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身為一個不專業的劇場版柯南迷，一年進一次電影院欣賞這次又是哪一個人氣景點被炸個稀巴爛，也是合情合理的。雖然說近幾年的劇場版，都因為自己太懶而選擇租片在家看，但今（2021）年終於真的走進電影院，除了按照慣例玩玩猜犯人的遊戲，還欣賞到許多預算爆棚的爆炸場面，毫不辜負我的期待。

大家都知道，柯南手上的手錶除了能夠發射出讓人瞬間陷入沉眠的麻醉針之外，還可以當手電筒、衛星電話等，有多種方便的功能。在今年的劇場版《名偵探柯南：緋色的彈丸》（名探偵コナン 緋色の弾丸）中，柯南更是為了追查線索，開啟手錶的特殊光源對著地毯照射，仔細檢視地毯上有沒有藥品引起的螢光反應。

 

一起高喊「阿姨我不想努力了」！

好孩子不暴雷，電影劇情我們點到為止就好。在電影播出的當下，柯南的動作立刻抓住我的注意力，讓我回想到以前還是研究生的時候，有些分子被紫外燈一照也會發出亮亮的螢光。而這些分子能產生螢光的原因，則是當分子內的單鍵與雙鍵交替連接而形成「共軛」（conjugation）結構時，便有機會獲得吸收紫外光的能力。紫外光是具有能量的電磁波，一旦分子吸收了紫外光後，就會變為能量較高、不穩定的激發態（excited state）。然而，這就像人類好逸惡勞的本性一樣，不穩定的激發態分子無時無刻不想著回到原本安穩的基態（ground state），除非我們持續給它能量，否則它一點也沒有想要維持在激發態的打算。

熱力學（thermodynamics）告訴我們，世上萬物總是往「最低能量、最大亂度」的方向發展，於是便造就微觀版本的「阿姨我不想努力了」。分子為了降低自身的能量回到基態，一般會透過放熱或放光形式來達到此目的，而「放光」的形式，便是我們看到的「螢光」。

 

掐指一算，吸收波長手到擒來

只要稍加觀察螢光波長與分子結構的關係，我們就可以很快觀察到一個趨勢——當共軛結構越龐大，也就是單鍵雙鍵交替串聯得越長，分子所吸收的光線波長就會越長，甚至可以從紫外光跨入可見光。講到這就不得不提一下「伍德沃德定則」（Woodward’s rule），這是一個經驗規則，專門用於預測有機分子的最「主要」吸收光波長〔註〕。雖然伍德沃德定則只能適用於特定碳骨架的有機分子，不過這個規則厲害的地方，是它免除了進階的數學工具如微積分，只需要簡單的四則運算就可以達到預測目的。

 

〔註〕強調「主要」的原因，是因為分子能吸收的波長往往不只一種。

首先觀察碳骨架上連接的官能基，這些官能基可以藉由查表的方式，得知各自對應的「波長值」，接著只需要把這些數字加在一起後，再加上一個基礎值，就能推估此分子最主要的吸收光波長。有時候你可能只是想要排序幾個分子的吸收光波長大小，不需要知道實際吸收光波長，那麼只要使用這個規則簡單推估一下就可以得到答案，完全不需要精密儀器的幫忙。

 

這裡的「順式、反式構象」（cisoid、transoid）跟我們以前在高中所學的雙鍵順、反式（cis-、trans-）是不同概念。例如丁二烯（butadiene）的結構有一個可旋轉單鍵，導致兩個雙鍵的擺放方向可能會不一樣。要是位在同側，就是順式構象；反之，就是反式構象。


丁二烯的反式構象

丁二烯的順式構象

（Benjah-bmm27, Public Domain, Wikimedia Commons）

透過伍德沃德官能基—波長表（表一），只要每共軛一個碳碳雙鍵，波長就會增加30奈米（nm）。所以當共軛結構越龐大時，吸收光波長就會變得越長，進入可見光區也就不是什麼奇怪的事了。例如有11 個共軛雙鍵（conjugated double bond）的胡蘿蔔素（carotene），在白光的照射下，分子主要吸收藍光與藍綠光，於是吸收較少的互補色黃光與紅光，就會反射到我們的眼睛，綜合起來就是我們所看到胡蘿蔔的橘紅色囉！

 

伍德沃德定則的官能基—波長表
項目	結構／官能基	波長值（奈米）
基礎值	反式構象（transoid）	214
	順式構象（cisoid）	253
增加量	共軛雙鍵	30
	烷基（-R）或環基（ring residue）	5
	環外（exocyclic）雙鍵	5
	乙酸酯基團（-OCOCH3）	0
	醚官能團（-OR）	6
	氯／溴原子	5
	胺基（-NH2）	60

 

讓螢光成為刑案現場沉默的見證人

讓我們把主軸拉回螢光吧！在鑑識科學裡面，物質的螢光反應是很重要的破案幫手。人類可以憑著與生俱來的五感觀察周遭環境，找到破案的關鍵，但在物質非常微量、不易察覺的情況下，螢光可以幫助辦案的警員看到更多破案的可能性。只要透過適當的光源照射，藥品、火藥擊發、尿液、唾液等人體體液，都能夠產生螢光反應，讓證據無所遁形，不僅迅速方便，又無須破壞證據本身。

而辦案時常用的光源，不外乎是紫外光燈、藍光燈，有時候還會再搭配濾光片使用，就可以獲得清晰可見又即時的絕佳證據。例如在2016年W Hotel 的命案中，警方就曾經出動多波域光源（alternative light source）〔註〕來調查殘留在現場的精斑，確認當事人的說詞和現場留下的證據是否互相匹配。

〔註〕多波域光源是為了方便讓刑案現場的警員蒐證，集多種波長於一身的探照光源組。顧名思義，其光線波長從紫外光、可見光到紅外光都一應俱全。

 

我真的需要那發光的酷東西

如果覺得刑案現場口味稍重，來輕鬆一下吧！大家都知道，護照是相當重要的旅行文件。在國內，要確認一個人的身分可以使用身分證，但到了國外就得依靠護照，告訴他人你來自何處。也就是說，不可能在這世界上找到第二本和你手中一模一樣的護照，不然這世界上就有兩個你了！尤其臺灣的免簽國約150個，在國際間屬於前段班，可以說是非常「值錢」。

為了防止護照被偽造，各國都在護照上加入了許多防偽措施。以臺灣護照為例，裡面就含了許多只有用紫外光燈照射才可以看出來的「彩蛋」，像是會發出螢光的縫線、具有特殊圖騰的個人資料頁，有的內頁還會用螢光油墨印刷故宮、翠玉白菜的圖案，在護照最後一頁還有煙火及「臺灣加油」的字樣，在紫外燈的照射下美麗炫目，讓護照除了具備實用的防偽用途也兼顧了美感。而在鈔票防偽上，500元及1000元鈔票也藏著類似的彩蛋，用紫外光燈照射時，分別會產生棒球選手及天文望遠鏡的圖案。

如果你覺得這些靜態的酷東西稍嫌無聊，那麼我們講個動感的如何？大家都知道氣泡飲料配上曼陀珠可以製造噴泉，但更進階一點的玩法，還可以買罐通寧水（tonic water）再搭配紫外光燈，玩玩「螢光噴泉」。通寧水是使用奎寧（quinine）調味的氣泡飲料，由於奎寧分子本身具有能吸收紫外光的官能基——喹啉（quinoline），因此在紫外燈照射下可以產生藍色螢光，夢幻的藍色螢光噴泉在黑暗中看去，讓人不禁以為看到了馬祖的藍眼淚，而且還是「牙起來」的版本。玩夠了之後，把沒氣泡的通寧水收集起來，還可以拿去冷凍庫做螢光冰塊，喝飲料的時候讓你多幾分網美感，一物多用是不是很划算呢？

 

這些螢光的應用，必須要在紫外光燈的照射下才能大顯身手，一旦我們把燈源移除，一切又將回到原本的漆黑。但你會不會感到好奇，同樣是聲稱會發出螢光，在居家布置場合時常看到的「夜光貼紙」，只要開燈照射一陣子，為什麼在燈源移除的狀況下依舊能持續發亮？

 

什麼，你跟我說那不是螢光？

雖然在生活上，我們不喜歡分那麼細，因此把各種微微發亮的光線都稱為「螢光」。然而，夜光貼紙所散發出的微光，在學理上卻被稱作「磷光」（phosphorescence），要怎麼區分這兩者呢？

   

從光線照下去的那一刻起，無論是哪一種機制，分子都是藉由吸收光線讓自己從基態變成激發態。然而我們知道，不想努力的分子不喜歡在激發態停留太久，所以會想盡辦法回到比較穩定的基態。但由於回到基態的方式不只一種，造就激發態停留時間有長短的差異，雖然詳細機制涉及比較深入的量子力學，不過若單純以結果而論，停留在激發態的時間很短，一下子就回到基態而放出光線時，這種光我們稱之為「螢光」；反之，停留在激發態時間比較長，我們就稱它為「磷光」。

不過停留時間的長短要怎麼衡量？有沒有一個「公道價」呢？由於螢光跟磷光的差異是由發光機制來區隔，因此也沒有一定的標準，有的人說分界點是10^-8秒、也有人認為是10^-9秒。不過大致上來說，如果適合以奈秒（10^-9）來表達的就是螢光；適合以微秒（10^-6）、甚至更大的單位如毫秒（10^-3）來表達的，就被稱之為磷光。不過，以人類眼睛的尺度而言倒不用計較那麼多，只要當激發光源消失還能夠持續發光的，那就是磷光了。至於誰會發出螢光誰會發出磷光，則是因物質或物質所處的環境而異。以目前市面上的夜光貼紙材料來說，多半是幾種無機鹽，例如硫化鋅、硫化鈣等混合物。

 

其實不管是螢光也好、磷光也好，這些自然現象都能透過人們智慧的巧妙運用，發展出各種新奇的科技、甚至是美化我們周遭的環境。話又說回來，身邊能有個成天免費幫你開發道具的博士實在是件很幸福的事，只不過比起可以發出螢光或磷光的玩意，我還是比較想要那隻可以當麻醉槍、打電話，還能發出紫外光的酷手錶。

延伸閱讀
1. 中華民國外交部領事事務局《第二代晶片護照簡介》。https://reurl.cc/NZ9kGx
2. Donald L. Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, Cengage Learning, pp 394-397, 2008.