當光子晶體遇上不使光發散的狹縫

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《嘴唇冒出痛痛小水泡，這些事情不能做！面對壞壞唇皰疹的治療與預防對策（圖文懶人包）》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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唇皰疹是發生在唇部的小顆水泡或潰瘍，如果你曾發作過，你知道當有點刺刺痛痛的，唇邊嘴角有點燒灼感之際，就是唇皰疹再度造訪的日子。

唇皰疹通常是在孩童時期，甚至嬰兒時期感染了單純皰疹第一型，皰疹病毒躲在神經細胞中，免疫力比較差的日子，病毒可能就跑出來作祟，形成會痛的、紅紅的小水泡或潰瘍，經過幾天後才結痂、癒合。本身免疫力正常的人，通常在十天至兩周之內恢復。

由於唇皰疹發作位置很明顯，患者常常會因為不時出現的潰瘍或一顆明顯水泡而感到難為情。更討厭的是，唇皰疹總是出其不意地找上門。據統計，長過唇皰疹的人裡面，大約有 5％ 到 10％ 的患者會反覆受唇皰疹之苦，一年需要體驗超過五次。

增加唇皰疹發作機會的危險因子

哪些狀況會增加唇皰疹再度造訪的機會呢？許多患者會發現，只要最近累一點、壓力大，就會顯現在唇部。所以以下狀況都會增加唇皰疹的出現機會：

• 感冒、發燒
• 嘴唇受傷，臨床上常見的是「霧唇」之後，或長時間曝曬後，許多患者會出現唇皰疹
• 正在月經週期
• 情緒起伏大
• 服用類固醇
• 體力過度勞累，例如過量重訓

所以，如果你是比較容易出現唇皰疹的人，請記得平時一定要防曬，適當地使用護唇膏，並保護唇部不要有傷口，好好休息要睡飽，並做適量運動與減輕壓力。

如何早日擺脫唇皰疹

注意到唇部有異狀，趕快治療，不要等。早點利用藥物對抗病毒，可以讓患處早點進行修復。

坊間會有人建議用蘋果醋對抗唇皰疹，但高濃度的蘋果醋並不會特別殺死病毒，反而還可能讓皮膚大受刺激而受傷。也曾有人提倡在唇部患處塗抹各種精油，像是迷迭香精油、茶樹精油、薄荷精油等等，認為可以殺死單純皰疹。然而這些研究可能已經是在二十年多前，以猴子細胞做體外實驗進行的，還沒有確切人體實驗數據供我們參考。而且，這些非藥物類型的保養品、食品都不用受到藥品規範，其濃度、精煉過程、純度等等都沒有確切的比較依據，因此更難總結其健康功效。

當唇皰疹發作後，沒有什麼營養食品或替代方案能讓唇皰疹一夜之間消失，但及早使用藥物，好好照顧傷口處，還是會讓唇皰疹早點癒合。記得，當唇皰疹結痂，就不要去碰它，結痂代表傷口正在癒合，後來會自行掉落，這段時間做好保濕，塗點凡士林保濕，別讓唇部太乾燥即可。

唇皰疹發作，這些事情不能做！

當唇皰疹發作時，請不要做以下事情，免得將傷口搞砸，或再將病毒傳播他處：

• 不要試著擠它：有人看到唇上一顆水泡會想要試著把他擠破。可是，唇皰疹不是青春痘，擠掉也不會比較快好，反而會讓病毒流出並傳播病毒。
• 不要用力清洗：雖然這是病毒感染，但病毒潛伏在神經細胞，用力清洗也無法洗去病毒，只會讓皮膚更加受傷。
• 不要一直摳或碰傷口：碰觸開放性潰瘍處會讓病毒傳播。若是傷口已經結痂，就等他慢慢好、自行掉落，摳掉結痂處反而更容易留下疤痕。
• 不要進行親密行為：還有唇皰疹的時候，不要親吻小孩、伴侶，這些行為也很容易傳播病毒。
• 不要共享生活用品：分享刮鬍刀、護唇膏、馬克杯、叉子等，也會容易傳播病毒。

可以繼續吃抗病毒藥避免唇皰疹發生嗎？

唇皰疹真的非常難預防，也容易反覆發作。因此，有些患者經歷幾次唇皰疹之後會想：「我能不能繼續吃著抗病毒藥，避免唇皰疹發作呢？」

我們直接講結論。如果沒有什麼其他的免疫疾病，也就是說，對平常免疫狀況算正常，但偶爾就是會出現唇皰疹的人來說，研究並不認為短期使用抗病毒藥物能預防唇皰疹。

這時你可能會問，吃短期的沒有用，那如果更長期的使用抗病毒藥物，會有幫忙嗎？

曾有個小型研究發現，當連續使用抗病毒藥物 acyclovir 400 毫克，一天兩次（每天劑量 800 毫克）共四個月，可以降低約一半唇皰疹發作的機會。在這四個月內，使用安慰劑的族群平均發作二次唇皰疹，固定使用抗病毒藥的人則平均發作一次。然而，這個研究的患者數目真的很少，只有約莫二十人上下，而且目前我們也無法確認長期服用抗病毒藥後的可能危害。

前面提到的研究是針對免疫正常的患者。如果是免疫系統低下的患者，例如正在接受癌症化學治療，或是經歷骨髓移植正使用著免疫抑制劑，這時利用抗病毒藥 acyclovir 似乎是能減少唇皰疹發作的機會。

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本文轉載自顯微觀點

DNA 損傷有多種類型，是導致癌症或遺傳性疾病的致病原因之一。其中，環丁烷嘧啶二聚體（cyclobutane-pyrimidine dimer ,CPD）是一種紫外線誘導的常見 DNA 損傷，影響 DNA 複製時的鹼基配對，如無法修復將導致突變。

生物體有不同的 DNA 修復機制，但其修復過程仍是未解之謎。中研院院士蔡明道率領的國際研究團隊，則應用序列飛秒晶體學（serial femtosecond crystallography, SFX），以 X 射線自由電子雷射（X-ray free electron laser, XFEL），在極短時間內捕捉光解酶酵素修復 DNA 損傷的過程和關鍵中間體結構，可說是首次在原子解析度下直擊 DNA 修復的完整過程。研究成果更登上今年 12 月發表的國際科學期刊《科學》（Science）。

雖然隨著X射線晶體學和冷凍電子顯微鏡技術的發展，科學家已經可以用原子等級的解析度分析許多酵素和酵素複合體的結構，然而這些方法只能捕捉反應開始或結束的單一瞬間，無法進一步觀察反應過程。

這次的研究利用 XFEL 技術，在極短（100 億分之一到 5000 分之一秒）的時間內，為 DNA 光解酶催化過程的多個反應中間體結構拍了 18 張照片，顯示了四個反應位點隨時間的變化。

團隊在皮秒（picosecond, ps）層次捕捉到電子轉移；皮秒到奈秒（nanosecond, ns）的範圍內修復 CPD 損傷，隨後參與催化酶部分的恢復；在 500 奈秒時形成完全還原的酶產物複合物。 最後，在 25 至 200 微秒（µs）內捕獲胸腺嘧啶鹼基的後翻轉中間體，雙鏈 DNA (dsDNA) 重新退火黏合。

阿秒（as）：10^-18 秒，目前實驗上能測量的最小時間尺度
飛秒（fs）：10^-15 秒
皮秒（ps）：10^-12 秒
奈秒（ns）：10^-9 秒
微秒（µs）：10^-6 秒
毫秒（ms）：10^-3 秒
秒（s）

蔡明道指出，這項研究直接以原子解析度觀察酵素反應的完整過程，不但促進結構生物學的發展，也開啟酵素學的新時代。且透過 XFEL 技術，可檢視酵素的反應中間體結構的全貌，進而提供後續應用機會，例如新藥物開發的潛在新靶點。

使用 XFEL 的 SFX 技術，約在十年前問世，主要用於以時間分辨結構的研究。

一般雷射使用將特定物質作為雷射介質，將其電子以能源（光）激發至激發態。當能階提高後的電子嘗試回到低能階狀態，便會釋放能量；再結合共振腔，產生能量相等、高同調性的雷射光。因此一般雷射有三個基本要素：增益介質（gain medium）、共振腔（optical resonator）和激發來源（pumping source）。

自由電子雷射（free electron laser ,FEL）則是利用聚頻磁鐵（undulator）或增頻磁鐵（wiggler）的磁場將高速前進的電子束多次改變方向，將動能轉為光子。

由於 FEL 不需要介質也不需要特定物質做居量反轉，不會被特定物質的能級限制波長，只要調整動能和磁鐵的參數就能改變雷射波長。因此涵蓋範圍從微波、遠紅外線、可見光到 X 射線等；XFEL 即是 X 射線波長的自由電子雷射。

X 射線可以用來研究晶體中原子排列的狀況，透過繞射圖像來判斷晶體中電子密度分布狀況，分析原子位置和化學鍵資訊，例如解開 DNA 雙股螺旋結構。但 X 射線波長短、對物質穿透力強大，也容易造成蛋白質晶體損傷。

XFEL 具有 X 射線波長特性，卻比以往的亮度高 10 億倍；而且脈衝持續時間短，就像超高速閃光燈，可以瞬間捕捉到原子運動和及快速的化學反應。

XFEL 提供極其明亮且短暫（約 10 fs）的 X 射線雷射，能在出現任何輻射損傷前從蛋白質微晶體中進行繞射（破壞前繞射），也就是繞射測量在樣品破壞之前就已經完成。

而透過繞射圖樣，那些容易被 X 射線輻射改變的蛋白質穩態結構便能被確定；與超快可見脈衝結合時，就能確定光誘導過程中的中間體。 全球提供 TR-SFX 的設施僅有五個，分別分布在美國、日本、德國、韓國和瑞士。本次蔡明道院士團隊的研究，則在日本 SACLA 和瑞士 SwissFEL 進行 XFEL；論文共同作者共有 69 位，分別來自世界各地的17個研究機構。

參考資料：

1. 中研院新聞稿：看到了！在原子解析度下直擊 DNA 光解酶酵素的修復過程
2. Vos M. H. (2023). Filming DNA repair at the atomic level. Science (New York, N.Y.), 382(6674), 996–997.
3. Maestre-Reyna, M., Wang, P. H., Nango, E., Hosokawa, Y., Saft, M., Furrer, A., Yang, C. H., Gusti Ngurah Putu, E. P., Wu, W. J., Emmerich, H. J., Caramello, N., Franz-Badur, S., Yang, C., Engilberge, S., Wranik, M., Glover, H. L., Weinert, T., Wu, H. Y., Lee, C. C., Huang, W. C., … Tsai, M. D. (2023). Visualizing the DNA repair process by a photolyase at atomic resolution. Science (New York, N.Y.), 382(6674), eadd7795.
4. Martin-Garcia, J. M., Conrad, C. E., Coe, J., Roy-Chowdhury, S., & Fromme, P. (2016). Serial femtosecond crystallography: A revolution in structural biology. Archives of biochemistry and biophysics, 602, 32–47.
5. 【理化學研究所】X射線自由電子雷射研究設施SACLA
6. 自由電子雷射器  雷射技術新里程碑
7. 維基百科：自由電子雷射器