60 歲以下的女性肺癌病人,APOBEC 特徵的影響比較明顯;70 歲以上的女性患者,和環境致癌物的相關度比較高。 既然找到致癌原因,我們該如何著手預防呢?你知道肺癌,其實有疫苗可打!?

空氣污染和肺癌有關嗎?有沒有癌症疫苗?

想預防肺癌,有 2 種對策,一種是「打疫苗」,一種是「抗發炎」。

是的,你沒聽錯,英國牛津大學、跟佛朗西斯.克里克研究所,還有倫敦大學學院在 2024 年 3 月下旬公布,他們正在研發一款預防性的肺癌疫苗,就叫 LungVax。它所使用的技術,和過往牛津大學協同阿斯特捷利康藥廠製造 COVID-19 AZ 疫苗時的方法相似。

他們已經募到一筆 170 萬英鎊的經費,預計未來兩年資金陸續全數到位,第一批打算先試生產 3000 劑。不過,關於這款肺癌疫苗,目前透露的消息還不多,我們挺健康會持續追蹤這方面研究的進展。

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在疫苗出來之前,我們還有第二個對策:抗發炎。發炎和肺癌有什麼關係呢?這就要先回到一個問題:為什麼空污會提高得肺癌的機率呢?

一個很直觀又有力的推測是,空污會導致肺部細胞 DNA 突變,因此而催生出腫瘤。

圖/unsplash

但是修但幾勒,科學要嚴謹,不能只看結果。科學史上發生過很多次表象和真實截然不同的事件,空污和肺癌會不會也是這樣?

2023 年 4 月《Nature》的一篇封面故事,明確地說:Yes!肺癌真的和我們想的不一樣。

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其實早在 1947 年,就有以色列生化學家貝倫布魯姆(Isaac Berenblum)質疑主流觀點,他提出的新假設是:除了 DNA 突變以外,癌細胞還需要其他條件才能坐大。用白話說,就是肺癌是個會兩段變身的遊戲副本頭目,正常細胞先發生變異,接著再由某個條件「扣下扳機」,突變細胞才會壯大成腫瘤。

也就是説,只要攔住任一個階段,就有機會能防範肺癌。假如這論點正確,全球肺癌防治的方向將會直角轉彎。

《Nature》的研究支持這個假說,扭轉了過去 70 多年來的看法。在這項里程碑研究中,臺灣也是要角。

時間回到 2020 年,《Nature Genetics》上發表了一份針對 20 種致癌物質的研究報告,包括鈷、三氯丙烷和異丙苯等,但注意,這研究指出這些致癌物大多沒有增加實驗鼠的 DNA 變異量。

這個現象實在太違反直覺,過了 3 年,疑團還是懸而未決。直到《Nature》的跨國研究出爐,才解開部分謎底。

英國倫敦佛朗西斯.克利克研究所主導 2023 年的一項研究,他們鎖定對象為肺腺癌。肺腺癌是典型「不吸菸的肺癌」,台灣每 4 個肺癌病人就有 3 人是肺腺癌,尤其是女性肺腺癌患者有高達九成不抽菸。 為了抽絲剝繭探明空污和肺癌的關係,研究團隊聚焦在肺腺癌患者常發生的表皮生長因子受體基因變異,縮寫 EGFR。他們收集英國、加拿大、韓國和臺灣四國大約 3 萬 3 千名帶有 EGFR 突變的病人資料,進行深入分析,並且發現 PM2.5 和肺腺癌發生率有顯著關聯。研究團隊進一步用小鼠做試驗,把小鼠分成吸入和未吸入 PM2.5 兩組,結果發現吸入組更容易長出惡性腫瘤。

圖/pexels

到目前為止都還不算太意外,然而,團隊切下肺部細胞、分析 DNA 以後發現,DNA 的突變量居然沒有明顯增加!但是有另一件事發生了:堆積在肺的 PM2.5 顆粒會吸引免疫細胞從身體各處聚集過來,並分泌一種叫做 IL-1β 的發炎因子,導致肺組織發炎。

這下子有趣了,根據克利克研究所團隊的檢驗結果,估計每 60 萬個肺部細胞有 1 個帶有 EGFR 突變,這些細胞在發炎環境裡會快馬加鞭生長。相反的,當他們給小鼠注射抑制 IL-1β 的抗體,肺癌發病率就跟著下降。 《Nature》一篇評論引述美國加州大學舊金山分校分子腫瘤學專家波曼(Allan Balmain)的看法。他總結說,空污致癌的主要機制,可能不是因為空污誘發了新突變,而是持續發炎會刺激原本已帶有突變的細胞生長。換句話說,本來在熟睡的壞細胞會被發炎反應「叫醒」。

這會給肺癌防治帶來巨大衝擊,這樣一來,問題就從「用公衛或醫療方法防止 DNA 變異」變成了「如何抑制發炎」。

人體的細胞每天不斷分裂,用新細胞替換老舊細胞。但是這就像工廠生產線,良率無法百分百,組裝幾十萬產品難免會做出幾件瑕疵品,也就是帶有基因突變的細胞。換句話說,從自然界角度來看,DNA 變異是一種自發現象,醫療手段實際上幾乎不可能阻止。

但是,降低發炎卻是有可能做到的,例如注射抑制 IL-1β 因子的抗體。不過,就公共衛生來說,要給幾千萬人施打抗發炎因子藥物根本不切實際,因為太花錢,而且也可能造成其他的副作用。 波曼在《Nature》評論裡建議,透過簡易可行的飲食方式來降低體內發炎,或許有機會減少某些癌症的風險。這也就是說,科學家應該重新回來審視,怎樣把每天的生活點滴點石成金變成防癌手段。

圖/unsplash

這也等於預告了肺癌的下一階段研究方向,除了內科、外科醫療科技持續精進,尋求預防惡性疾病的最佳飲食要素,也成為聚焦重點。

也想問問你,關於肺癌,你最看好的下一個突破是什麼呢?

  1. 希望有篩檢技術 2.0,不但百發百中,如果連X光都不必照,只要抽血就能順便驗出有沒有癌細胞,那該多好。
  2. 當然是癌症疫苗,最好是能一勞永逸。
  3. 科學證實有效的抗發炎防癌食物組合,我一定立刻加入菜單,不過還是希望味道要好吃啦。

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益生菌不只顧腸道還可抗 PM2.5?益生菌功效怎麼吃?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/03/19 ・2488字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 江欣樺營養師 委託,泛科學企劃執行。

健康是無價之寶,想要有好的健康,有很多種方法,像是規律作息、持續運動或是飲食管控,但在忙碌的生活之中,要做到以上這些,並不容易。益生菌或許是另一個解方,輕巧的小包裝,便於攜帶,沒有重量,沒有負擔。別小看這些益生菌,雖然外表不起眼,卻暗藏許多健康密碼。

2012 年,國衛院實驗團隊發現腸道菌和大腦發炎、神經退化、 阿茲海默症有關,腸道菌的健康可能影響大腦和各器官健康狀況,經更多實驗後,發現腸道菌健康與益生菌的使用,跟身體器官的運作有密切關聯。

益生菌、腸道健康與身體健康的關聯性

腸道是人體最大的免疫器官,存在許多共生細菌,以及僅次於大腦的神經細胞數量,全身近一半的淋巴球也分佈在此。

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淋巴球和神經元又與各器官產生相關的免疫及神經反應,像是常聽到腦-腸軸線、肺-腸軸線,都是指腸道與其他器官的連結。換句話說,腸道內的菌相,牽動的不只有腸道系統,而會透過腸道上的免疫及神經反應去影響其他器官。

腸道菌受飲食左右,像是亞洲人偏好澱粉,腸道用來分解醣類的普氏菌也較多;西方人喜好油炸物,腸道幫忙分解油脂的擬桿菌也較多。同理,補充益生菌也能改善菌相,進而影響身體健康。

腸道菌相與飲食習慣息息相關。 圖/Envato

益生菌?益生元?哪裡不一樣

益生菌可分為兩種:活菌、死菌,活菌能定殖在腸道,並不斷產生短鏈脂肪酸(如:乳酸、醋酸、丙酸、酪酸),能使腸道偏酸性,讓壞菌不易生存,有助於腸胃蠕動,降低腸道毒素。

死菌雖然不能像活菌一樣定殖在腸道,但有部分益生菌死掉之後所產生的代謝物,被研究證實是有幫助的,那麼這類型的死菌也可以被稱為後生元。
。腸道內存有好壞菌及伺機菌,益生菌的工作在於製造好菌、帶領伺機菌和抗衡壞菌,事實上益生菌並不會完全消滅壞菌,而是平衡好壞菌,讓菌相穩定,且適當的壞菌也有助於腸道健康。

在選購益生菌時,會發現市面上流通著許多種類,像是常見的 A 菌(嗜酸乳酸桿菌)、B 菌(比菲德氏菌)等,益生菌是以不同菌屬的開頭字母命名,不同的益生菌,就有不同的後生元,保健效果也不同。但這些菌都是指菌種,而菌種會因各廠商培育出的菌株產生差異,通常會以不同的專利名字區分(例如:TW01),效果當然也有差別。

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另外還會注意到,有些產品標示「益生質/益生元」,指的是益生菌的食物,益生元常見的成分為果寡醣、半乳寡醣等,由 2~10 個單醣所構成,不易被人體分解,能提供碳源成為益生菌的養分。益生菌與益生元結合的產品稱為合生素,兩者等同於補好菌加上養好菌,可大大提升保健效果。

益生菌怎麼吃

補充益生菌能夠維持腸胃道健康、幫助排便和調節過敏體質,但也須注意食用方法,否則就功虧一簣。為了確保益生菌能發揮作用,食用時不可搭配過熱的開水,避免失去效用。

吃益生菌時,一定要配冷開水。 圖/Envato

在選購益生菌時要注意!市面上常能看到各種口味的益生菌,希望透過豐富口味變化與繽紛的色彩來吸引消費者購買,但這類型的商品往往會添加大量的香料、甜味劑或者是果汁粉,但每條益生菌僅有兩公克的空間,你想吃的,是廉價添加物還是真正有幫助的好菌呢?

這類型的產品除了添加物的問題,還會養成小朋友嗜糖的習慣,糖類更是過敏的元凶之一,因此建議可以選擇有 100% 無添加認證的益生菌,來避免攝取不必要的人工添加物。基於健康考量,民眾可考慮選購含有益生元的產品。若是有服用抗生素的人,記得一定要使用益生菌恢復腸道菌相,但須與抗生素間隔 1-2 小時。

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益生菌功效有哪些

常見的益生菌功效為保持腸道健康、調整過敏體質,但益生菌功效遠不僅如此。目前台灣有一株三效合一益生菌 Lactobacillus acidophilus TW01 證實可降低大腸癌風險、抗 PM2.5、活化免疫平衡。

圖/江欣樺營養師提供

TW01 是由創辦人——江欣樺營養師領軍耗時三年開發,研發經費高達已高達 2 千萬台幣。於 2023 年獲得國家新創獎,獲得國家肯定,也是該年度益生菌品類中唯一獲獎者。

圖/江欣樺營養師提供

TW01 是從國人日常飲食所延伸的靈感,根據統計,台灣人平均每年喝掉 122 杯咖啡,TW01 則是從古坑咖啡豆發酵液裡的上千株菌中,發現的唯一有效菌株,符合台灣人的飲食習慣。

TW01 進行 TH1 和 TH2 的免疫調節,降低過敏反應,還能促使免疫球蛋白 IgA 分泌,阻擋細菌對上皮細胞破壞,減少腸漏現象,跑到呼吸道的 IgA 可以對抗細菌、病毒和 PM2.5。從科學實驗來看,TW01 還能抑制大腸癌並幫助傷口修復,效果十分廣泛。

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圖/ 江欣樺營養師 提供

益生菌的好處非常多,小至腸道順暢,大至身體機能,江欣樺營養師表示:「吃益生菌有一個很重要的目標就是占地盤,好菌越多,就可以壓制壞菌地盤,又影響伺機菌,往好的方向走,穩固整個腸道菌相。」

益生菌的重要性在於增加好菌,持續服用。在忙碌的生活中,找到適合自己的方式,養成健康的習慣是對身體最好的保障。找到將益生菌納入日常生活的方式,並保持適當的飲食、規律的作息和適量的運動,健康相伴左右。

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重新定義益生菌功效!新創益生菌 TW01 可降低大腸癌、抗 PM2.5

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