開啟檢驗單一分子新技術的奈米殼體感測器

Original publish date:Jan 18, 2003

編輯 HCC 報導

萊斯大學(Rice University)研究人員發展出精確控制奈米微粒週遭電磁場的能力，其所發明的奈米殼體感測器(nanoshell sensor)開啟了檢驗單一分子的新技術，能讓醫生、生命科學家與化學家對單一分子進行精確的化學分析。

奈米殼體(nanoshell)為萊斯大學Naomi Halas教授所發明，其結構與硬殼的巧克力糖相似，為疊層膠體(layered colloids)，由一個金屬薄殼覆蓋非傳導材料核心所組成。奈米殼體直徑僅為幾十個奈米，比分子稍大，藉著調整奈米殼體的性質，例如金屬殼的厚度，研究人員得以在分子等級進行精確的控制，調整奈米殼體的電性和光學性質。

依據1月13日刊登於Applied Physics Letters的研究文獻，”Controlling the Surface Enhanced Raman Effect via the Nanoshell Geometry”，此種新技術係利用廣泛應用於分子分析的拉曼光譜(Raman spectroscopy)技術，以及金屬奈米殼體光學性質的可調性，所發展出來的。

科學家利用光譜(spectroscopy)來辨識大到星河、小至個別分子中的詳細訊息，透過研究一個物體所發射的光譜，科學家能夠解釋那些元素出現於樣本中，或者可看出元素間的相互關係。尤其是拉曼光譜，能讓科學家觀察到分子的振動狀態，了解分子在何處以及其彎曲的程度，並且可對有興趣的特定分子進行辨識，例如環境污染物質或者化學、生物毒素。

科學家很早即知將樣本置放於膠體金屬(metal colloids)旁邊時，光譜會增強百萬倍。科學家甚至以此法觀察單一分子，但是未能精確控制膠體金屬的電磁狀態，所以實驗結果以及對研究的解釋莫衷一是。

萊斯大學的研究可以精確的控制表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering，SERS)，於萊斯大學的實驗，Halas的研究群能夠急遽的提升SERS效應，於某些情況，能讓其增強十億倍。由於奈米殼體的尺寸大小和精確的結構，能提升 SERS 並應用於其他用途。

奈米殼體發明人Naomi Halas教授稱：“此發現相當的重要，因為這是首次特別為了獲得分子化學資訊而設計與製造的奈米感應器，此種技術能廣泛的應用於環境科學、化學與生物感測(biosensing)上，同時也許會重用於癌症的早期偵測上。”

參考來源：

相關連結：

拉曼光譜分析法(台科大楊銘乾教授網頁資料)

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倫敦高級區梅費爾（Mayfair）的聯排透天洋房裡，他與屋主近身互動。六呎高，湛藍的雙眸，古銅的肌膚，寬闊的下顎，銀髮一絲不苟地貼齊，以及一縷迷人的香氣：肉桂、皮革和不可言喻的香味，他確定迎面襲來的深刻，源自另一個時空。

「當你嗅聞，你是用腦在聞。最原始的，處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋：「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味，那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談，讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客，而江湖人稱「香水界情色男優」（the Pornographer of Perfume）的屋主 Roja Dove，正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』，一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰，底蘊裡一丁點的『糞臭素』，便能喚起骯髒的慾望。」^[1]。

糞臭素是怎麼來的？

來到住處之前，兩人在麗池飯店（Ritz Hotel）旁的沃爾斯利餐廳（the Wolseley）用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質，分解成胺基酸（amino acid）。接著，腸道內的菌落會先進行「去胺作用」（deamination），用氫去代換胺基。於是，有一種叫做「色胺酸」（tryptophan）的胺基酸，就變成「吲哚-3-乙酸」（indole-3-acetic acid，簡稱「IAA」）。

再來，乳酸桿菌（Lactobacillus）、梭菌（Clostridium）和類桿菌（Bacteroides），透過「去羧作用」（decarboxylation；羧，注音ㄗㄨㄟ）把 IAA 中的羧基（carboxylic acid group）換成氫，人體內的「糞臭素」（skatole；即3-methylindole）就誕生了^[2][3][4]。

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前，Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙，讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺，並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據，把原料輕拍到試香紙上，再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉，微風迎面吹來，他便能感受這些原料的效果。

當然，調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」，而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪（Hermann Emil Fischer, 1852-1919）發明了「費雪吲哚合成」（Fischer Indole Synthesis）：一種苯肼（phenylhydrazine）和醛（aldehyde）或酮（ketone），透過酸觸媒（acid catalyst）催化產生的作用。一般罐裝糞臭素，便是這麼來的^[2][5]。

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成，長達一、二年後，每 3.4 盎司（100.55 毫升）要價 4 萬美元的訂製香水，才會被呈現在顧客面前。所幸，對花不起重金與不特別愛好香水的人來說，還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說，糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處：香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香，載舟亦能覆舟，令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵，在於濃度。像是過多的愛，使人無法擔待。以體積比來說，一旦超過 60 pptV（0.327 ng/L）^[註1]，就會開始臭得一去不返^[7]。如果以重量比計算，健康人體製造的糞便中，糞臭素濃度約為 5 μg/g，但消化道疾病患者，則可高達 80 到 100 μg/g^[註2]。換句話說，腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁，但至少能避免如廁之後臭名遠揚^[8]。

回顧過去的調香職涯，Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成，產地直銷，人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確，我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承，那是為了襯托自然的味道，但是如果大比例的使用人造成份，「合成的香水聞起來，就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢，就連知名調香師也無力回天。諷刺的是，在這場產業變遷的遺憾裡，得知糞臭素並非天然，卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

pptV（parts per trillion by volume），則是兆分之一體積比。ng/L，指每公升幾奈克。
μg/g，又作 mcg/g，指每公克中有幾微克，也就是 ppmW（parts per million by weight）百分之一重量比。

參考資料

How to Smell Like a God (GQ, 2014)
Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
羧酸（教育部重編國語辭典修訂本，臺灣學術網路第六版）
Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
Skatole (American Chemical Society, 2021)
Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)