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三、以孔恩「典範」理論分析層析法理論模型

典範或專業基體是孔恩科學發展觀點的核心概念。專業基體包含符號通 則、模型或共同的信念、共有價值和範例四個要素,是常態科學解謎的基礎,是 科學社群所共有的;典範是科學生產的工具。孔恩認為科學是透過常態科學時期 量的累積和科學革命時期非連續的質的跳耀發展。科學從意見分歧的前科學階段 達一致後進入常態科學,常態科學以典範作為專業的基礎,精緻典範直到異例陷 典範於危機而產生科學革命。常態科學時期科學家擴展現有實驗和理論的範圍、

精度,並使實驗和理論更匹配。科學革命時期科學社群放棄一個舊理論採納另一 個不相容的新理論,科學家思考方式也隨之改變。孔恩也指出包含:(一)理論 通則發生整體性的變化,使理論或定義不一致(二)語義的變化,語詞的對象和 情境發生變化(三)模型、隱喻、類比的根本變化等三種類型的科學革命變化。

視層析理論的整體為典範,研究按各層析理論模型的屬性和儀器的形式列出各理 論模型所具備的通則、共有的信念及範例等如表 4-2-6~4-2-10。比較相繼模型 間是否存在量的累積或質的跳耀,以及面對的異例的反應對理論進行評估。

(一)連續模型間關係分析

層析法發展初期,來自不同地理環境(美國和歐洲)的科學家同時研究層 析現象但彼此間的想法並不相同。按孔恩的觀點,前科學時期缺乏統一的典範,

因此搜集到的事實雜亂無章,有一些是隨意的實驗和觀察的結果,也包含傳統中 難以接受的解釋。根據層析法科學史,過濾模型和吸附 去吸附模型兩個模型發 展時期屬於層析法典範的前科學時期。由於沒有典範,Tswett 和 Day 兩個研究 者作出全然不同的解釋,但都傾向用特設性(ad hoc)說明或將現象列為進一步 的研究對象。兩個模型雖然沒有直接競爭,但由於後續的研究者 Palmer 和 Lederer 等科學家的選擇,吸附 去吸附模型成為層析法公認的典範。層析法也 進入常態科學時期。

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孔恩認為常態科學是革命的必要條件。常態科學時期,科學家在典範指導 下科學迅速發展,但也容易引起新事物或異例出現,導致危機而產生科學革命。

根據層析法科學史,Martin 和 Synge 遭遇逆流萃取分離技術困難時,引起「具 流體性質的液體」作靜相的問題情境。新的問題情境使科學家將原有層析法「靜 相」是指物質「物理狀態」的概念轉變為操作時物質的「空間狀態」的概念。孔 恩認為革命需要經過哥式塔轉換,一個世界觀的轉換。因此,Martin 和 Synge 的概念轉變是屬於語義變化的革命性變化;「靜相」術語意義的改變產生層析法 分類學的改變。層析法分離的機制從吸附 去吸附分子間作用力的競爭變為兩相 間的分配作用,兩相間分配作用的板理論模型於是取代吸附 去吸附模型,液-

液層析法和氣—液層析法都變為可能。按孔恩的觀點,板理論模型取代吸附 去 吸附模型成為層析法理論新典範是科學革命。在新典範的指導下,層析法理論的 發展再度進入常態科學時期。由於分配作用的線性屬性,使板理論模型發展成為 數學模型。板理論模型新典範使科學家對層析法實驗的結果能作出更多的解釋並 有預測的功能,也促使氣相層析儀的發明。1952 年諾貝爾化學獎頒給 Martin 和 Synge。

以板理論模型為層析法典範的常態科學時期,有一些科學家致力於液-液 層析法的研究。由於動相在恆常移動的狀態下兩相間的分配平衡實際上並無法達 成,且板理論也無法解釋層析波峰變寬的原因。另一方面液相層析法操作實務上 也有發展自動化儀器設備的需求,直接將現有氣體層析儀的理論應用於液相層析 的限制在於液體動相的擴散太慢,必須克服這種太慢的擴散,才能改進液相層析 法的分離效率。按孔恩的觀點,常態科學時期的科學活動是一種累積性的事業,

典範也愈精確。當科學社群希望提高液相層析法的分離效率和分離時間時,板理 論模型典範將研究問題從「靜相」的本質轉換至「動相」的本質,科學家聚焦於

「動相的流速」的關鍵性概念並轉向動力學的研究。透過層析管柱內擴散作用、

兩相間質量轉移等質量傳遞現象的描述,速率理論模型成功地以隨機進行的分配 作用解釋分離的機制、定量說明層析峰形狀和諸多影響波峰變寬的變因。速率理

論模型仍然採用兩相分配的機制解釋層析分離,影響管柱分離效率的因素則延伸 至動力學。因此,速率模型繼承了大部份的板理論模型的內涵並取代板理論模 型。速率理論模型並成功的將理論轉化為實務,發展出高效液體層析儀。層析法 的分離操作模式也由氣相層析儀擴展到高效液體層析儀。

雖然根據速率理論模型發明的 HPLC 在小分子物質的化學分析上的應用有極 佳的效果,但是仍然無法應用於胜? 、蛋白質等的生物大分子。由於最初的分配 式層析使用的靜相為水、氯仿等極性物質,沒有現成、適當的非極性物質作為靜 相是層析法應用在生物大分子的主要障礙。顯然,層析法研究問題的焦點又從「動 相」的本質回到「靜相」的本質,科學家分別從實務和理論精緻典範,其中Kirkland 發展出以化學鍵接有長鏈碳氫化合物矽膠的鍵結相靜相、Horvath 發展逆相液體 層析的理論。逆相分配層析理論的成功使 HPLC 以逆相分配的分離技術,操弄水 溶液或溶劑極性不同的特性提供更廣泛的層析法選擇性的調控。使用水溶液動相 的概念使得高效液相層析法的應用更廣。按拉卡托斯的觀點,層析法研究綱領又 再度有了理論和經驗上的進步。

(二)層析法典範發展模式

根據上述連續理論模型的分析,可以發現當層析法典範進入常態科學時 期,就有許多新的操作模式或新儀器被發明出來、且層析法應用範圍也更為廣 泛。例如:吸附 去吸附理論模型典範時期成功的分離奶油、蛋黃等有顏色的天 然物,板理論模型典範時期發明濾紙層析法(paper chromatography)、薄層層 析法(TLC)、氣相層析儀(GC)、離子交換層析(ion-exchange chromatography)

和大小排除層析(GPC),速率理論模型典範時期發明高效液體層析儀,效化熱力 學層析法模型典範時期發明鍵結相( bonded-phase)靜相並發展逆相分配式層析 技術及超臨界流體層析。百年來層析法典範歷經四次常態科學階段和一次的科學 革命,有關層析的知識不斷的增加,層析分離系統也而且仍然持續的活躍,是一 個成功的研究典範。按孔恩的觀點,科學發展是透過常態科學時期量的累積和科

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學革命時期非連續的質的跳耀發展。從層析的科學史文獻也可以發現在一些關鍵 的問題情境,科學家的一些選擇:如,同期科學家不能接受 Tswett 層析法分離 的想法、歐陸的科學家 Lederer 透過美國 Palmer 的研究文獻使 Tswett 的層析法 想法重生、Martin 和 Synge 在遭遇逆流萃取分離技術的困難時,提出改變兩種 液體溶劑其中一種的「空間狀態」等都是層析法發展的轉捩點。雖然孔恩強調科 學發現的心理學觀點可解釋層析法發展史中科學家的關鍵抉擇,但從孔恩典範的 觀點則可能輕估了科學史層析典範歷經四次常態科學階段所累積的大量經驗事 實所產生的效果。科學史顯示層析法連續理論模間是靠共有的經驗事實建立重要 的連繫,這些聯繫使層析理論具有較大的解釋一致性,也使層析法得以表現其特 色持續發展。因此,層析法理論發展似乎無法完全歸結於孔恩典範的發展模式。

層析法典範發展模式如下:

科學革命 常態科學 常態科學

吸附 去吸附模型 板理論模型 速率模型 熱力學學模型

過濾模型

競爭

前典範時期

表 4-2-6 以典範理論分析層析科學史模型(1)

學科基體(或典範)(disciplinary matrix or paradigm)

層析

理論評估的判準

模型 通則 (共有的價值)

模型

(共同的信念)

範例 量的累積 質的改變 異例

過濾模型 1、各種物質其分子大小 不同,且質量不同,沸 點不同,所受的重力不 同。

2、分離作用的需要動力 來源

1、粒子模型。

2、過濾作用是利用 重力和孔隙的大 小

1、與石油源距離不同,石油 的組成不同;離石油源距離 愈近的油井含較多高沸點 的石油成分,離石油源距離 愈遠的油井含較多較低沸 點的石油成分。

2、原油通過酸性白土管柱,

沿管柱的不同位置含比重和 沸點不同的石油成分。

液體物質本身的流體性 質可作為分離作用所需 要的動力力來源。

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表 4-2-7 以典範理論分析層析科學史模型(2)

學科基體(或典範)(disciplinary matrix or paradigm)

層析

表 4-2-8 以典範理論分析層析科學史模型(3)

學科基體(或典範)(disciplinary matrix or paradigm)

層析

3、沖提的分離操作。(elution)

1、分離作用必須是包含

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表 4-2-9 以典範理論分析層析科學史模型(4)

學科基體(或典範)(disciplinary matrix or paradigm)

層析

理論評估的判準

模型 通則 (共有的價值)

模型

(共同的信念)

範例 量的累積 質的改變 異例

速率模型 Rate theory model

1、分離作用必須是包含 靜相、動相兩相的系 統。

2、分離作用是連續、動 態系統。

3、動相必需是流動系 統,並作為分離作用的 動力來源。

4、分離作用是非線性的 程序。

4、分離作用是非線性的 程序。