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中山大學研發「奈米盾」噴霧,阻隔空氣中新冠病毒

泛科市集的B編_96
・2021/07/20 ・1467字 ・閱讀時間約 3 分鐘

面對疫情,如何消滅病毒無疑是這場戰役中重要的一環。除了歷史悠久的酒精、次氯酸、臭氧、紫外光等消毒方式之外,在這波疫情中,也衍生出了專門對抗 SARS-CoV-2(也稱新冠病毒)的方法。

中山大學醫學科技研究所副教授楊閎蔚研究團隊 利用蛋白質技術,成功製成了可以阻斷 SARS-coV2 以「氣膠形式」傳播的懸浮粒子,並將這種懸浮粒子命名為「奈米盾」(AirParma)。

目前中山大學已將技術授權給科研創業計畫衍生新創公司「臺灣納諾帕瑪股份有限公司」(NanoParma Biomedical) ,並進入量產、銷售階段。

圖/中山大學提供

氣膠為疫情重要的傳染途徑

「氣膠」是一種懸浮於空氣中的「微小液滴」或「顆粒物質」,人們平時講話、唱歌、咳嗽,甚至是呼吸時,就會釋放出許多大小在 5 微米以下的氣膠;而當 COVID-19 感染者進行這些呼氣動作時,病毒即可透過氣膠釋放到環境中。

根據目前為止各類研究證據,包括實地空氣採樣量測分析、流行病學統計、臨床及動物實驗以及氣動力學模擬等研究結果,WHO 在今年 4 月 30 日正式承認「氣膠傳播」也是 COVID-19 重要傳染途徑。

自疫情爆發以來,許多層出不窮的超級傳播者事件,都是以氣膠傳播為重要傳染途徑。因此,如何減少環境中的氣膠懸浮病毒傳播更是當務之急。

人們平時講話、唱歌、咳嗽,甚至是呼吸時,都會釋放出氣膠,成為新冠病毒傳播的路徑。圖/envato elements

雖然市售的酒精噴霧、次氯酸水或者臭氧製造機等能夠對抗新冠病毒,但這些化學物質卻因容易造成黏膜刺激、皮膚刺激、甚至較為嚴重的過敏等不良反應,所以比較適合以噴灑擦拭的方式使用、無法長期分散於空間中累積有效濃度,於是也就限制了它們對抗空氣中病毒傳播的效力。

ACE2為病毒感染的重要關鍵

在這樣的狀況下,中山大學醫科所副教授楊閎蔚率領材光系許盈培、生醫所李南熺、龎浩翰 3 名博士生,組成跨系所研究團隊,以防空系統為發想藍本,成功利用重組蛋白質技術研發「奈米盾」懸浮粒子,與氣膠中的新冠病毒上的棘蛋白受體結合域(receptor binding domain, RBD)結合而使病毒沉降。

圖/中山大學提供

楊閎蔚副教授表示,奈米盾懸浮粒子經測試,能在 30 分鐘內結合空氣中 40% 至 60% 懸浮的新冠病毒粒子,使其無法與細胞上第二型血管收縮素轉換酶 (angiotensin converting enzyme II, ACE2)受體結合,來降低病毒在空氣中傳播的風險。

目前已知冠狀病毒表面的棘蛋白會與宿主細胞表面的 ACE2 結合,並藉此進入宿主細胞。因此,理論上能夠透過阻止 SARS-CoV-2的棘蛋白與 ACE2結合,便能抑制病毒進入宿主細胞,進而產生感染。《Science》也曾報導,不同人對於感染 SARS-CoV-2 的難易之所以會有差異,可能與 ACE2 的表現有關。

中山大學研發團隊強調,「除了社交距離、濾網、口罩等較為被動的防禦措施外,『奈米盾』防疫噴霧是更主動的防疫手段。」

「奈米盾」主要適合的應用場景,是機艙、車廂、室內密閉空間等環境,在飛航期間、防疫旅館、防疫專車、商務會議、餐廳飲食等高風險場域皆可派上用場,即時捕捉空氣中的新冠病毒。目前「奈米盾」已經進入量產、銷售階段,並將於近期加入防疫陣線,期待能作為防空飛彈,為新冠病毒防疫再下一城。

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防止空氣傳染要訣:避免群聚、室內通風、加上口罩輔助
寒波_96
・2021/05/28 ・4272字 ・閱讀時間約 8 分鐘

過去一年半來 COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)席捲世界,其病原體 SARS 二世冠狀病毒(SARS-CoV-2)的傳染力可以很強。這種全新的傳染病怎麼傳染,該如何預防,我們的認識不斷翻新。

如今知道常見口號「戴口罩、勤洗手」對防疫有用,卻不是最重要的事;更關鍵的是減少接觸、避免群聚,尤其「長期不通風的室內」,可謂傳播病毒的溫床。

除了戴口罩、勤洗手,也要注意減少接觸、避免群聚。圖 / 熊本縣提供

阻止空氣傳染:從防範飛沫到重視氣膠

SARS 二世冠狀病毒主要由空中傳播(airborne),可以想像成空軍,落到地面便威力大減,因此防空是第一要務。有時學術上有些混淆,一般人不計較數字的話,簡單說可以分為兩類:

較大的飛沫、較小的氣膠。

飛沫分子大,離開感染者的身體後,飛行不遠就會墜毀,空中停留時間短。「社交距離」就是為了防止這類傳播:把距離拉開,不直接被飛沫擊中。即使仍有機會觸摸落到表面的病毒,只要搭配洗手和清潔,便能有效阻絕傳染大部份的可能性。

氣膠(aerosol)分子小,正常的呼吸、講話都會產生不少。離開身體後由於比較輕,漂浮距離遠,可以存在空氣中一段時間。因此應付飛沫的手段:拉開社交距離和洗手,對於由氣膠輸送病毒的空氣傳染,效果有限。口罩在此展現價值,卻又引起許多爭議。

拉開社交距離可以防止飛沫傳染,對氣膠傳染卻效果有限。圖/取自 臺北市勞動力重建運用處

許多台灣人嘲笑洋人不戴口罩,但事實上過去正確的衛生教育並不建議口罩。有病的人戴口罩可以減少感冒病毒外傳機會,但是沒有病的人「戴口罩想防範呼吸道傳染病」,這即使不是邪道,也是「缺乏正確知識」的旁門左道。

如今會從防範飛沫演變為重視氣膠,來自科技的進步。畢竟氣膠分子很小,不容易觀測,最近利用尖端科技的結晶偵測與追蹤氣膠,才更加認識過去被忽略的這塊「空氣傳染」。

這也讓我們深刻體驗,科學知識並非不可撼動的權威,必需根據新證據與時俱進。比起擺出知識權威的派頭教訓草民,科學家更應該時時警惕,自我心靈拷問還有哪裡不足。

漏掉一半空氣,為什麼口罩還會有用?

先不管其他傳染病,如果目的是防範 SARS 二世冠狀病毒,戴一般的醫療口罩有用嗎?這個攸關生死的問題,沒有錯誤的回答是:有時候有用、有時候沒用。

是否正確配戴口罩是技術問題,戴不好跟沒戴一樣,本來就無法發揮口罩該有的效果。這兒的心靈拷問是:如果口罩能發揮「該有的效果」,效果會有多好?

圖/取自 Bex Glendining

顯而易見的事實是,口罩的漏洞很多。2020 年 6 月一篇討論口罩效果的短文中,提出一個想像:攜帶病毒的氣膠顆粒,大小應該和香菸類似;因此病毒的空氣傳播,或許接近香菸燃燒的傳播,假如聞得到菸味,便意謂病毒有入侵機會。

但是普通的醫療口罩,再怎麼正確使用,還是不可能完全阻擋菸味!難道這表示口罩都是騙人的?

的確,就算台灣也有戴口罩還是被傳染的案例(例如看病時被傳染的 908 號確診者),有些人還懷疑是未知的接觸,實在是輕視空氣傳染的威力。可是也有大量實例支持口罩的防疫效果,矛盾何解?

根據已知資訊最合理的解釋是:

空氣中的病毒量不同,口罩的阻絕效果,在病毒量不多時足夠、超過一定量則不夠。

傳染能否成功,取決於空氣中的病毒量。量不多時口罩效果很好,超過一定量以後風險大增,口罩也難以發揮作用。圖/取自 Face masks effectively limit the probability of SARS-CoV-2 transmission.

避免群聚、室內通風,口罩在病毒不多時才有效

實測指出一個人在 30 分鐘間,大概可以排放 600 萬個氣膠顆粒,可以想見更多人、更長時間、活動更激烈,累積的數量會更多。而醫療口罩大約能阻擋 30% 到 70% 的顆粒,假如每個顆粒上頭都有病毒,將會有大量病毒穿越口罩。所幸,攜帶病毒的顆粒,比例非常低。

一系列實測、量化、模擬得到結論的大意是:如果空氣中的病毒有限,即使少數能穿透,口罩仍然有足夠的隔離效果;但是當病毒累積超過一定的量,口罩將變得毫無幫助。

可想而知,環境的影響非常非常大。

空氣流通的室外,正常空氣流動便能分散具有病毒的顆粒,另外像紫外線、高溫、濕度等因素,都會摧毀離開人體的病毒。空中的病毒不容易累積,傳染風險便不高。

相對地,密閉的室內,一旦病毒隨著氣膠進入空中,難以排除之下,容易長期漂浮,時間一長將大幅增加傳染的風險。

室外空氣相對流通,風險大減。但是即使在室外,群聚還是有風險的。圖/取自 新北板橋500例淪重災區 華江黃昏市場一張圖曝「恐怖群聚」

完全免於人與人的接觸不切實際,不過仍然可以避免群聚,這有好幾個作用。一方面是,假如其中存在傳染源,與其接觸的人愈少愈好;另一方面是如果傳染源不只一個,而是兩個,風險不單純只有兩倍,而是更高。

空中病毒量的累積,和傳染風險並非線性關係,一旦超過臨界值,風險會大幅提升。一些案例便是密閉空間中,幾個傳染源傳染給一大群人。

口罩的防疫效果是雙向的,對於沒有感染的多數人,口罩可以防止病毒入侵,但是如上所述,只有在病毒量低的時候有效。

另一個方向是,正在感染病毒,成為傳染源的少數人,戴口罩也能減少病毒輸出,減低傳染給別人的機率;而且減少輸出的效果,比防止輸入更大。

雙方都戴口罩,減少病毒輸出加上降低輸入,效果最佳。但是只要接觸傳染源,就有被病毒入侵的機會。因此減少接觸、避免群聚,把不通風的場所變得通風、不要久留密閉空間,比戴口罩更重要。

口罩減少空氣傳染的各種效果。圖/取自 Reducing transmission of SARS-CoV-2

這是一場空戰,防空!防空!防空!

綜合已知情報,SARS 二世冠狀病毒是空軍,雖然仍須留意來自地面的少量威脅,主要戰場還是在空中,防空!防空!防空!

以空戰想像,可以想成人是飛機,口罩是防護罩,感染者是發射飛彈的敵機,病毒是敵軍飛彈。防護罩在飛彈不多的時候,大部分能擋下來。但是第一要務是避免進入飛彈密集的領空,否則防護罩遲早會被打穿。

群聚的敵機愈多,飛彈密度愈高,在密閉領空中停留時間愈長,防護罩被打穿的風險愈高。保持通風讓空氣流通,即使有飛彈升空,也能迅速減少飛彈的密度,降低風險。

第一要務是避免進入飛彈密集的領空,否則防護罩遲早被打穿。圖/取自 Most infrastructure issuers insulated against pandemic impact

飛彈一旦落到地面,大部分會很快自爆,只要不在附近被一起炸到就沒事。不過少數比較慢爆炸,還是要注意一下,這就是洗手和清潔希望達到的效果。

至於大面積噴灑表面消毒之類的手段,對付某些病原體有效,對於 SARS 二世冠狀病毒的傳染,意義不大。話說回來,化學兵只會噴藥,不可能升級變空軍,像是對馬路大範圍噴藥這種事,即使防疫上沒什麼用,也是他們只能做的事。

作戰要贏,講的是效果實在。比起不切實際的花招和花腔,如茶道一般的消毒表演,個人防疫最重要的是防空,以及避免進入飛彈密集的領空。

馬路上大面積噴灑消毒,對 SARS二世冠狀病毒的防疫效果很有限。圖/取自 Zhai Yujia/China News Service via Getty

承受飛彈不多時,防護罩可以有效保護,但是來襲飛彈太多,防護罩即使再強,時間一久也受不了。何況口罩仍有一定機率被病毒穿透,不要想說有防護罩,就傻傻地衝進飛彈海中找死。

日常環境本來是不通風的危險區,盡力將其變成通風的安全區。盡量避免進入飛彈密集的範圍,萬一非得進入,務必正確使用防護罩,也不要在不通風的危險區久留。

SARS 二世冠狀病毒全球廣傳下,也大幅增加空氣傳染的知識。和透過水源、食物傳播的傳染途徑相比,過去對空氣傳染沒那麼重視,這回也付出慘痛的代價。從各層面防止空氣傳染,例如設計建築時,更注意室內通風的問題,將是未來可以改善的方向。

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冠狀病毒常有新突變,不過很少傳染成功
寒波_96
・2021/05/07 ・2690字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 610 ・十年級

COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)全世界感染幾十億人口以後,它的病原體 SARS二世冠狀病毒(SARS-CoV-2)已經發展出不少變異。除了少數特例,病毒突變的速度似乎不快,不過這只是表面上看到的結果。

一項研究發現,感染後病毒其實常常產生新突變,遺傳有別的病毒們,在同一位宿主體內共存是常態;但是在傳染給下一個人的時候,大部分變異無法轉移。

遺傳有別的病毒們,在同一位宿主體內共存是常態;但是在傳染給下一個人的時候,大部分變異無法轉移。圖/參考資料 

同一位宿主,常有不同病毒共存

研究對象來自英國第一波疫情,93 個無記名和 1,173 位有症狀的感染者,總共定序 1,390 個樣本。主要希望回答的問題是:

同一位感染者體內,病毒有多少多樣性?傳染給下一個人時,轉移多少病毒及其多樣性?

要回答上述問題,技術上並不容易。想要知道一位感染者體內的病毒有多少遺傳變異,各佔多少比例,必需正確定序樣本內所有 RNA 片段,計算每一種可能突變的比例。可是定序有一定的出錯機率,因此見到的「突變」,也可能只是人為偏差。論文花了不少篇幅,闡述如何避免潛在的問題。

一個人感染時,進入體內的病毒應該都是一樣的,假如取樣中見到不同變異,極可能是病毒在這個人體內突變所致。分析發現,

多數感染者的體內,都存在不只一種遺傳型號,2 種、3 種都很常見;因此病毒發生突變,在同一位宿主的體內共存,可謂常態。

但是也要考慮到,也有可能同時感染兩種以上病毒,或是樣本遭到汙染。對這方面的疑慮,論文分析後認為,汙染和多次感染的比例非常低,應該只有 1-2%。所以大部分宿主體內的病毒遺傳多樣性,皆為新突變造成。

多數感染者的體內,都存在不只一種遺傳型號,2 種、3 種都很常見。圖/參考資料

只有一款病毒傳染給下一個人

然而,這麼多新突變,傳染時轉移成功的機率卻不高。即使大部分感染者體內共存多款病毒,被這個人傳染的下一位,往往只能偵測到其中一款;表示病毒傳播時,如同通過狹窄的瓶頸一般,大多數新突變無法轉移到下一位宿主。

此一研究沒有特別討論,不過已知的另一項觀察是:感染者傳染給下一位的比例很低。少數傳染源造成大部分感染,大部分感染者,其實都沒有再傳染給別人。綜合起來可以推論,

病毒在眾多宿主體內,其實有不少新突變誕生,但是只有少數感染者能傳染給下一個人;而少數成功的傳染源,又只有少量病毒能通過窄門,順利轉移到下一個人。

在這個過程中,病毒曾經突變產生的遺傳多樣性,大部分都喪失了,難以持續累積。這也是事後看結果,大多數時候病毒累積突變的數量都不多的一大原因。

還有不少新突變被演化淘汰

另一個原因是,新突變不容易留下來。這部分牽涉一些分子演化學的分析。

生物以 DNA,部分病毒如冠狀病毒以 RNA 承載遺傳訊息。3 個核苷酸(DNA 或 RNA)組成一個密碼子,密碼子又對應一個氨基酸,許多氨基酸合在一起形成蛋白質。總共有 61 個密碼子,對應 20 個氨基酸;因此有時候核苷酸突變,會導致氨基酸改變,有時候卻又不變。

基本假設是,核苷酸突變使得氨基酸變或不變,機率沒有差別;但是改變若是有利或有害,將受到天擇影響,新突變留下的機率有差。比較基因序列改變 (dN) 以及沒有改變的數值 (dS),便能推論基因是否傾向變化。

如果改變有利,新變異的存在感增加,稱為「正向選汰(positive selection)」,dN/dS 的比值便會大於 1。相反地,假如是改變有害,遭到天擇淘汰的「淨化選汰(purifying selection)」,dN/dS 比值將小於 1。比值等於 1 的話,意謂雙邊力量持平,算是中性。

根據蒐集樣本計算的結果是,所有基因的 dN/dS 為 0.55,感染關鍵的 S蛋白質(spike protein)為 0.60。看來在演化上,SARS二世冠狀病毒更傾向在 RNA 改變時,保留原本的氨基酸。

整個基因組以及每個基因的 dN/dS。整個基因組為 0.55,S蛋白質為 0.60。圖/參考資料

然而,改變某些位置似乎可以接受,甚至更受歡迎。不同樣本的 S蛋白質上,總共有 30 個導致氨基酸改變的新突變,其中 3 處:L5F、G446V、A879V,都在不同宿主獨立出現。體外測試指出,L5F 能提升傳染力,而 G446V 和 A879V 有助於對付某些抗體。

依照上述分析,SARS二世冠狀病毒演化時的主要力量,是避免改變的淨化選汰,這也是觀察到突變累積不多的另一個原因。不過仍有少數突變,重複誕生在關鍵的有利位置,容易留存下來

由這項研究看來,病毒儘管常常產生新突變,大部分卻無法傳播,擴散開來的機率不高。如今見到的眾多突變們,事實上是極大量突變中,非常少數通過窄門的勝利者。

那麼去年底被注意到,在英國、南非、巴西各自誕生的三款新型病毒又是怎麼回事?和近親相比,它們一次就配備大概 17 個新突變,這是如何累積的?

至今最合理的解釋是,那些很多突變的病毒品系們,是在同一個人體內,長期感染後醞釀而成。

結合這回的新研究大膽揣測,同一個人長期感染,避免經歷傳染時的窄門,更能保留曾經產生的新突變,加快病毒改變累積的速度

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WHO 認氣膠傳播為新冠病毒主要感染途徑,中山大學氣膠中心:口罩密合度影響病毒阻絕效率
活躍星系核_96
・2021/05/14 ・1908字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

世界衛生組織近日正式承認氣膠(亦稱氣溶膠)傳播為 COVID-19 主要傳染途徑,美國 CDC 隨即也跟進修改防疫準則。

鑑於本土疫情嚴峻,國立中山大學氣膠科學研究中心主任王家蓁疾呼社會大眾提高警覺,她強調,國外最新研究發現,口罩佩戴的密合度大幅影響阻絕病毒氣膠的效率,舉例而言,當口罩的空隙增加 1% 時,其對於小於 2.5 微米的氣膠微粒的阻絕效率將下降 50%。

氣膠(aerosol)的粒徑大小多在 0.01-10 微米之間。圖/Pixabay

氣膠是什麼?

氣膠懸浮於空中之微小液滴或顆粒物質。人們平時講話、唱歌、咳嗽,甚至僅是呼吸,就會釋放出許多大小在 5 微米以下的氣膠。當 COVID-19 感染者進行這些呼氣動作時,病毒即可透過呼氣氣膠釋放到環境中。

王家蓁指出,隨著新冠疫情持續全球肆虐,迄今各類最新研究證據陸續發表,包括實地空氣採樣量測分析、流行病學統計、臨床及動物實驗以及氣動力學模擬等研究結果,終促使 WHO 於今年 4 月 30 日正式承認氣膠傳播為 COVID-19 主要傳染途徑。自疫情爆發以來,層出不窮的超級傳播者事件皆直指氣膠傳播為主要途徑。

先前紐西蘭也發生防疫旅館的群聚感染,經過調查後發現氣膠傳播為主因;國外也已發生多起在遵守社交距離及佩戴口罩等防護措施的情況下,依然導致醫護人員感染的事件,也歸因於氣膠傳播。近期國內更爆發多起群聚感染事件,導致社區傳播風險大幅提高。

王家蓁表示,通常在無症狀患者未佩戴口罩或任何防護措施下,氣膠傳播會成為主要感染途徑。已有研究指出,有相當高比例的 COVID-19 患者在檢驗確診時為無症狀或僅有輕微症狀,且有超過五成的 COVID-19 感染是在感染者無症狀下導致傳染的。面臨國內疫情嚴峻的時刻,她特別提醒社會大眾提高警覺,尤其注意佩戴口罩時的密合度,「一定要戴好戴滿」。

戴口罩時要注意密合度,一定要「戴好戴滿」!圖/Pexels

「以往大家誤以為氣膠傳播只會發生在遠距離,卻忽略了氣膠顆粒濃度實際上在離感染源愈近的距離才是愈高,且導致感染機率愈大的。」

王家蓁說,近期國外研究指出 N95、醫療口罩及棉布口罩等不同材質的口罩對於過濾含有 SARS-CoV-2 病毒氣膠之效率,結果顯示 N95 具有最高的氣膠過濾效率,但其他材質的口罩亦有一定的過濾效率及保護力。

此外,德國馬克斯普朗克研究所研究團隊針對口罩密合程度對於過濾不同粒徑大小的氣膠之效率進行測試,發現當口罩表面空隙增加 1% 時,雖然對於 10 微米的微粒尚有將近 7 成的過濾效率,其對於過濾小於 2.5 微米的氣膠的效率卻減半,當口罩空隙增加至 2% 時,其過濾小於 2.5 微米的氣膠微粒的效率只剩下完全密合時的 1/3

王家蓁提醒大眾,除既有防疫措施外,加強注意佩戴口罩的密合度加裝配有高效能濾網的空氣過濾淨化裝置加裝紫外線(UVC)空氣消毒裝置避免到人多擁擠、通風不良的區域,將有助降低氣膠傳播的感染風險。

研究指出,微小氣膠落地需耗時半天

王家蓁於 2020 年 2 月疫情爆發之初發表社論提醒國人留意,並於 2020 年 5 月跨國合作於國際權威期刊《Science》發表專文,指出導致肺炎 COVID-19 的新型冠狀病毒 SARS-CoV-2 能夠以極細微的氣膠懸浮微粒或液滴形式於空氣中傳播。不若顆粒較大之飛沫液滴會受到重力主導的關係而在數秒內快速沉降到地面,氣膠受到空氣拖曳力的影響可在空氣中懸浮長達數小時甚至更久。

對於一顆粒徑 100 微米的飛沫,從 1.5 公尺的高度(相當於一般成人口鼻的平均高度)降落至地面僅需 5 秒,但對於一顆粒徑僅 1 微米的氣膠,從同樣高度降到地面卻需要 12.2 小時之久。雖然病毒的感染力會隨著時間而逐漸降低,但這些含有病毒的氣膠,如果在保有感染力的情況下被他人經由呼吸攝入呼吸道或肺部,即可能使病毒在新的宿主體內複製,並導致感染發病。

國立中山大學氣膠科學研究中心於 2020 年跨國合作於國際權威期刊《Science》發表專文,指出新型冠狀病毒能以極細微的氣膠懸浮微粒或液滴形式於空氣中傳播。圖/國立中山大學

延伸閲讀

  1. 戴好口罩!飛沫比你想像的厲害!——怎樣的室內環境更容易感染 COVID-19 呢?
  2. 檢驗口罩不測阻擋病毒效率有搞錯些什麼嗎?關於醫用口罩規範的迷思
  3. 除了醫用外科口罩,其他的口「罩」有用嗎?

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia