太陽餅沒有太陽,螢光貼紙居然也不是「螢光」?

太陽餅沒有太陽,螢光貼紙居然也不是「螢光」?

我們想讓你知道的是

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。

文:陳瑋駿(清華大學化學系碩士,中興大學化學系學士。現職科技業工程師,著有《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》一書)

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1)。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。

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。

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Photo Credit: 科學月刊
丁二烯的反式構象
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Photo Credit: 科學月刊
丁二烯的順式構象

透過伍德沃德官能基—波長表(下表),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

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Photo Credit: 科學月刊
過伍德沃德定則隨附的「官能基—波長表」與化合物的化學構象,我們可以預測出特定有機分子的最主要螢光吸收波長。例如左圖化合物具有共軛雙鍵,可得知它具有能吸收紫外光的能力。對照表一的結構:反式構象+3個烷基,可得出此化合物的吸收光預測波長為214+5x3=229 奈米,與實驗測出的數值228奈米非常相近。右圖的化合物為順式構象(紫色共軛雙鍵部分),綠色圓圈代表環外雙鍵,橘色圓圈則標示出環基、烷基。

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2)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。

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!尤其台灣的免簽國約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。以台灣護照為例,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「台灣加油」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。