科學界的高手偵探—質譜儀

作為我們宇宙中的鄰居，以及夜空中最明亮的一盞燈，月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時，想起了遠方的至親；天文學家望向滿月時，心中卻出現了另外一個問題：「月亮為什麼在那裡？」

月球作為繞地球運轉的衛星，並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」（The Giant Impact）。今年八月，在中秋節即將到臨之際，科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體，為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源：月球是從地球分出去的？

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞，把地球撞得團團轉的同時，撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉，形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

聽起來或許十分異想天開，但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先，一個最簡單的觀察是：現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知，月球的公轉方向和轉速自形成後，便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關！

在化學成分方面，同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素（例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18）在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動，因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中，地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋，太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過，科學家在二十世紀初期，檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中，氧同位素比例竟然和地球一模一樣，強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外，許多地質證據顯示月球在形成初期，表面是高溫的熔融態，符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

六個月球隕石，可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今，月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受，但詳細的形成過程究竟是如何，仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質（例如水和二氧化碳）揮發殆盡，但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本，和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋，表示這些水或許是「原生」的，在撞擊形成時便一直留存至今，而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭，氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋，便是重要的追蹤工具，可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄，外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究，還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊，以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質；也就是說，它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後，它們受到更上層的岩層保護，免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中，才從月球的岩漿流中被撞擊而出，並在漫長的旅途後抵達地球。

要取得隕石的同位素指紋資訊，需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾，將它懸掛在天花板上，並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎，但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器，也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石（Murchison meteorite）。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析，嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中，他們排除了太陽風或小行星汙染的可能，而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體，研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素，以及其他容易揮發的鹵素元素等等，藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中，究竟是如何存活下來。

參考資料

1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances, 8(32), eabl4920.
2. One more clue to the Moon’s origin

考古學界的上古神獸，桃樂絲．加洛德（Dorothy Garrod）一生調查過許多地方的遺址，法國、英國是她事業的基礎，直布羅陀、中東是她成就的巔峰。1938 年在保加利亞的工作，相比之下不太起眼。

2020 年發表的研究卻指出，保加利亞埋藏著智人最初移民歐洲的奧秘；這篇論文受到許多關注，排名 Altmetric 資料庫 2020 年的第 51 名。還有另一篇論文同時發表，著重在定年。^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}

智人什麼時候進入歐洲？

「智人什麼時候進入歐洲」這個問題，2019 年發表的研究假如估計正確，答案是超過 21 萬年。這件化石「Apidima 1」出土於希臘，型態看來像是智人，至少也是智人的很近親，21 萬年則是以鈾系列同位素定年法（U-series radiometric method）直接定年所得。^[7]

非洲北部的摩洛哥出土過年代超過 30 萬年，具有部分智人型態特徵的化石；而地理上介於非洲與歐洲之間的以色列，也發現距今 18 萬年的智人。由此觀之，歐洲東南部的希臘，如果有「智人」在 21 萬年前出沒，並非難以想像的事。^{[8, 9]}

但是在此之後很長時間，歐洲不再有任何智人的紀錄，至少仍然不為現代人知。下一次智人出現在歐洲，要等到距今 4 萬多年前。

歐洲南側由東到西，羅馬尼亞、義大利、伊比利等地的多處遺址，都找到超過 4 萬年的智人化石；而保加利亞的 Bacho Kiro 年代最早，估計為 4.6 萬年。

由膠原蛋白判斷動物所屬

加洛德 1938 年初步調查過的 Bacho Kiro 遺址，位於多瑙河南方 70 公里，地理上算是東歐的巴爾幹半島。加洛德之後，1970 年代才又有後續挖掘，最新研究則始於 2015 年，成果非常豐富。

• 延伸閱讀：她是考古學的先驅，也是劍橋大學第一位女性教授｜桃樂絲．加洛德(上)  

遺址中找到一個下顎的第二大臼齒，型態上看來是智人；還出土約 14000 件動物骨頭、2000 件石器，70% 來自年代較早的地層。

骨頭過於殘破，無法靠型態辨識，是考古學研究的常見問題。所幸現代科技帶來解決之道，那就是抽取其中的膠原蛋白，用質譜儀（ZooMS）分析，假如蛋白質依然存在，便有機會判斷來自什麼動物。

蛋白質由一個一個氨基酸小單元組成，不同動物的膠原蛋白，氨基酸序列略有差異，憑著特定變異，有時候足以判斷是什麼物種；但是同一個屬的多種動物，彼此間也可能毫無差異，只能辨識到屬的層級，人屬（Homo）就是如此。

這回有 1271 件骨頭採取上述方法分析，發現 6 件屬於人類。可是人屬旗下的尼安德塔人、丹尼索瓦人、歐巴馬、謝長廷、馬雅人等等都是人，膠原蛋白無法分辨是什麼人。

在骨頭中尋找DNA

幸運的是這批樣本保存不錯，裡頭除了膠原蛋白之外，還有一些 DNA 殘存，從中取得的古代DNA 足以拼湊出粒線體。和其他人類比對，能清楚看出他們都是智人，而且粒線體單倍群分屬 M、N、R 三大群。

現在的歐洲族群沒有 M，但是之前古代DNA 研究指出，幾萬年前的歐洲有過 M，這回又多一筆年代更早的記錄。更重要的是，DNA 證實這批「人」是智人。

儘管他們被歸類為不同大群，粒線體間的遺傳差異卻很少，每兩人之間，最多只有 15 個位置不同。相比之下，現代沒有直接親戚關係的兩位歐洲人之間，97.5% 的差異大於 15 處。這反映出智人累積的遺傳差異，在超過 4 萬年前時，仍然處於很有限的階段。

歐洲4.6萬年前的智人時尚

考古學研究，年代時常是爭議焦點，怎麼知道這群人住在 4.6 萬年前？此研究直接以死人骨頭為材料，用碳同位素定年法，估計最早的智人化石超過 4.5 萬年，可能有 46940 年之久，不過 4.6 萬年是比較安全的數字。

然而上述定年結果發表的幾個月後，碳同位素定年的最新校正版「IntCal20」問世，在距今 4 到 4.8 萬年這段期間改變較大。假如依照新版，Bacho Kiro 樣本的年代會比舊版微幅縮減一些，剩下 4.5 萬年左右。^[10]

• 延伸閱讀：短篇 碳同位素定年法，IntCal20新版校正

與智人埋藏於同樣地層的石器，原本被定義作「Bachokirian」，不過後來重新歸類為「Initial Upper Palaeolithic（IUP）」，也就是歐洲的奧瑞納文化出現以前，從中歐、中東，到蒙古都有發現過的石器風格。它也許源自西南亞，隨著智人移民傳往各地。（奧瑞納 Aurignacian 是歐洲的智人，早期流行的一種文化風格）

死人骨頭以外，還出土大量動物化石，至少有 23 個物種，主要是牛、羊、鹿、馬。有些動物骨頭有經過人為加工的跡象，幾件上頭還有紅色的赭石痕跡。

遺址中也有錐子、1 件穿孔象牙珠、12 件穿孔吊飾。11 件吊飾的原料是穴熊牙齒，另一件是有蹄類動物的牙齒。由此可以推論 4.6 萬年前，保加利亞是歐洲最潮的時尚中心。

智人曾經啟發尼安德塔人的進步思維？

這波智人移民帶來的影響，很值得玩味。遺傳上看來，他們雖然是智人，和後來的歐洲族群或許沒有延續關係，狀況一如年代更早的智人前輩，都不幸滅團了。

也有專家懷疑，他們是否與尼安德塔人有過互動。超過 4 萬年前，歐洲各地仍然有不少尼安德塔人存在，當時移民歐洲的智人們，有機會接觸幾千年後消失的親戚。不過支持雙方見面過的直接證據，至今為止仍十分有限，保加利亞也缺乏這類證據。

然而非常可疑的是，這批智人距今 4.6 萬年之後製作的手藝品，和數千年以後，法國 Grotte du Renne 遺址中，由尼安德塔人創造的 Châtelperronian 文化產物，可謂驚人的相似。^{[11, 12]}

• 延伸閱讀：短篇 用古代膠原蛋白鑑定尼安德塔人化石

當然，外表長的像不等於一定有關係，也可能單純只是巧合。保加利亞和隨後的法國時尚間到底有沒有關聯，尼安德塔人的進步思維是否曾受到智人影響，是有趣的問題。

加洛德另一遺產：住在非洲附近的尼安德塔人

加洛德曾經挖掘，最近又有新研究的遺址，不只保加利亞的 Bacho Kiro。1928 年她前往巴勒斯坦的 Shukbah 洞穴，獲得不少石器和動物化石，可惜該遺址後來淡出學界視野，沒什麼存在感。

• 延伸閱讀：短篇 住在非洲邊緣，巴勒斯坦的尼安德塔人

90 多年前出土的一顆臼齒，最近重新分析發現屬於尼安德塔人，成為地理上已知最南端的尼安德塔人。該地距離開羅只有 400 公里，古人類學家史傳奇（Chris Stringer）因此猜測，距今 5 到 7 萬年前，住在中東的尼安德塔人，也許曾經踏進非洲，只是至今尚未見到考古紀錄。^[13]

除此之外，加洛德 1926 年在直布羅陀，魔鬼塔遺址（Devil’ Tower）發掘的尼安德塔人化石，最近也順利從中取得 DNA。^[14]

加洛德的成就，生前很早就受到認可，令她獲得「迪士尼考古學教授」的頭銜，以及成為劍橋大學第一位女性教授。去世多時後，她將近一百年前的工作，仍然協助著現在的我們前進。

延伸閱讀

• 她是考古學的先驅，也是劍橋大學第一位女性教授｜桃樂絲．加洛德(上)  
• 加洛德的掙扎與偉大：不是不能兼行政，但還是最愛考古研究｜桃樂絲．加洛德(下)  
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• 改寫智人物種起源：時間從30萬年前起、地點涵蓋整個非洲
• 非洲之外的最早智人，以色列18萬年前
• 智人進入最後的尼安德塔疆域，超過4萬年
• 智人與尼安德塔人40000年前在歐洲有過後代
• 智人到歐洲不久後，尼安德塔人滅亡
• 短篇 碳同位素定年法，IntCal20新版校正
• 摩登原始人（下）：成為文青的第一步
• 東南亞史前藝術史：和歐洲一樣，能寫實也懂抽象
• 短篇 用古代膠原蛋白鑑定尼安德塔人化石
• 短篇 住在非洲邊緣，巴勒斯坦的尼安德塔人
• 直布羅陀，第二位尼安德塔人Forbes’ Quarry的DNA

參考資料

1. Hublin, J. J., Sirakov, N., Aldeias, V., Bailey, S., Bard, E., Delvigne, V., … & Tsanova, T. (2020). Initial upper palaeolithic Homo sapiens from Bacho Kiro Cave, Bulgaria. Nature, 581(7808), 299-302.
2. Fewlass, H., Talamo, S., Wacker, L., Kromer, B., Tuna, T., Fagault, Y., … & Hublin, J. J. (2020). A 14 C chronology for the Middle to Upper Palaeolithic transition at Bacho Kiro cave, Bulgaria. Nature ecology & evolution, 4(6), 794-801.
3. Puzzling out the Middle-to-Upper Palaeolithic transition
4. The oldest Upper Paleolithic Homo sapiens in Europe
5. New research determines our species created earliest modern artifacts in Europe
6. Oldest Homo sapiens in Europe—and a cave bear pendant—suggest cultural link to Neanderthals
7. Harvati, K., Röding, C., Bosman, A. M., Karakostis, F. A., Grün, R., Stringer, C., … & Kouloukoussa, M. (2019). Apidima Cave fossils provide earliest evidence of Homo sapiens in Eurasia. Nature, 571(7766), 500-504.
8. Hublin, J. J., Ben-Ncer, A., Bailey, S. E., Freidline, S. E., Neubauer, S., Skinner, M. M., … & Gunz, P. (2017). New fossils from Jebel Irhoud, Morocco and the pan-African origin of Homo sapiens. Nature, 546(7657), 289-292.
9. Hershkovitz, I., Weber, G. W., Quam, R., Duval, M., Grün, R., Kinsley, L., … & Weinstein-Evron, M. (2018). The earliest modern humans outside Africa. Science, 359(6374), 456-459.
10. Bard, E., Heaton, T. J., Talamo, S., Kromer, B., Reimer, R. W., & Reimer, P. J. (2020). Extended dilation of the radiocarbon time scale between 40,000 and 48,000 y BP and the overlap between Neanderthals and Homo sapiens. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(35), 21005-21007.
11. Caron, F., d’Errico, F., Del Moral, P., Santos, F., & Zilhão, J. (2011). The reality of Neandertal symbolic behavior at the Grotte du Renne, Arcy-sur-Cure, France. PloS one, 6(6), e21545.
12. Welker, F., Hajdinjak, M., Talamo, S., Jaouen, K., Dannemann, M., David, F., … & Hublin, J. J. (2016). Palaeoproteomic evidence identifies archaic hominins associated with the Châtelperronian at the Grotte du Renne. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(40), 11162-11167.
13. Bokelmann, L., Hajdinjak, M., Peyrégne, S., Brace, S., Essel, E., de Filippo, C., … & Stringer, C. (2019). A genetic analysis of the Gibraltar Neanderthals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(31), 15610-15615.
14. Blinkhorn, J., Zanolli, C., Compton, T., Groucutt, H. S., Scerri, E. M., Crété, L., … & Blockley, S. (2021). Nubian Levallois technology associated with southernmost Neanderthals. Scientific reports, 11(1), 1-13.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。

為什麼要研究「醣分子」？

醣分子與生物體內各項生化反應密切相關，但醣分子仍是目前主要生物分子中，對於其結構、機制、合成技術等知之甚少的一塊。中研院原子與分子科學研究所的倪其焜研究員，以化學動力學和量子化學為理論基礎，並利用質譜儀高靈敏的特性，建立另一種醣分子結構鑑定的方式。

醣類，和我們有何關係？

核酸、蛋白質、醣、脂質是生物體內四種最主要的生物分子。脂質結構相對簡單，但是核酸、蛋白質、醣都是巨分子，其結構相當複雜。綜觀過去半世紀以來的科學史，核酸與蛋白質的結構發現與相關技術開發，都成了科學發展中的重大里程碑；唯有「醣類」仍充滿的眾多謎團待解。

醣類由單醣分子組成，每一個單醣分子可由 3 到 7 個碳原子，和特定數目的氫、氧等原子組成。例如：我們耳熟能詳的葡萄糖、果糖、半乳糖，都是由 6 個碳原子所組成的單醣分子，是分子式為 C₆H₁₂O₆ 的同分異構物，亦即擁有相同分子式，但結構式卻不相同。其中葡萄糖和半乳糖的差別，只在連接到 4 號碳原子的 OH 官能基方向不同。

2 個單醣分子可以進行脫水反應後連結成雙醣； 3 到 10 個單醣分子連結成的醣稱為寡醣；更多個單醣分子組成的醣則稱為多醣。我們每日熱量主要來源澱粉、飲食調味用的蔗糖、果糖都是屬於醣類。

不過，醣類並不只是作為熱量的來源而已。

近年來眾多研究發現，醣類參與了多種生化反應、與疾病傳染機制。

例如，牛奶與母乳所含的醣類成分就有些微差距，能對嬰兒腸道內細菌有不同的抑制和促進作用；又例如，禽流感的病毒會與特定的醣分子結合，因此檢測或合成指定的醣分子，就可以發展成快篩鑑定禽流感病毒種類的工具。

醣類結構：排列組合超級多！

雖然與其他生物分子相比，醣類分子的結構看似單純許多。以六碳醣來說，不同單醣分子的差異，只差在連接到不同碳原子的 OH 官能基，有不同的連接角度。但是，這一個小小的差異，卻使得看似相似的醣分子，有著大量的排列組合方式。

以上圖的葡萄糖為例，將葡萄糖溶於水中，會出現「????-葡萄糖」與「????-葡萄糖」兩種首旋異構物（或稱變旋異構物），兩者的差異是：在天然的葡萄糖中，位於 1 號碳原子上的 OH 官能基，大概有 40% 的比例呈現連接角度向下，稱之為 ????-葡萄糖；有 60% 的比例呈現連接角度向上，稱之為 ????-葡萄糖。

而當兩個葡萄糖要結合成雙醣時，兩種首旋異構物的葡萄糖，各自會有四種不同的連接方式，如下圖所示。因此光是由葡萄糖組成的雙醣，就可以有八種不同的同分異構物。兩個葡萄糖些微的不同鍵結方式，有時會有很不同的生化反應。

上圖中，常見的麥芽糖是由兩個 ????-葡萄糖組成，其中一個葡萄糖序號 1 的碳原子，與另一個葡萄糖序號 4 的碳原子相接，在符號上可寫為：????（1→4）。但如果把 ????-葡萄糖改為 ????-葡萄糖，但連接的方式相同時，則會形成人體無法消化的「纖維二糖」，符號上可寫為：????（1→4）。

如果我們再繼續將葡萄醣分子連接下去，4 個葡萄糖分子相連就可以有 928 種組合，5 個葡萄糖分子就會有上萬種的組合。這些不同組合的葡萄糖，有著截然不同的結構，有可能會對應到完全不同的生化反應、或生理機制。

結構，是了解化學反應的第一步。

對於化學家來說，一個分子或物質的功能，取決於它所參與的化學反應。而化學反應是如何發生、為何發生，則取決於分子或物質的結構。因此，確立一個分子或物質的化學結構，是了解化學反應的第一步。

質譜儀：窺見醣的千萬面貌

儘管過去科學界已建立了核磁共振、質譜儀、液相／氣相層析等，多種鑑定複雜分子結構的方式。但對於醣分子來說，由於種類過於多樣、在生物體內的每一種的量都非常少、再加上目前沒有類似核酸或蛋白質的技術，可以將萃取後少量的醣分子複製，造成醣分子的結構鑑定非常困難。因而導致醣分子的研究發展，明顯落後於其他生物分子。目前，學界多利用「質譜儀」來作為分析醣分子結構的工具。

由於質譜儀的偵測能力最為靈敏，僅需要少量的樣本就可以進行實驗，正好適合醣分子多樣卻少量的特徵。

當待測物分子因游離而帶電，例如：被電子轟擊、 雷射游離、附著金屬離子、或附著額外的電子、質子時，會產生帶電分子。質譜儀是藉由量測帶電分子的質量與電荷比例（m/z, 質荷比），來分析待測物分子的質量。

如果供給帶電分子更多的能量，例如：經過碰撞或吸收光，帶電分子會分解產生帶電的碎片。這些不同質量的碎片因為所含原子組成的不同，會有不同的質荷比。由於這些碎片的原子組成，往往和原來分子的結構有關。因此藉由質譜儀量測這些碎片的電荷比例（m/z, 質荷比），及其對應的強度，可以得知分析待測物分子的結構。

我們以一個簡單的蛋白質為例，來理解質譜儀用作定序的原理。假設有某一個已知質量的蛋白質，這個蛋白質是由 4 種不同的質量的胺基酸組成，而 4 種胺基酸排序後，可以有 4! = 24 種排列組合的可能，如下圖所示：

在質譜儀的實驗中，我們可以將蛋白質分子打碎成質量不一致的碎片，並參考這些胺基酸的已知質量，就能進一步估計這些碎片是由哪一些胺基酸鍵結組成；只要碎片的形式夠多，就可以藉此推估該蛋白質內的胺基酸序列，如下圖所示：

像這樣的質譜鑑定技術，被廣泛運用到日常生活。例如食安事件中，為了要確認食品中是否含有某些有害物質，就可以將食物樣本送到質譜儀中，看所檢測出來的質譜是否有對應到資料庫中指定有害物質的質譜。

只是，這種以資料庫質譜比對的方式，對於醣分子的研究仍相當受限。以 4 個葡萄糖分子的組合為例，雖然相連起來會有 928 種 4 醣分子組合，但市面上目前僅能買到 20 餘種人工合成的 4 醣分子產品供質譜儀量測，要合成其他 4 醣分子也是耗時耗力，因此還遠遠無法建立起比對用的醣分子資料庫。

因應無法利用資料庫比對的方式來鑑定待測的醣分子，倪其焜與研究團隊所使用的方式，是以化學動力學和量子化學作為理論基礎，以理論預測醣類分子獲得能量後鍵結斷裂的模式，再與質譜儀實驗結果交互驗證，以此發展出醣分子的質譜儀鑑定技術。

有果必有因，從原理推測結構

以本文前述葡萄糖的兩種首旋異構物為例，如同下圖顯示，這兩種帶金屬鈉離子的首旋異構物在質譜儀中，可以觀察到在質荷比數值 185 處，????-葡萄糖的訊號強度明顯大於 ????-葡萄糖。質荷比 185 的峰值，與帶金屬鈉離子葡萄糖的質荷比 203 的峰值， 剛好相差了一個水分子的分子質量，這代表 ????-葡萄糖比 ????-葡萄糖更容易失去了一個水分子 （H₂O） 。

倪其焜團隊從量子化學的理論計算發現：葡萄糖失去了一個水分子的機制，主要是由位置 2 的 OH 官能基裡的氫原子，轉移到位置 1 的 OH 官能基上的氧原子，再經由斷裂位置 1 的 C-O 鍵，脫離一個水分子。

由於 ????-葡萄糖上，位置 1 與位置 2 的 OH 官能基距離，明顯小於 ????-葡萄糖上同樣位置官能基的距離。因此，????-葡萄糖上，位置 2 的 OH 官能基裡的氫原子，要轉移到位置 1 的 OH 官能基上形成水分子 （H2O）的能量障蔽，明顯小於 ????-葡萄糖。

因此，從質譜可以判斷，質荷比 185 峰值較大者，對應的一定是 ????-葡萄糖 ; 質荷比 185 峰值較小者，則是 ????-葡萄糖。

同樣的科學原理，也可以應用到各種雙醣分子 ???? 與 ???? 兩種不同連接角度的糖苷鍵、或醣分子末端的 ???? 與 ???? 不同角度的官能基。透過實驗與理論的交互驗證，就可以在欠缺醣分子資料庫比對、僅擁有極少實驗樣本的情境下，精確地推論與鑑定出醣分子的結構。

醣那麼難研究，何苦選擇它

大家搞不清楚的混沌領域，是科學家開疆闢土的地方！

倪其焜回顧醣質譜的研究歷程，其實也與過去中研院兩任院長的研究有關。如前院長翁啟惠最為知名的研究，就是開發出快速且大量的醣分子合成方式，近年來更將醣分子應用於癌症等治療方式的研發。

但早年研究醣分子時，發現醣分子不僅結構複雜難以分析，相比起蛋白質，醣分子在質譜儀內也難以游離、無法有效鑑定。倪其焜當時發現，主因為當時國際學術界對於醣分子游離的理論與數據解讀有誤，因而與團隊提出了正確且簡單的理論，成功解釋了醣分子的游離機制。

前院長李遠哲，更交付了「提高醣分子游離效率」的任務給倪其焜，由於醣分子的數量稀少且難以人工合成，提高游離效率就意味著：能在有限的醣分子樣本之下，增加實驗的成功率或鑑別度。雖然在後續的研究中，倪其焜研究團隊陸續提出一些改善方式，使游離效率能提高百倍，不過助益仍相當有限。面臨這個挑戰，倪其焜進一步思考，其實人們對於質譜儀內醣分子的鍵結斷裂原理所知甚少，因而發現了這個全新的研究角度。

近年來，科學家大量認知到醣分子的重要性與研究的困難度。倪其焜認為，像醣分子這樣仍屬謎團重重的混沌領域，正是科學家開疆闢土的好地方。中研院在前任院長的支持下，近年建立了跨領域的研究團隊，包含基因體中心、生化所、化學所等，從不同的角度切入，研究醣分子的合成、鑑定，以及醣分子在生化、醫學的功能等。這也是台灣在科學研究上，另一個可以在世界舞台上佔一席之地的契機。

在醣分子研究的歷程上，有可能會遭遇既有理論的瑕疵錯誤，也有可能會欠缺關鍵技術與資源的支持。但若能窮盡物質世界的學理，引進不同研究領域的理論與技術，就有可能在混沌之境，開創出前所未見的研究新視角。

延伸閱讀

• 倪其焜的個人網頁
• Jien-Lian Chen, Hock Seng Nguan, Po-Jen Hsu, Shang-Ting Tsai, Chia Yen Liew, Jer-Lai Kuo, Wei-Ping Hu, and Chi-Kung Ni*. Collision-induced dissociation of sodiated glucose and identification of anomeric configuration. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 15454 （2017）
• Hsu Chen Hsu, Chia Yen Liew, Shih-Pei Huang, Shang-Ting Tsai, Chi-Kung Ni*. Simple Method for De Novo Structural Determination of Underivatised Glucose Oligosaccharides. Scientific Reports 8, 5562 （2018）
• Hsu Chen Hsu, Chia Yen Liew, Shih-Pei Huang, Shang-Ting Tsai, Chi-Kung Ni*. Simple Approach for De Novo Structural Identification of Mannose Trisaccharides. J. Am. Soc. Mass. Spectrom. 29, 470 （2018）

本著作由研之有物製作，原文為《醣有千萬面貌，質譜儀來解》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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