理學院
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學院概況
理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。
特色理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。
理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。
在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。
在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。
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Item 陽極氧化鋁靜相之金屬碟式氣相層析管柱研製(2024) 范智傑; Fan, Chih-Chieh本研究以金屬加工的方式開發出新型的氣相層析(Gas Chromatography, GC)管柱,在以鋁為底材的微流道中,生長陽極氧化鋁(Anodic Aluminum Oxide , AAO)作為氣相層析的靜相。依照不同的微流道製造方式以及陽極氧化鋁的生長條件,研究分為三大部分。第一部分為在毛細鋁管當中直接生長陽極氧化鋁,第二及第三部分為在沖壓製成的鋁微流道中生長陽極氧化鋁,並封裝製成封閉的流道結構。第一部分在毛細鋁管當中直接生長陽極氧化鋁,毛細鋁管使用抽拉的方式製成,為所有流道結構當中最穩定且截面最接近理想的圓形者。但因為陽極氧化鋁的生長過程受到電流及電解液的限制,而毛細管的截面不足以提供適當的生長條件,因此在數米的尺度上難以製備出均勻的靜相。作為本研究的首次嘗試,這樣的流道製造方式所得到的初步層析表現,對於後續的研究來說是相當重要的參考。由於陽極氧化鋁的生長需要相當的電流以及充分攪拌的電解液,第二部分開始嘗試在平板結構上加工出微流道,在硫酸中生長陽極氧化鋁之後,以封裝的方式來完成整個封閉流道。鋁作為一個相當難以焊接的金屬,再加上應用在氣相層析而不能使用加熱會產生揮發性物質的有機封裝材料,流道封裝技術的開發在本研究當中是相當重要的關鍵。第二部分的研究首次有效地做出以陽極氧化鋁作為靜相的氣相層析管柱,並進行了C1-C15直鏈烷類的分離。由於多孔粉末塗布的條件限制,商用氧化鋁管柱的可操作溫度較為受限,本研究則不受此限制,同時分離如此大沸點範圍的分析物在氧化鋁管柱當中為首見。第三部分則是在第二部分的基礎之上進行管柱結構與陽極氧化鋁表面的優化。第二部分使用的製程雖然能最快速生長最厚的陽極氧化鋁,但其表面極性太強,只能針對烷類化合物進行有效的分離,另外靜相厚度太厚也會對分離的效果造成不利的影響。第三部分研究改為使用草酸二次陽極氧化,使用較薄的靜相,並重新開鋼模,將流道內徑縮小並優化與封裝製程之間的配合。除了在理論板數的表現上有顯著進步之外,能分離的化合物範圍也從只有烷類拓展為烯類、芳香烴以及鹵烷類等化合物,最後再更進一步使用油酸進行表面化學修飾,能夠分離部分含氧及含氮的有機物,在應用上已慢慢接近商用管柱的水準。Item 微小化介電質氮氣電漿放射光譜應用於氣相層析偵測器之研製(2013) 洪德裕; Te-Yu Hung本研究成功發展出微小化介電質放電電漿裝置應用於氣體偵測,此微小電漿氣體偵測器的電極是以白金線四周包覆玻璃製作而成,且電極間距為200 μm。當在兩端電極連接高壓產生器,施加電壓8 kVp-p、頻率67 kHz正弦波形的交流電源,可在常壓環境下形成穩定電漿,電漿放電體積約為80.0 nL。本研究以氧氣、氫氣、空氣及氮氣四種氣體做為載流氣體進行測試,其中以氮氣作為背景氣體,最容易產生電漿。當有機揮發性氣體通過電漿區域時,有機物會與氮氣形成碳氮鍵,以光譜儀偵測放射光譜在384 nm的地方會有明顯光譜訊號產生。本研究也進一步探討流速、電壓、採樣袋背景氣體與訊號反應的關係,氮氣電漿對於烷類、醇類、酮類、酯類、芳香族及鹵化物等各種官能基有機氣體通過時,在光譜儀上皆有類似的訊號反應,並且會隨有機氣體碳鏈的長度增加放射光譜的訊號強度。在本研究的測試系統中,偵測極限已達到0.54 ng,此裝置具備微小、價格低廉、不耗損電極、可使用成本較低的氮氣作為載流氣體以及高靈敏度等優點。Item 多靜相平行分離微氣相層析晶片研究(2013) 曹湘薇本研究藉由微機電製程技術 (Micro electro mechanical system, MEMS)製作多管柱平行分離氣相微層析晶片 (μ-column),在微層析晶片內分別塗佈上具有不同選擇性的靜相材料:polydimethylsiloxane (DB-1)、polyethylene glycol (DB-WAX)、trifluoropropylmethylsilicone (OV-210),利用靜相材料對揮發性氣體 (VOCs) 不同的滯留效果可同步獲得三張層析圖譜。微小化氣相層析儀中利用致冷片對微層析晶片進行控溫,本研究利用致冷片對晶片進行控溫進而達到 0 ℃ 的溫度,使管柱分離效果提升。實驗中探討流速、分流比、溫度對化合物在管柱中分離的影響,並找出實驗最佳條件,提升圖譜分離效果。在最佳條件下進行實驗可以在各管柱長僅 1 公尺的情況下分離 12 種沸點以及極性相異的化合物,並只花費 250 秒的時間。任一化合物在固定實驗參數下進行實驗,可同時獲得三張在不同靜相的層析圖譜,進而得到三組不同的滯留時間,三組滯留時間可作為其定性判斷的依據,協助進行化合物的判別。Item 利用氣相層析儀結合加速規及麥克風氣體感測器線上定量檢測硼烷氨的氫氣釋放濃度(2013) 林建宏; Chien-Hung Lin本研究首次使用加速規 (accelerometer)作為氣相層析儀 (gas chromatography; GC) 的氣體感測器。將微型哨 (milli-whistle) 連接於氣相層析管柱出口端,當管柱層析物與鞘流氣體通過哨式偵測器時便會發出聲音,產生的聲頻可以用麥克風接收,哨子的振動則由加速規測量,再透過快速傅立葉轉換 (fast Fourier transform; FFT) 即可得到頻率。分析物選擇加熱時能夠釋放氫氣的儲氫材料硼烷氨 (ammonia borane; NH3BH3)。實驗結果顯示,無論是聲波或微型哨身的振動,所產生的頻率是相同的。根據頻率的變化量線上即時測定氫氣的釋放濃度。本實驗使用自組裝電磁閥注射裝置,將硼烷氨放置在注射裝置的樣品槽內加熱,釋放的氫氣以 0.5 分鐘為間隔注入 GC 分離系統,可以即時定量每次注入的氫氣濃度。研究中發現以靜電紡織技術,將硼烷氨包覆在聚碳酸酯纖維 (polycarbonate; PC) 的微管陣列薄膜中,可以降低釋放氫氣所需的溫度,這將使得儲氫材料的適用性更為廣泛。研究結果,每 1.0 mg 的硼烷氨在溫度範圍 85 - 115 ℃中可以產生的氫氣量為 1.0 ~ 1.25 mL。Item 氣相層析-哨式偵測器/加速度規感測器對無機氣體的分析與研究(2013) 吳卉馨; Hui-Hsin Wu本研究發展在氣相層析法中使用加速度規感測器來偵測無機氣體。將一迷你發音哨連接於氣相層析管柱的後端,取代傳統的氣相層析儀偵測器。當載流氣體與待測物氣體通過迷你發音哨時,產生聲音,造成振動變化,可以使用加速度規感測器來記錄。點燃傳統中國的沖天炮內的推進劑與爆炸劑,將會釋放高含量的二氧化硫、氮氣和二氧化碳無機氣體,並可以利用氣相層析/哨式偵測器-加速度規感測器系統做快速偵測。這裡描述的方法是安全的,儀器裝置亦是嚴謹,具有潛力被改良成為可攜式裝置。由於火焰離子偵測器對二氧化硫、氮氣、二氧化氮和二氧化碳難偵測,以及熱導偵測器需要使用氦氣,而此系統可以分別與火焰離子偵測器或是熱導偵測器結合來使用。Item 以氣相層析/微哨偵測系統同步監測鐵在發藍處理過程中產生的氫氣濃度變化(2019) 陳宇儂; Chen, Yu-Nung工業上大多以酸洗(黑色氧化)的方式來進行鐵的除銹或防鏽,本研究選用沒食子酸代替業界常用的鹽酸來進行藍染防鏽的實驗。鐵在酸性的環境下會氧化成成二價鐵離子,同時還原溶液中的氫離子並釋放氫氣,其中鐵離子會與沒食子酸進行錯合反應,使得金屬表面形成黑色的四氧化三鐵保護層,藉此防止進一步的氧化生鏽,而由於二價鐵離子與沒食子酸的反應機制複雜,生成的錯合物種類也較為繁多。故本實驗欲簡化以偵測氫氣的方式,進行反應的即時同步監測,儀器選用實驗室自行研發的微哨偵測器,結合氣相層析儀以及全自動進樣系統,過程中會以LabVIEW程式控制進樣流程並搭配NI-4461音效卡進行音頻擷取和數據分析,計算後轉換成氫氣的生成速率,最終以SEM和銹蝕照片的方式討論酸洗處理過後的鐵片,再經浸水氧化的生鏽程度差異,希望藉此得到較佳的防鏽處理配方以延長鋼鐵染黑的使用壽命。Item 應用氣相層析儀/哨子技術探討酸性溶液對種子萌發及呼吸作用的影響(2017) 黃筱粧; Huang, Xiao-Zhuang本研究以氣相層析/聲波感測方式,長時間對綠豆種子發芽過程中的呼吸商 (每分鐘氧消耗量和二氧化碳產生量之比;Respiratory Quotient)進行即時偵 測。藉由計算呼吸作用反應的速率常數與溫度之間的關係式,依照 Arrhenius 方程式作圖,成功獲得不同溫度及不同 pH 之下的反應活化能。 氣相層析/聲波感測法是利用串接在氣相層析管柱尾端的微哨感測器,當種子 發芽過程產生的氧氣與二氧化碳,經氣相層析管柱分離後,會在哨子端產生不 同頻率的聲波。經快速傅立葉轉換後,可以得到頻率即時的層析圖譜。呼吸商則可以用來了解各種營養基底被利用的比例。呼吸商為 1 時, 能量主要由碳水化合物供給。本實驗先配製不同p值的溶液(pH 值:3~7),在暗室中進行不同溫度(溫 度:25~30 度)的綠豆呼吸作用反應,並同步長時間測量呼吸商的數值(每 5 分 鐘測量一次,連續 12 小時的即時線上記錄監測)。實驗結果發現,酸性越強的溶液中,種子的呼吸速率也隨之下降。在中性的環境下(pH, 7.0),萌芽前 的 5 個小時內,呼吸商的數值都非常接近 1。這表示此階段主要是以碳水化合物作為呼吸作用的養份來源。而隨後的 8 個小時內,呼吸商逐漸降至 0.6以下。這表示養份的利用將逐漸轉成為其他成分。此外,種子在酸性溶液中,碳水化合物的利用容易受到抑制。但是,如果將 II 溫度增加的話,葡萄糖被抑制使用的情況可以得到舒減。由上述的實驗結果,依照 Arrhenius 方程式作圖,可以得到不同條件下的反應活化能。在溶液的 pH 值為 3, 4, 5, 6, 7 的情況下,反應 活化能分別為17.5834,17.0047,16.2955,11.5170,11.2704 kJ mol-1。尤其當 pH=3 時,活化能為 17.5834,明顯大於其他 pH 值之下的活化能,清楚說明了強酸的情況下需要較大活化能才能維持種子萌發的生理機能。 利用本實驗裝置可以即時分析種子發芽時所需要的最佳 pH 環境及最佳溫度。本研究所開發的裝置,非常容易用來探知呼吸最緩慢的條件。日後可應用在蔬 果食品保存或魚鮮肉類輸送過程,所需節能省碳等的最佳條件。Item 電流式微小氬氣電漿-氣相層析偵測器(2016) 黃祐杰; Huang, You-Jie摘要 本實驗利用自行組裝的微型化介電質放電電漿應用於揮發性有機氣體分子的偵測,此微型化電漿偵測器是把不鏽鋼毛細管柱塞入玻璃管中密封後,並於玻璃管外纏繞電線製作而成。於電極兩端施加電壓9 kVp-p的高壓交流電後,可於常壓環境下形成穩定的電漿。本研究以氬氣作為載流氣體偵測訊號,當揮發性有機氣體通過電漿時,會和電漿中的氬離子發生反應,導致氬氣電漿的背景電壓值有明顯的變化。本研究進一步探討感測電極與電漿的距離、流速、電壓與反應訊號之間的關係,以找出在每一個不同變因下的最佳條件。當不同官能基的有機氣體分子,如烷類、醇類、酮類、酯類、芳香族;及鹵化物通過氬氣電漿時,皆有明顯的訊號變化。且訊號強度會隨著有機物碳鏈長度的增加而有逐漸增強的趨勢。本偵測器對iso-butanol的最低偵測下限為1.61 ng。此偵測器的優點為體積小、製作成本低,且有機氣體通過電漿時,訊號皆會有明顯的變化,因此可以應用於揮發性有機氣體的偵測。 關鍵字:介電質、常壓電漿、氣相層析