1. 前言
近年來，科技的快速發展給我們的生活帶來了諸多便利，但是，伴隨社會發展也是大自然環境的破壞、環境污染等問題也越來越嚴重，污染的環境對人類的健康帶來了沖擊，許多文明病也漸漸的在人類的周遭發生。因此，越來越多有利于人體健康的材料或者物質正快速進入我們的生活中來了。
在所有具備保健、養生、促進健康的物質中，我們所熟悉的就是電氣石（又叫碧璽或者托瑪琳/Tourmaline)。電氣石(Tourmaline)是人類發現，具有壓電及熱電性的天然礦物，在十八世紀初期，荷蘭人從印度的錫蘭(Ceylon)引進了一種名為托瑪琳(Tourmaline)的寶石到歐洲市場，并發現此種礦石在火堆當中加熱時，會產生吸附煤灰的特性，當時人們對這種礦物稱之為錫蘭磁鐵(Ceylon magnetic)， 1880年經由Jacques和Pierre的研究發表電氣石的壓電性，電氣石也就是由于它本身固有的熱釋電性而得此名。近年來的研究指出電氣石具有釋放負離子、發射遠紅外線、吸附重金屬離子、調節水的ph值等特殊性能，另外，電氣石與氧分子發生電極反應產生OH-，OH-再與H2O結合可形成負羥離子，H3O2-即負羥離子H3O2-，具還原性，能夠與水中的次氯酸等氧化劑發生反應，有助于消除余氯。因此，電氣石逐漸成為熱門的天然礦物功能材料，受到世界各國的普遍重視。
圖 1 電氣產生負離子示意圖
研究證明，電氣石所釋放的遠紅外線與負離子對生物具有促進成長與抗老化的效果。根據前人研究，電氣石能夠調整酸堿值，電氣石所釋放的負離子則能夠中和自由基，能降低有害能量，在養殖業當中亦有相關的應用。但是一直以來，研究機構缺乏一個完整的對于天然礦物電氣石對人體健康的促進作用的研究，但是目前市面上利用遠紅外線及負離子的功能來改善人體健康的產品卻越來越多，開發功能性材并應用于人體健康支已是目前重要的發展趨勢。因此，本研究將探討電氣石礦物特性，分析檢測其功效，并探索電氣石對植物的反應，并分別針對廢機油的分解與植株成長的反應進行深入研究，于觀察的過程當中探究其現象，希望能將此研究建立在未來環保與保健的研究基礎上有所貢獻。
2. 電氣石的結構
在進行研究前，我們所大概了解一下電氣石的物理結構。根據文獻記載，電氣石為環狀三角硅酸鹽所形成的柱狀結構，為天然的壓電結構，具有性的極化現象，因此能夠產生0.6微伏特的電流；晶體結構當中摻雜著過渡金屬元素，或金屬元素的氧化物。但是，電器石具有壓電結構以及過渡元素在晶體當中形成的缺陷，因此可造成電氣石之晶體能產生性的極化效應以及電子越遷現象，因而能產生負離子與遠紅外線。
圖 2 電氣石的晶體結構
電氣石生成于火成巖當中的礦物，通常會與花崗巖當中的偉晶共生，電氣石在地層當中所示的三元象圖當中，分別為Al、Al50Fe50、Al50Mg50所組成，依照成份的不同會生成不同結構的電氣石。
圖 3 電氣石在地層當中與各種礦物共生
3. 電氣石的特性
電氣石的微結構屬于六方晶柱，其中以三角環狀硅酸鹽結構為主，形成六方晶柱的單體，在晶體當中摻雜有過渡金屬元素。由于電氣石具有過渡金屬元素所造成的晶體缺陷，因此電氣石能夠產生電子越遷的現象，因而能夠釋放出波長范圍在3~1000μm 的遠紅外線。
圖 4 電子越遷示意圖
遠紅外線為波長3~1000μm 的電磁波，其遠紅外線可對細胞產生共振，將電磁能轉換為熱能，使皮下組織的溫度微升，產生微血管擴張與血液循環加快的現象，便可減少心臟的壓力，并能達到促進新陳代謝之功效。
圖 5電磁光波頻譜圖
4. 實驗流程
本研究主要是針對電氣石的物理特性進行應用測試，本實驗所采用之電氣石為巴西電氣石，分別針對電氣石所釋放之遠紅外線與負離子的特性進行分析，實驗流程如圖7 所示，并觀察電氣石對水質與植物的影響。
圖 6實驗流程圖
1) 電氣石前處理
本實驗先將天然之巴西電氣石碎礦進行前處理。將電氣石原礦粉碎后，以陶瓷研缽將電氣石碎片研磨成粒徑為30μm 以下的粉末。
圖 7 巴西電氣石碎料
2) 電氣石之性質分析
1. 遠紅外線放射率測量
將研磨完成的粉末以雙面膠貼黏于尺寸122mm，厚度1mm 的銅片上，將試片安置于FT-IR(Fourier Transform Infrared, Bruker, VERTEX70)的放射率載臺上進行遠紅外線放射率測量，測量溫度分別為40°C、60°C、80°C、100°C。
實驗所采用的巴西電氣石，以FT-IR 進行放射量分析后，所獲得之遠紅外線放射率平均值如下圖所示。電氣石之遠紅外線放射率測量在溫度條件為40°C 時，平均值為0.957，溫度為60°C 時，平均值為0.955°C，溫度為80°C 時，放射率平均值為0.952，溫度為100°C 時，所測得的放射率平均值為0.958。
圖 8電氣石之遠紅外線放射率圖譜
2. 負離子濃度測量
將電氣石碎礦置于容器當中，以日本COM公司的COM-3010pro礦石負離子檢測儀進行礦石的負離子濃度檢測，檢測方式為8次20sec測量平均值。本實驗所測得的負離子平均濃度為1363cc/ion。
圖 9 固體負離子釋放量專用檢測設備（COM-3010pro 礦石負離子檢測儀）
圖 10 電氣石負離子釋放濃度測試
3) 效能測試
由上述之性質分析得知，電氣石具有釋放遠紅外線及負離子的特性，前人研究得知，遠紅外線可細化水分子團，可促進生物體成長，并且能夠提高滲透能力，而負離子則能中和自由基，減少生物的有害因素，同時能使污染源分解沉淀；在此將以電氣石特性對水質的測試，并進行余氯測量以及油酯反應測試，同時以培植綠豆測試其電氣石對生物的影響與效果。
1. 水質反應測試
圖 11 水質測試流程
1) 余氯測試
首先取60cc的自來水，5cc左右的氯仿進行余氯的染色試驗，確定自來水具有明顯的余氯反應后，分別以四個對照組進行測試，自來水樣品每杯為60cc，杯為純自來水，同時將50g的電氣石投入第二杯自來水靜置5min，再將電氣石投入第三杯自來水當中靜置10min后再將電氣石投入第四杯自來水當中靜置15min。
靜置15min后，進行FTIR穿透率取樣，于取樣后分別加入5cc的氯仿進行試驗，自來水中余氯含量初步觀察為黃色狀態，表示水中含有氯的成分，并以FT-IR對自來水的試片進行穿透率分析，將自來水樣品注入液體載臺內進行穿透率測量，并以圖譜比對每個樣品的特征訊號。
經由電氣石的浸泡，自來水會因為浸泡電氣石，而造成余氯濃度的減少，如下圖為自來水以氯仿進行反應測試，從照片上可以很明顯的看出嚴重的余氯反應，而從照片上的(b)、(c)、(d)依序為浸泡電氣石靜置5、10、15min，樣品靜置時間越久，則余氯反應越少。
圖 12 自來水浸泡電氣石后之氯仿測試
(a)未浸泡 (b)浸泡5 min (c)浸泡10min (d)浸泡15min
透過氯仿的反應，得知電氣石有降低自來水中余氯含量效果，然而就單純以氯仿進行余氯的反應測試并無法將實驗數據量化，在此將進一步以FTIR進行穿透率測量，以左證余氯反應的現象。
下面所示之FT-IR穿透率圖譜，樣品分別為自來水與浸泡電氣石的自來水，圖譜曲線的噪聲最多也，(a)為自來水的圖譜，(b)、(c)、(d)依序分別為浸泡電氣石5、10、15min后的自來水，從圖譜中可以明顯的看出，浸泡的時間越久，則圖譜上的噪聲越少，因此可以判斷，電氣石經浸泡后，自來水中余氯有降低的現象。
圖 13 自來水浸泡電氣石后之穿透率光譜圖
(a)未浸泡(b)浸泡5 min(c)浸泡10 min (d)浸泡15 min
2) 油酯測試
本實驗主要測試電氣石加入油酯后的反應是否有分解乳化的現象，分別以兩杯60cc的自來水，其中一杯投入50g的電氣石，經攪拌后個別倒入20g的廢機油，然后于靜置48h進行拍攝。結果如圖14所示，自來水與廢機油混合靜置后，自來水表面懸浮的油酯，部分還存在許多凝聚的油酯，然而圖15所示的樣品，浮在水面的油酯已無凝聚的油酯，且油酯的顏色較淡，由此觀察發現，添加電氣石的廢機油，其表面的所懸浮的油酯明顯減少。
圖 14 自來水與廢機油混合
圖 15 添加電氣石的自來水與廢機油混合
廢機油的實驗透過長時間的靜置以后可發現，電氣石的添加可使自來水對廢機油產生分解現象，圖16所示為自來水添加廢機油混合后，靜置時間延長至120h后對樣品杯底的拍攝，可以明顯的看到，自來水除了稍微變黃以外，水質依然清澈；然而對照圖17所示之現象可以發現，添加電氣石的自來水，在混合廢機油靜制120h后，杯底出現明顯的沉淀現象，對照圖14與圖15可分別看出其差異，圖15由于于懸浮于水面的廢機油因分解而沉淀，因此懸浮于表面的油酯減少，對光的遮蔽能力降低，使得廢機油顏色變淡。
圖 16 純自來水混合廢機油靜制120h
圖 17自來水添加電氣石后混合廢機油靜制120h
靜置后的廢機油分別以FT IR進行穿透率分析，測量其特征訊號，其實驗結果如圖18所示。本實驗采用遠紅外線穿透率的方式進行分析，橫軸為波數，即為光波的頻率，縱軸則為穿透比例，也就是遠紅外線經過樣品后，遠紅外線光源未受到遮損的比例，圖譜當中曲線a為添加電氣石的樣品，可以看到其光源的透過率明顯高于未添加電氣石的樣品(圖18 b)，由此現象可以判斷，曲線a的機油濃度比較低，是由于乳化分解現象造成含水率提高。
圖 18 廢機油穿透率分析(a)自來水中添加電氣石(b)自來水
(一) 植物成長反應測試
植物測試部份是以綠豆進行實驗，分別以RO水與自來水培植綠豆，再將另外兩組分別加入電氣石進行培植對照，以三天為周期進行觀察及拍攝(圖19)。
圖 19 培植綠豆的分組示意圖
培植第三天觀察發現，RO水所培植的豆芽當中，底部鋪有電氣石的樣品成長較慢(如圖20 a.b所示)，從照片上(a)可以很明顯的看到，純RO水所培植的豆芽的綠葉已經展開，但杯底鋪有電氣石的樣品仍然維持在綠葉未展開的階段，而且子葉有持續長大的現象。
（a）
（b）
圖 20 以RO水培植綠豆第三天之觀察
RO水栽培(b) RO水添加電氣石栽培
以自來水栽培綠豆的部份，綠豆的成長速度明顯的比OR水快，值得注意的是，經自來水培植的部份，成長速度仍然是鋪有電氣石的樣品較慢(圖21 a.b)。
(a)
(b)
圖 21 以自來水培植綠豆第三天之觀察(a)RO水栽培(b)RO水添加電氣石栽培
經綠豆培植第六天，綠豆的成長大部分已成長至10~20Cm，此時所有的樣品開始產生成長上的差距，從實驗的觀察當中可以明顯的發現，電氣石對綠豆成長的影響，會因不同的水質而有不同的效果產生。
如圖22所示，自來水所培植的綠豆，培植到第六天，豆芽成長較為參差不齊(圖22 a)，反觀底部鋪有電氣石的樣品(圖22 b)，雖然剛開始培植的時候成長速度較慢，但是在第六天觀察及拍攝時，每顆豆芽成長比較平均，而且豆芽的枝干比較不容易彎曲，顯示電氣石能夠調整植物的生長速度，使植物維持在理想的成長狀態。
(a) 
(b)
圖 22 以自來水培植綠豆第六天拍攝(a)純自來水栽植的樣品(b)添加電氣石的樣品
同樣的培植綠豆的第六天，RO水所灌溉的樣品進行觀測，可以明顯的發現，純RO水的所培植的樣品成長速度非常快，并且開始有支干彎曲的現象(圖23 a)，然而如圖23 b所示，底部鋪有電氣石的樣品，十棵豆苗當中只有三棵豆苗成長至20Cm左右。
(a)
(b)
圖 23 以RO水培植綠豆第六天拍攝(a)純自來水栽植的樣品(b)添加電氣石的樣品
在培植綠豆的第九天，底部鋪有電氣石的樣品，除了三株有成長現象以外，其余仍然維持在發芽的階段，但豆芽的子葉仍然有持續成長的現象，此時與原來的綠豆比較，豆芽的體型已成長為綠豆的兩倍(圖24)。
圖 23于培植實驗第九天時與綠豆進行比較的豆芽
在綠豆實驗的過程當中可以發現，綠豆的成長會因為底部鋪有電氣石的關系，使得豆苗的成長變慢，然而當綠豆的植株成長超過10Cm以后，綠豆植株的成長會比較平均。
為了更進一步了解，為何以自來水培植的綠豆皆可在第六天就能成長至15Cm以上，而RO水所培植的樣品中，底部鋪有電氣石的植株，大部份會一直持續在發芽的階段，因此，針對固體量分析來做比較，如圖25、26所示，自來水的固體量高達235ppm，而RO水的固體量只有10ppm，由此判斷在綠豆種植實驗當中，會因放置電氣石產生速度與健康程度的差別，另外在接近純水的條件下，電氣石會造成植物明顯的成長推遲現象。
圖 24 自來水的固體量檢測
圖 25 RO水的固體量檢測
自來水所培植的植株當中，盡管有受到電氣石的影響，植株成長的推遲只出現在成長初期，而在接近純水的環境，由于水中缺乏綠豆所需的養分，所以成長速度明顯變慢，甚至在培植實驗的第十五天，以純RO水灌溉的綠豆植株已經開始產生凋萎(如圖27)。
圖 26 以RO水灌溉的植株于第十五天開產凋萎
而在底部鋪有電氣石的植株，會因為接受到電氣石所產生的遠紅外線或負離子而產生抗老化的效果，使缺乏的綠豆植株不至于因為缺乏營養而老化。
于培植綠豆的第十五天，對綠豆植株進行2000x的微結構觀察，對各組樣品的綠葉作光學顯微鏡試片，觀察自來水培植的樣品(圖28)，(a)為添加電氣石的樣品，與(b)未添加電氣石的樣品相較之下，顏色較綠，且較具光澤，其氣孔與紋路組織邊界有比較明顯的分隔，反觀未添加電氣石的顏色較為偏黃，且無光澤，表面紋路較為松散。
自來水培植綠豆之綠葉微觀結構(a)添加電氣石(b)未添加電氣石
在RO水培植的部份(圖30)微觀組織與自來水培植的植株比較，葉片上的紋路較為圓潤，有添加電氣石的葉片(圖29 a)顏色與紋路也一樣比未添加電氣石的(圖29 b)明顯。
RO水培植綠豆之綠葉微觀結構(a)添加電氣石(b)未添加電氣石
5. 結 論
在本研究當中，除了針對電氣石固有的礦物特性進行分析檢測以外，更對電氣石進行了一系列的效能測試，除了檢測電氣石的基本特性之外，主要還是對電氣石進行應用價值的探討，在過去的文獻當中，對電氣石的特性以及應用層面甚廣，然而就生物效應與廢機油的部分卻尚未有實質上的研究，在此特別針對以電氣石進行水質改良，并且以改質后的水進行廢機油及植物測試，觀察電氣石的效能，并探討其廢機油與綠豆植株的實際應用價值，并于實驗當中發現，電氣石確實具有使廢機油乳化的現象，以及推遲植株老化的功能。
由電氣石的特性鑒定當中，證實了前人研究所闡述的礦物特性，在電氣石的遠紅外線分析當中我們得知，電氣石的遠紅外線在波長5~13μm的波長范圍放射率高達0.955以上。在過去的文獻當中雖有提及電氣石具有的礦物特性，但廢機油的分解與植物上卻無實質上的探討，若能將此發現善加推廣應用則可以改善健康與環保的問題。
礦石負離子的測量，8次20sec的負離子濃度平均值可達1363cc/ion。在效能測試的部份，我們得知，含有余氯的自來水在浸泡過電氣石以后，余氯濃度會隨著浸泡的時間增加而降低，在廢機油分解測試的部份，添加電氣石的自來水在靜置120h后可使廢機油產生乳化分解現象，另外在綠豆的培植測試當中，我們發現電氣石對植物具有抗老化的現象。且從光學顯微鏡中觀察得知，有放置電氣石的植株，其葉片都比未放置電氣石植珠的顏色較深，紋路也較明顯。
來源：中國臺灣遠東科技大學學報
整理：廣州科技有限公司
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