科學研究者的「實驗室人生」

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

在某個燠熱難耐的夏日午後，你打開電風扇，卻發現吹出來的風好像比印象中來得小。你眉頭一皺，覺得案情並不單純。就在走近電風扇的那幾步裡，好幾種可能性閃過心頭：

「會不會是按錯按鈕了？」、「會不會是扇葉太髒了？」、「會不會是轉軸黏住了？」、「會不會是⋯⋯？」這些猜想背後，都是根據你對電風扇原理的一些些認識才會做出的假設。

在提出疑問和假設之後，尋找問題的答案

靠近電扇之後，你看到按鈕確實是按下了「強」。接著你切斷風扇電源，看了看扇葉，發現確實有點髒，於是把電風扇拆洗後裝回去，再按下按鈕。結果風吹起來，就如同你印象中的那麼涼了。這證實了你的第二個猜想，並且解決你所關心的問題。

上述這樣的過程，其實就是「察覺差異，提出問題」、「根據理論，連結現象」、「提出假設，進行驗證」、「預測結果」等等的探究過程。

再舉個例子。

我有一天走在馬路上，看到白色分隔標線的一端閃著黃色的光。我心想：「難道馬路地上埋了一顆黃色的燈？是要作為交通警示用途嗎？」

我覺得奇怪，記得前幾天沒看到這裡有燈。接著我把視野放大，往左往右看了看周圍。發現有一台車停在遠處，車頭開啟方向燈，燈是黃色的，而且還在閃爍。然後我馬上注意到，兩者閃爍的頻率是相同的。

於是我有了新的猜想：「地上的神祕閃光，非常可能來自於汽車閃爍的方向燈的反光。」

但是柏油路面怎麼會反光呢？

仔細一看，地上似乎有一小灘水。汽車的方向燈發出來的光，剛好通過那一小灘水的反光進到我眼睛，讓我覺得地面在發光。接著馬上一台車經過，就擋在方向燈和積水的中間。我看到的亮光馬上消失，證實我的第二個猜想是正確的。

「哪裡怪怪的」這個念頭，會帶領我們尋找答案

像這樣的心智活動，在我們的生活中無時無刻都在進行著。只要我們發現「哪裡怪怪的」，腦袋幾乎就會立刻啟動探究的機制：

• 廚房怎麼那麼多螞蟻？（察覺問題）
• 是不是有食物殘渣沒有清理乾淨？（根據理論提出假設）
• 仔細觀察一下，發現⋯⋯（得到結論）

既然這些能力是我們原本就自然會的，那又為什麼要學呢？因為我們雖然很習慣對於意料之外的事情展開探索，但是以直覺來進行思考及解決問題的方式，往往並不太科學。

古人說的「地牛翻身」，其實也是一種探究的精神

古人在觀察自然現象的時候，會提出自己的解釋。例如面對地震的時候，台灣民俗的說法是「地牛翻身」，日本民俗的說法則是「棲息在地底的大鯰魚搖動身體」；至於日食在中國的傳說中是「天上的狗把太陽吃掉了」。

於是後人也會根據這些「理論」來規劃解決問題的方法。例如，綠島人認為地牛不只一隻，還會彼此打架，所以地震時要敲打金屬臉盆來分開牠們；同樣的，古時候的中國人看到日食，也會敲鑼打鼓、放鞭炮來趕走天狗。

有趣的是，根據這些「理論」採取的「實驗」，還真的每一次都會成功喔！一代又一代的人反覆進行著下圖這樣的實驗，所以千年來人們始終對這些「理論」深信不疑。

如果你是一位受過基礎科學教育的公民，這時候可能就會提出質疑，認為這樣的實驗並沒有對照組。

例如下一次出現日食的時候，如果不要敲鑼、打鼓、放鞭炮，日食是不是也會結束？如果不這麼做，日食仍然會結束的話，那麼用敲鑼打鼓的方式趕走天狗的假說就會受到挑戰了。

當然，在一個深信天狗傳說的社會中，沒有人會膽敢拒絕敲鑼打鼓，不然萬一太陽真的就被吃掉而永遠消失了，這責任誰負擔得起？用這個角度來看會發現，有時候要突破傳統，其實是一件非常困難的事情。

恐懼源自於未知：想消除恐懼，需要探究未知

人對於未解的現象，往往會用隨意的想像與歸因來尋求解釋，用很直覺的方式來建立對自然現象的理解，也是人類天生的習慣。

直到距今兩千六百多年前，古希臘哲學家泰利斯才撥開直覺的迷霧，主張應該拒絕再用人格化的神祇來解釋自然現象，而是要藉由理性的假說來理解和解釋自然現象。但即使西方在兩千六百多年前已經出現這樣的思想，但近代科學真正臻至蓬勃發展，還是近半個世紀內的事情。

正由於科學的研究和思考方法並不直覺、並不符合人類的天生習慣，所以必須透過後天的教育與訓練，才能慢慢熟練並妥善運用在生活之中。

雖然探究是我們的天性，但是具有科學素養的探究卻不是天性，無法一蹴可幾。就像科學家需要訓練有素的探究技術，才能做好自己的研究。

一般公民也需要具備科學探究的素養，來幫助自己在面對生活中諸多不熟悉的現象時，能運用一套思考和研究的方式來做判斷，特別是幫助我們更加注意到生活中不尋常的現象，能對許多直覺、缺乏事實支持的歸因有更高的警覺。

正因為我們的生活離不開探究，所以更應該透過學習來提升探究品質。這正是國民教育自然課程中所應教會每個公民的事情。

——本文摘自《教出科學探究力》，2021 年 8 月，親子天下 ，未經同意請勿轉載。

• 本文與台灣科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《「研究使用血液快速評估人體對新冠病毒的細胞免疫力」專家意見》
• 資料更新至 2022 年 6 月 14 日，完整文章請見上方連結

最近，國際期刊《自然生物科技》（Nature Biotechnology）發表研究，發現透過血液的 PCR 定量技術，加以分析與「Ｔ細胞免疫」反應有關的細胞因子「CXCL10」在血液中的濃度，可以有效反映出Ｔ細胞對新冠病毒（SARS-CoV-2）的免疫反應程度和持續時間，未來將有助於評估疫苗追加接種的優先策略。

體液免疫力 vs 細胞免疫力

台灣大學醫學院醫學檢驗暨生物技術學系副教授 蘇剛毅 說明：這篇發表在 Nature 子期刊：《自然生物科技》的研究，建立一套量化的「趨化激素」（chemokine）：CXCL10 訊息核糖核酸（mRNA）的快速檢測技術，來判定個體對於新冠病毒感染保護性的細胞免疫能力（cellular immunity），進而預測是否可能發生再感染的風險。

CXCL10 是一個受到新冠病毒感染後，抗原特異性Ｔ細胞釋放「伽瑪干擾素」（IFN-g）去刺激單核細胞（monocyte）產生的一種趨化激素，可評估個體在保護性的細胞免疫能力。

國立陽明交通大學臨床醫學研究所副教授 陳斯婷 表示：自新冠肺炎疫情延燒至今，對於免疫力的理解大多數屬於「體液免疫力」，亦及抗體產生及其中和性的效價。然而適應性的免疫力，包含細胞免疫力以及體液免疫力，兩者協力方可徹底清除病原菌感染，以及提供完整的記憶型免疫力。

由於體液型免疫力的分析方式較為單純，且所耗費的經費以及分析的技術門檻較低，僅使用血清及蛋白質抗原便可完成分析，因此是研究之初各單位爭相開發的分析模式。相反的，細胞型免疫力因為牽涉複雜的Ｔ細胞作用機制、預測蛋白質抗源的專一性，以及分析儀器的高度研究門檻，眾多原因使得相關的研究進展較為緩慢。

蘇剛毅副教授 認為，本研究重要性在於，有別以往是偵測病毒相關抗原、抗體、核酸，更進一步了解個體本身對抗病毒的免疫能力，除了有助了解本身抗病毒能力與感染風險外，亦可幫助疫苗施打策略以及評估追加劑的必要性。而隨著病毒變異株陸續產生，這也有助我們了解，感染後康復或接種疫苗者，對這些變異株是否仍具抵抗力。

研究過程是什麼？

先前 2020 年 11 月，南非的研究團隊率先發表研究，以 SARS-CoV2 相關蛋白質刺激受試病患的血液樣本，再以高階的細胞分析儀器（高階多色流式細胞分析儀），找出血液中針對新冠病毒的Ｔ細胞活化的標幟，並以新冠病毒檢測陽性之病患與健康的人交叉比對，確認可成功分析有 SARS-CoV2 專一性的活化型Ｔ細胞群^[1]。

2022 年 6 月，紐約西奈山伊坎醫學院團隊的發表文獻，主要是採用上述團隊利用血液樣本的方式分析特定Ｔ細胞活化的標幟，但是分析Ｔ細胞活化的方式改用行之有年的一種快速的定量 PCR 方法，合併分析共同存在血液中的另一種免疫細胞（單核球）的特定基因表現（CXCL-10），此特定基因表現量會受到Ｔ細胞活化後產生的訊息（第二型干擾素）所調節，因此當共同存在血液中的免疫細胞接收到Ｔ細胞活化釋放出的訊息後，會讓此特定基因表達增加。因此團隊先透過分析各組別中血液的基因相關檔案，挑出這基因做為Ｔ細胞活化的替代標幟。

這個基因標幟在免疫學中並不陌生，但是團隊從各種 COVID19 病人及疫苗注射後的健康族群採樣，以上述方式分析後，得到這個具有統計意義的交集。團隊有鑒於此方法可能在專一性及敏感度稍嫌不足，因此也將測試結果與其他傳統的分析方式進行比較。

結果顯示，快速測試特定的標幟基因，與傳統方法分析Ｔ細胞的敏感度及專一性相當接近。

這種檢測方法有風險嗎？

陳斯婷副教授認為：

• (1) 本研究雖然使用血液檢體，但仍必須經過傳統的Ｔ細胞活化流程後，包含後續的定量 PCR 分析，耗時大約兩個工作天。
• (2) 用極少量的血液（2 uL）且不抽取 DNA，直接定量分析，在台灣的檢驗量能及學術單位並不普遍，若想開發仍必須熟練此技術的操作。
• (3) 利用其中一種免疫細胞的基因表現，間接做為Ｔ細胞活化的替代性指標，若遇到Ｔ細胞活化的反應不明顯時，可能會呈現誤差，不如單純分析Ｔ細胞來得精準。
• (4) 每一種蛋白質抗原由特定分子較小的胜肽所組成，會引起特定的Ｔ細胞反應，但這些胜肽片段都是經由電腦模型模擬預測並經過實際驗證後才能得知，才有助分析專一性Ｔ細胞的免疫力，而不是直接從現有資料庫就可以得到。

蘇剛毅副教授則表示，這篇研究結果確實可以輔助醫師、感染者甚至衛生主管單位在治療與防疫上的策略。但我們也必須要了解幾件事：

• 人體免疫系統受到任何內在、外在的刺激時，本來就會產生許多分子去因應，雖本研究是利用新冠病毒的「特異性抗原」誘發免疫系統，但研究中觀察Ｔ細胞是出的細胞因子「伽瑪干擾素」與單核細胞細胞因子「CXCL10」並非只受到新冠病毒刺激才產生，本研究並沒有評估新冠病毒以外的感染源或其他生理病徵影響。因此在臨床應用上，需要考量受測者的背景因素甚至疫情發展。
• 免疫反應伴隨的「細胞激素」或「趨化激素」，在數量上都需要受到適當調控，過多或過少都會造成身體的傷害，如果本研究在數量上面可以進一步探討決策閾值的問題，將更有應用性
• 本研究應用主要仍在輔助性評估，對於防疫與治療而言，還是需要遵照常規病毒檢測、生活防疫、疫苗接種等措施。

研究原文

• Schwarz, Megan., et al. (2022) “Rapid, scalable assessment of SARS-CoV-2 cellular immunity by whole-blood PCR.” Nature Biotechnology. https://doi.org/10.1038/s41587-022-01347-6

參考文獻

• [1] Riou, C., Schäfer, G., du Bruyn, E., Goliath, R. T., Stek, C., Mou, H., Hung, D., Wilkinson, K. A., & Wilkinson, R. J. (2022). Rapid, simplified whole blood-based multiparameter assay to quantify and phenotype SARS-CoV-2-specific T-cells. The European respiratory journal, 59(1), 2100285. https://doi.org/10.1183/13993003.00285-2021