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以同步輻射調查槍擊案!

科景_96
・2011/02/09 ・1440字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 603 ・九年級

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Original publish date:Jul 11, 2004

編輯 NanoForensics 報導

source:geograph
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同步輻射(synchrotron radiation)的一般應用是在醫學、生命科學、凝態物理、環保、生命科學、材料及冶金科學、及微機械技術研發等,此外可分析射擊殘跡(gunshot residue, GSR)來協助槍擊案調查。

日本警方近日藉由同步輻射的分析結果,逮捕了三名因涉嫌在1995年暗殺當時的警察廳長官國松孝次(Takaji Kunimatsu)的前奧姆真理教﹙現改名為阿萊夫教﹚的信徒。該名官員所幸最後逃過一劫。

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1995年3月20日,奧姆真理教在東京發動了造成12人死亡,5500多人受傷,14人終身殘疾之駭人聽聞的地鐵沙林毒氣恐怖攻擊。時任日本警察廳長官的國松孝次正是對奧姆真理教調查的主要負責人。

能逮捕涉案嫌犯的關鍵證據是因為射擊國松孝次槍枝之射擊殘跡的金屬雜質與其中一名嫌犯衣服上採集到的殘跡相吻合。常見的殘餘金屬雜質為鉛(Pb)、鋇(Ba)、及銻(Sb)。這項結論是由可偵測約兆分之一克金屬(part per trillion, ppt)的同步輻射分析所獲得。為了避免報復行動,日本警方拒絕透露分析人員的身份。

同步輻射(synchrotron radiation):近光速行進的帶電粒子,受到磁場作用而偏轉時,會沿著行進的切線方向發出輻射,即稱之。這種輻射脈波的強度與偏振程度很高,而且為連續光譜。此連續波段電磁波(一般而言所有的電磁波都可稱為光),涵蓋紅外線、可見光、紫外線及X 光,因此可應用於各領域需求。此分析所使用的日本高輝度光科學研究所的SPring-8是現今全球能量最高的同步輻射光源,高達80億電子伏特,可以產生硬X射線光束(台灣擁有的第三代同步輻射為13億電子伏特,但台灣在Spring-8有專屬光束線)。

金屬雜質為特異性較高的射擊殘跡,對嫌犯以及槍枝的連結,頗有助益。常用的GSR 分析有:極譜分析(Polarography)、X光螢光分析(X-ray Fluorescence)、原子吸收光譜分析(Atomic Absorption Spectroscopy)、中子活化光譜分析(Neutron Activation Analysis, NAA)、誘導式耦合電漿原子放射光譜分析(Induced Couple Plasma-Atomic Emission Spectroscopy, ICP-AES)、放射光譜分析(Photoluminescence)、掃瞄式電子顯微鏡X光能譜分析(Scanning Electron Micriscope-Energy Disversive X-rays. SEM-EDX)以及X光繞射分析(X-rays Diffraction)。

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目前只有美國能源部在伊利諾州( Illinois)阿爾貢國家實驗室的先進光子源(US Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory)以及在法國格勒諾布爾(Grenoble)的歐洲同步輻射裝置(European Synchrotron Radiation Facility,ESRF),能夠偵測到如此微量的金屬雜質。

同步輻射屬於非破壞性分析(non-destructive analysis)因此對於寶貴的刑案證物分析上,更具有保存證物的極大優點,可更廣泛應用於各種微物跡證分析。例如協助頗受國人關切的319槍擊案的調查。

參考來源:

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本文版權聲明與轉載授權資訊:

 

 

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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》
天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

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「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

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在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

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——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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引導尖端科技的「科學神燈」——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》
天下文化_96
・2021/09/09 ・2691字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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大家都知道,光線是否充足對拍照品質有決定性影響,戶外拍照比起昏暗的室內容易拍到漂亮的相片;然而,光的亮度,對科學實驗也非常重要。

同步輻射是當今世上最亮的光,它的光通量及光亮度都遠優於傳統光源。

正因如此,過去科學家因實驗光源亮度不夠而無法探測的結構,現在藉由同步輻射都能分析得一清二楚,而原本使用傳統 X 光機可能需要幾個月才能完成的實驗,如今則僅需要幾分鐘就能取得漂亮的實驗數據。

簡言之,同步輻射是在固定軌道上運行的高速電子因磁場作用而偏轉的過程中,所輻射出來的電磁波。相較於其他光源,利用偏轉磁鐵產生的同步輻射,能譜範圍更寬廣,而且擁有高亮度、高穩定度、高準直度、光束截面積小、波長連續、具有時間脈波性與偏振選擇性等特色,輻射強度和功率都可由電磁學的理論計算預測,大幅提高實驗效率和準確度。

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同步加速器光源(簡稱同步光源)是指為了產生供科學實驗的同步輻射所建的設施。一般而言,同步光源會採用兩座同步加速器來產生高品質的同步輻射。第一座加速器把電子加速到接近光速,稱為「增能環」;達到特定能量的電子送進第二座加速器後,不再額外加速,僅維持電子的能量,相當於把這些電子「儲存」起來,累積到足夠的電流量,再利用所產生的光做實驗,因此稱為「儲存環」。

這段過程,電子束在每一圈的運行中,都會在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游放出同步輻射,而儲存環中的超高真空環境,讓帶電粒子束不易被其他分子散射,並且有精準的回饋系統,因此光源穩定,容易控制實驗條件,且可聚焦在很小的實驗樣本上,成為科學研究的利器。

在二十一世紀的現代,同步光源的重要已毋庸置疑,然而它並非一開始就受到科學家青睞,甚至還曾遭到嫌棄。

國家同步輻射研究中心。圖/WIKIPEDIA

從附屬品到建置專用設施

從五○年代至今,同步光源的角色,歷經幾個不同世代的演進。

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第一代的同步光源,是與高能物理研究的同步加速器共用,但兩者的研究需求並不相同,甚至背道而馳。

產生同步輻射的過程會損失能量,但在高能物理研究中,並不希望粒子碰撞前產生非必要的能量損失,否則電子束的軌道與功率都會因而改變,所以當時的科學家其實十分討厭「成事不足、敗事有餘」的同步輻射。

不過,在隨後的十年裡,一些科學家逐漸發現,高能物理實驗不用的電磁波其實可以當成頗有價值的光源,運用於光學及探測、生物醫學、材料科學、地球科學、環境科學等基礎和應用研究,從此改變了同步輻射「寄生」在高能物理實驗之下的命運。

到了七○年代,科學家逐漸體認到同步輻射有其優異性,開始想要開發專用的光源設施,獲得更亮、更聚焦的光束,於是先進國家紛紛開始興建專門為產生同步輻射的第二代同步加速器。

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第二代同步光源將增能環與儲存環分開,出光品質較佳,使同步輻射的應用更廣泛、更多樣化;隨著帶電粒子的速度愈接近光速,輻射就愈集中,發出的電磁波涵蓋整個電磁波頻譜,從紅外光、可見光、紫外光、低能量的軟 X 光到高能量的硬 X 光及伽瑪射線。

八○年代之後,科學家開始意識到儲存環的長直段更重要,可以加入插件磁鐵,讓電子由偏轉一次變成多次偏轉,並且壓低束散度,產生更強、更亮的光束,這就是第三代同步光源。

近代科研最具影響力的光源

半個多世紀過去,目前全世界供實驗用的同步光源設施已經超過七十座,其中第三代加速器多於 1990 年後陸續建造完成,各國在同步光源設施的建造能力及研究成果,也成為國家高科技研發實力的重要指標之一。

到了 2015 年,同步光源的發展達到物理極限,進入第四階段,成為採用多重轉彎磁格 2 的同步加速器,可以將電子束的束散度減少百倍,直到觸及繞射物理極限。

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束散度減少百倍,意謂光點更集中,光亮度可以提高百倍,從事奈米級光點研究;同時,光的準直性與同調性也大幅提高,可以發展許多新的科學實驗技術。

同步輻射插件磁鐵運作示意

插件磁鐵讓電子由偏轉一次變成偏轉多次,並且壓低束散度,使產生更強、更亮的光束。圖/國輻中心提供

受惠於同步光源的快速發展,研究人員得以擴展許多新的研究領域,包括:材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等最尖端的基礎與應用科學研究,所獲得的成果對人類科技創新與生活便利帶來諸多貢獻。

隨著愈來愈多科學家使用同步輻射獲頒科學界最高榮耀的諾貝爾獎,有人稱它為現代的「科學神燈」,也是二十世紀以來科技研究最重要的光源之一。

同步光源主要設備介紹

由注射器產生的高速電子,經由傳輸線進入儲存環,電子在環中經過偏轉磁鐵或插件磁鐵而產生光,藉光束線導引到實驗站,科學家便可使用這束光進行各類實驗。圖/國輻中心提供
  1. 注射器(包括電子槍、直線加速器與增能環)

電子束由電子槍產生後,經過直線加速器加速至能量為 1 億 5 千萬電子伏特,電子束進入周長為 496.8 公尺的增能環後,繼續增加能量至 30 億電子伏特,速度非常接近光速(0.999999986 倍)。

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  1. 儲存環

電子束從注射器經由傳輸線進入二十四邊形設計、周長為 518.4 公尺的儲存環後,環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上,如此一來,電子束便能於每一圈的運行中,在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游產生光束。由於電子會因產生光而損失能量,因此環內裝置超導高頻共振腔系統,用來補充電子的能量。

  1. 光束線

光束線是同步加速器與實驗站之間的一座橋梁。理論上,在每一處電子偏轉處或插件磁鐵的直線下游,都可以打開一個窗口,利用光束線將同步輻射引導出來,進入實驗站。

  1. 實驗站

科學家依據實驗需求設計各種儀器,使用同步輻射進行各類科學研究。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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為什麼義大利名琴的音色難以複製?
科技大觀園_96
・2021/06/26 ・2165字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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戴桓青的研究發現,小提琴音色的秘密在於木材經過化學處理。圖/沈佩泠繪

戴桓青小時候學過幾年小提琴,但並不在行;在美國加州理工學院念博士班時,有位會拉小提琴的同學選擇以此為科普文章題目,發現很多名琴研究都是德州農工大學教授納吉瓦里 (Joseph Nagyvary) 所著,兩人決定利用耶誕假期前往拜訪,沒想到從此與小提琴研究締結不解之緣。戴桓青延續已退休的納吉瓦里針對小提琴木材的相關研究,分析名琴修復時留下的木屑,研判小提琴好聽的秘密,可能就存在小提琴的木材中。

名琴的音色秘密在木板?

戴桓青總共分析了八把史特拉底瓦里小提琴 (Stradivarius) 與二把耶穌.瓜奈里小提琴 (Guaneri del Gesù) 的木材,這兩類名琴在製琴界、演奏界皆以音色優美聞名。針對音色的定義,戴桓青表示:「聲音的屬性除了音高跟音量外,其他都叫做音色。音色很主觀,雖然科學家還不知道要怎麼去定義、分析音色,但演奏家對於音色上的共識認知是存在的,很少人會說其他琴比這兩種名琴好聽。」

戴桓青辦公室掛著名琴海報,左側為公認最完美的史特拉底瓦里小提琴。其名為 Messiah,產於 1716 年,保存於英國牛津阿什莫林博物館(Ashmolean Museum)。圖/文詠萱攝

世界上的木材上千萬種,而小提琴的木材萬中選一。前板得使用阿爾卑斯山南麓的雲杉,背板使用來自巴爾幹半島或是義大利平地的楓木。戴桓青針對木材解釋:「先前納吉瓦里教授分析這些名琴的光譜,發現這些製琴師應該不是直接使用天然木材,而是有經過處理,我們延續他的研究。過去針對這些名琴的研究,都是以研究幾何形狀為主,小提琴有很多曲線、細微的比例、木板不平均的厚度等,但大家模仿出來後,還是沒有辦法做到和這些名琴一樣的聲音,所以我們認為往材料的方向研究是正確的。」

製琴小鎮的配方對決

300 年前製琴師都在義大利北部的克里蒙納 (Cremona) 小鎮中製琴,「我們已經發表的論文,主要在分析這幾把名琴的背板楓木,發現木材確實有做過化學處理,但並不確定是由供應木材的供應商所處理,還是由製琴師處理。」

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至於前板雲杉,戴桓青的研究尚未發表,但針對木材處理來源,交叉比對後發現,那些化學處理的痕跡,應為每位製琴師的秘密配方。「近期的研究發現,小提琴三大家族所做出來的琴,配方都很明顯不一樣,也都相當複雜,因此可以排除是由木材供應商處理的可能性。這也相當合理,因為克里蒙納人很少,製琴的人彼此會互相競爭,各自有各自的配方並不奇怪。」

研究人員於小提琴前板與背板刮取木屑,用於研究分析。圖/文詠萱攝

外型幾何容易模仿,但木材的化學處理就很難用肉眼看出來。「配方我們尚未解出來,製琴是一項工藝,順序也是很關鍵的一件事,配方有可能很複雜地先泡再洗掉,還要考慮溫度、pH 值、處理時間等,沒有辦法從現在的化學分析回推工序與配方。」戴桓青用食物當做各家配方的例子:「就像炸雞排,每家店的原料都差不多,但炸出來味道都不一樣,你不可能買一塊雞排回來分析,就知道他的工序。」

影響琴聲音的可能性

也有許多研究是針對名琴的塗漆,想知道漆對聲音的影響,或是模仿名琴塗漆,看看是否能複製出名琴的聲音。對此,戴桓青認為,「塗漆是一定有影響的,上不同的漆會有不同的差別。但研究名琴塗漆這麼多年,漸漸發現裡面的成分都是我們已知的,但就是沒辦法只透過模仿塗漆和模型,複製出名琴的聲音。」

桌上的大書為名琴塗料研究相關書籍,書中分析不同琴的表面塗漆。圖/文詠萱攝

世界上有許多木製的樂器,很少會聽到樂器放越久越好聽。「我問過很多專家,只有兩種樂器會放久了聲音變好聽,一種是中國古琴,另一種就是義大利小提琴。至於為什麼會有這個現象,目前還有沒人理解,需要更多的研究。而有些樂器本來設計就不是可以用很久的,例如古箏。」

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關於小提琴纖維素分子研究,戴桓青團隊利用「同步輻射」小角度 X 光散射探照,發現琴的木頭纖維素是會重新排列的,「我們針對小提琴的木頭分析,發現纖維素分子之間本來有半纖維素把它們區隔開來,但隨著時間過去,半纖維素會自然分解,纖維素會重新排列。至於這件事對聲音的確切影響,目前還不是很清楚,只知道老的琴會有這樣的現象。」

針對這樣的研究,難免有人會懷疑這些名琴是不是真的比較好聽,畢竟這不是隨隨便便就可以聆聽現場演奏的珍品。戴桓青表示:「事實上,確實要近距離地聽很多把名琴來演奏,才能感受到他們的差異。可是通常一位演奏家表演或比賽,只會帶一兩把琴出門。若真的要做相關研究,首先盲測畢竟有其限制,且『音色』是人類很不了解的領域,很難用科學的方法去解釋和比較。」

戴桓青於實驗室介紹研究用樣本小提琴。圖/文詠萱攝
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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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同步輻射(synchrotron radiation):近光速行進的帶電粒子,受到磁場作用而偏轉時,會沿著行進的切線方向發出輻射,即稱之。這種輻射脈波的強度與偏振程度很高,而且為連續光譜。此連續波段電磁波(一般而言所有的電磁波都可稱為光),涵蓋紅外線、可見光、紫外線及X 光,因此可應用於各領域需求。此分析所使用的日本高輝度光科學研究所的SPring-8是現今全球能量最高的同步輻射光源,高達80億電子伏特,可以產生硬X射線光束(台灣擁有的第三代同步輻射為13億電子伏特,但台灣在Spring-8有專屬光束線)。

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目前只有美國能源部在伊利諾州( Illinois)阿爾貢國家實驗室的先進光子源(US Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory)以及在法國格勒諾布爾(Grenoble)的歐洲同步輻射裝置(European Synchrotron Radiation Facility,ESRF),能夠偵測到如此微量的金屬雜質。

同步輻射屬於非破壞性分析(non-destructive analysis)因此對於寶貴的刑案證物分析上,更具有保存證物的極大優點,可更廣泛應用於各種微物跡證分析。例如協助頗受國人關切的319槍擊案的調查。

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