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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    還原氧化石墨烯奈米複合材料之製備與化學偵測
    (2021) 蔡孟憲; Tsai, Meng-Shian
    為因應目前感測器低成本、微小化、便於攜帶、穿戴式以及可即時監控的發展趨勢,本研究開發一系列簡易且低成本之方式合成還原氧化石墨烯 (reduced graphene oxide, RGO) 為主體的奈米複合材料,在氧化石墨烯結合有機或無機材料並與觸媒奈米粒子綴合的反應過程中,同時將其進行還原,以一步化合成多元還原氧化石墨烯奈米複合材料,並探討這些複合材料於感測方面之相關應用。 依所合成之石墨烯複合材料以及分析物的不同,研究之內容可分為三大部份,第一為應用石墨烯所具有的電催化特性以及表面高活性位點,製備為可同時檢測苯二酚同分異構物之電化學感測器,第二及第三部分則是透過石墨烯本身的高機械強度以及高導電性,發展為可撓性濕度感測元件以及高靈敏性的NH3感測元件。 第一部分的實驗設計是利用多元醇法 (polyol synthesis) 結合有機金屬裂解法 (Metal Organic Decomposition, MOD),以簡易且低成本的方式一步化合成金奈米粒子/還原型氧化石墨烯/三氧化鎢 (AuNPs/RGO/WO3) 三元奈米複合材料,並將此材料製備為AuNPs/RGO/WO/GCE電化學感測元件,提供了能有效區別並快速檢測hydroquinone (HQ) 以及catechol (CC) 混合樣品之感測平台。材料中RGO與AuNPs的高導電性與電催化活性,能顯著提升以Cyclic Voltammetry (CV)和Differential Pulse Voltammetry (DPV) 檢測HQ以及CC之靈敏度與選擇性,且提供新的電子傳導途徑,有效地改變材料中電子之傳遞能力,進一步增進元件的感測特性,而在真實環境下檢測HQ和CC,此元件依然具備良好的定性與定量之能力,其RSD分別為85%~111%和89%~119%,證實開發此感測材料對於HQ以及CC之實際檢測具有一定的應用價值。 而實驗第二部分為利用高分子單體化學氧化聚合為導電高分子而同時進行還原作用的方式,設計出Pt/polythiophene/RGO阻抗式濕度感測元件,此感測元件以RGO和polythiophene所具有高比表面積、高導電性以及Pt粒子所提供的電子傳導路徑等性質,將有效提高對於濕度之感測特性,此外藉由RGO具有高機械強度以及高可撓之特性,所製備之感測元件可撓性極佳,對於發展為穿戴式感測材料有極大之潛力。 第三部分為以簡易且一步化之方式合成Au/polythiophene/RGO、Ag/polythiophene/RGO、Pd/polythiophene/RGO以及Pt/polythiophene/RGO奈米複合材料並應用於NH3氣體之檢測,探討不同金屬觸媒前驅物對於材料整體合成之影響,並分析這些奈米複合材料對NH3感測之差異性,由特性分析結果可知, Au/polythiophene/RGO及Ag/polythiophene/RGO奈米複合材料,觸媒還原比率以及polythiophene聚合程度皆較高,因此具有較低的電阻值,而因觸媒的催化能力以及π-πstacking電荷載子快速傳遞的效應,Au/polythiophene/RGO以及Ag/polythiophene/RGO感測元件對NH3氣體也具有較為優異的感測特性,對NH3氣體有極快的反應速度並可適用低濃度 (200 ppb) 之檢測,如若有類似第二部分元件之可撓性,於氣體之檢測應用上便具有極大的發展潛力。
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    奈米材料的製備及在燃料電池與太陽能電池上的應用
    (2010) 王迪彥; Wang Di-Yan
    本研究主要針對於在尋找新奇的奈米材料並且在燃料電池及太陽能電池上有實質的應用性,例如我們發現在利用控制反應溫度、陽離子與奈米粒子濃度而發生離子交換反應,成功發展出利用離子交換機制之新奇的方法來合成含有Ru與Pt多重合金之奈米粒子,進而由X光吸收光譜來確定其奈米粒子中所進行氧化還原陽離子交換反應之機制。另外我們進而測試此FexPtRu1-x奈米粒子在甲醇催化上的反應特性,其主要是用於測試CO剝除與甲醇催化的效果。利用XAS中的EXAFS數據分析結構及表面組成,並觀察其以旋轉電極測試之CO剝除、甲醇催化與氧氣還原反應的影響。另外在陰極氧氣還原方面,我們成功合成出dendrited-like之FePt奈米粒子,並展現對氧氣有很好的催化活性,並利用理論計算在不同表面,如(111),(200)和(311)平面之surface energy以及其對O2之吸附能的結果來討論其奈米粒子對氧氣還原的催化效果。 另外在太陽能電池的研究方面,我們成功合成出低能隙的二硫化鐵之奈米粒子以提升元件對太陽光譜的吸收能力,本研究利用低能隙的硫化鐵奈米粒子與高分子混掺製備光伏元件,實驗結果顯示添加硫化鐵確實可使元件吸收近紅外光的能量,然而對於最佳化製程和元件效能仍需要未來進一步的探討。最後也展示出以二硫化鐵作為近紅外光偵測器的主動層,並以氧化锌 (ZnO) 作為元件 blocking layer之研究。
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    聚合物修飾奈米金殼之表面電漿共振氣體感測陣列的最佳化研究
    (2012) 周育瑋; Yu-Wei Chou
    本研究研發出一組局部表面電漿共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)感測器陣列,藉由在奈米金殼粒子表面修飾具有不同官能基的聚合物來增強對於有機揮發性氣體(volatile organic compounds, VOCs)的化學選擇性。從即時光譜觀測LSPR變化的結果,可以得知經過表面修飾後的感測器對八種有機氣體均具有選擇性,此外仍能保有快速反應的特性,對不同氣體濃度進行偵測時也能獲得良好的線性關係。 為找出具有最佳氣體鑑別度的感測器陣列組合,本研究使用五種計算方法進行判斷,分別為:最大距離法、變異數法、最大面積法、F檢定(F-test)、Wilcoxon-Wilcox檢定(Wilcoxon-Wilcox test)。其中,由變異數法指出使用DB-1、PIB、PECH三種感測器的組合鑑別度較佳,而最大距離法與最大面積法則是以PEG、PIB、PECH的感測器組合鑑別度較佳;F檢定得出具有較佳鑑別度的組合分別為{PEG, PIB}、{PEG, PECH}、{PMMA, PECH}這三種,至於Wilcoxon-Wilcox檢定則為PEG、PIB與PEG、PECH這二種組合。經由上述判斷的過程,有助於從大量的感測數據中快速篩選出具有最佳鑑別度的感測器組合。
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    以奈米粒子接合聚左旋離氨酸分子刷作為表面增強拉曼散射之模板
    (2007) 鄧子申
    摘要 金和銀奈米粒子皆具有增強拉曼散射的特性。而聚左旋離氨酸是支鏈帶正電,由天然離氨酸聚合而成的水溶性聚肽分子,表面嫁接聚左旋離氨酸其支鏈帶正電的氨基,容易因庫倫靜電力使得帶負電的奈米粒子吸附於聚左旋離氨酸的氨基上,形成一奈米複合薄膜。此薄膜材料可作為表面增強拉曼散射的的基底,我們使用羅單寧6G分子來探討薄膜對於表面增強拉曼散射的影響。
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    微生物細胞表面顯示系統及 合成多樣化金屬奈米粒子的開發與應用
    (2014) 蔡宜蓉; Tsai, Yi-Jung
    微生物細胞表面顯示(Microbial cell-surface display),即利用暴露在細 胞表面的蛋白質作為載體蛋白(carrier protein) , 將乘客蛋白或胜肽 (passenger protein/peptide)顯示在細胞表面的技術。因此,載體蛋白能夠有效並成功地將乘客蛋白顯示於細胞表面是極為重要的。本實驗藉由來自 Escherichia coli 的outer membrane iron transporter protein (FhuA) 作為載體蛋白,發展一個可以使用於不同菌種及顯示不同的異源性乘客蛋白/胜肽的細胞表面顯示平台,同時比較來自E. coli,截短的outer membrane protein(OmpA),以及來自Neisseria gonorrhoeae 的 immunoglobulin A protease(IgA protease)作為載體蛋白,將乘客胜肽顯示於一革蘭氏陰性菌,Ralstonia eutrpha 之表面。透過實驗分析,三種載體蛋白無論於E. coli或R. eutropha中,皆成功易位於細胞外膜,並將不同的乘客胜肽顯示於細胞表面,而乘客胜肽之功能依舊,表示此使用E. coli,FhuA 作為載體蛋白之策略適合顯示異源性胜肽在細胞表面的生物工程應用。 在自然界中,許多微生物本身就具有在細胞內或細胞外合成金屬奈米粒子的特性。由於生物性的合成方法具有無毒並對環境友好性的特質。因此,利用微生物作為合成金屬奈米粒子反應器已廣泛的被研究,除了使用本身具有合成金屬奈米粒子特性的微生物外,也有許多利用重組菌株的方式以合成更多樣化的金屬奈米粒子。Rhizobium etli,是一種固氮菌,其所含的melA 基因序列被證實為tyrosinase 的基因序列,且被使用於重組E.coli 並藉由外加的L-DOPA 產生黑色素。本實驗藉由帶有melA 基因片段的重組E. coli,表現tyrosinase 並催化L-DOPA,產生出黑色素並合成多種的金屬奈米粒子。
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    奈米銀化CD-R基板在表面增強拉曼散射(SERS)上之研究與應用
    (2016) 駱亮安; Luo, Liang-An
    一般拉曼光譜儀搭配顯微鏡會使用載玻片作為樣品基板,然而樣品乾燥在基板上時,樣品會出現咖啡環效應,使得樣品分佈不均勻,尤其在偵測低濃度樣品時,會讓實驗更為困難,因此本研究試圖使用CD-R作為基板,並搭配奈米粒子作表面增強拉曼散射(SERS),解決樣品分佈不均及難以測得低濃度的問題。 本研究使用具有疏水性表面的CD-R作為表面增強拉曼光譜的基板。去除紀錄層和保護層以後,以SEM (scanning electron microscope)發現CD-R的表面具有微陣列結構,每一個陣列縫隙約為341 nm。滴約直徑2 mm大小的液珠在CD-R和載玻片上,以接觸角儀測出CD-R接觸角為84°,載玻片的接觸角為20°,此顯示出CD-R提供較高的疏水性表面,為使用CD-R基板可以減少咖啡環效應的原因。 預混合NH2OH · HCl (1.67 × 10-3 M/90 mL) 和NaOH (0.519 M/0.577 mL),在2000 rpm的轉速攪拌下,加入0.01 M AgNO3 10 mL,持續攪拌4.5分鐘後完成土黃色的奈米銀膠體溶液。 在CD-R滴奈米銀膠體溶液自然乾燥後,奈米銀粒子可以推積在微陣列縫隙中,奈米銀膠體溶液的UV-Vis的吸收在406 nm,奈米銀粒子大小約20 nm,這種奈米銀粒子大小在雷射照射下,可以感應出表面電漿共振。為了評估奈米銀CD-R基板的表現性,對-胺基苯硫酚 (4-ATP)和孔雀石綠(MG)選作測試樣品,p-ATP上的硫原子易和奈米銀粒子鍵結,此共價鍵會讓C-S的能量下降,造成1089 cm-1 (拉曼訊號) 偏移至1077 cm-1 (SERS訊號),估算出的增強因子為3×〖10〗^6。
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    開發新的蛋白質分泌攜帶者以合成金屬奈米粒子
    (2015) 歐陽淳宇; Ou-Yang, Chun-Yu
    利用微生物表現異源蛋白質往往遭遇到純化上的困難,意即:費時的細胞裂解及伴隨可能的內源毒素、蛋白質裂解酶的汙染。為了解決這個問題,蛋白質分泌是目前仍在研究的課題。利用重組蛋白,在目標基因的上游置入「蛋白質分泌攜帶者」,伴隨其本身能被攜帶至膜間質或細胞體外的特性,成功將目標蛋白質於細胞外表現,即可免於上述缺點。至今,仍沒有準則來提升分泌的效率。本研究旨於開發新的分泌攜帶者並利用此技術來合成多樣的金屬奈米粒子以彰顯其應用性。除了常用的高滲透壓誘發蛋白 (OsmY),我們也透過資料庫在耐金屬貪銅菌 (Cupriavidus metallidurans) 上發現另外兩個相似的蛋白質。其中,Rmet_3428是有活性的。經由紅色螢光蛋白的分泌以及西方墨點法,我們確認了目標蛋白質可以被表現在培養液當中。接著,我們利用被分泌的金屬硫蛋白 (Metallothioneins) 及重金屬運輸蛋白 (CupC) 在細胞體外合成金屬奈米粒子。透過不同的光譜及顯微術,材料鑑定則強化了合成的證據。為了和化學合成 (檸檬酸還原法) 的金奈米粒子比較,我們進行之前報導過的酵素免疫分析法。由於奈米材料的高表面積/體積比,每顆金奈米粒子可容納許多抗體。相較於傳統的方法,訊號可大幅提升。我們在g/mL的數量級觀察到奈米粒子對訊號的增強,甚至在0.16至4.33 g/mL的範圍呈現線性相關。本研究跨足材料合成及生醫分析,為蛋白質分泌領域開創一個新的可能。
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    胜肽包覆奈米粒子之合成及螢光免疫分析上之應用
    (2003) 許志榮
    我們利用能與硫化鋅晶體產生結合能力的生肽分子,來置換硒化鎘/硫化鋅奈米粒子表面的有機分子,而合成出具有高光學穩定性、水溶性的奈米粒子。不同尺寸的奈米粒子經由此官能基轉換之後仍保有其原本的吸收、螢光光學性質,且奈米粒子的粒徑大小並無明顯的增減,而粒子與粒子間的分散性亦相當良好,顯示出這樣的水溶性奈米粒子,非常適合於生物系統上的應用。最後我們將晶體表面上的生肽分子,利用生物連接試劑與抗體作進一步的結合,並將此標定有半導體奈米粒子的抗體進行螢光免疫檢測,實驗結果證實了該半導體奈米粒子對抗體活性並無明顯的影響,因此這樣的奈米粒子-抗體連結方式,可被期望作為一種生物檢測、標定的有效工具之一。
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    半導體螢光奈米粒子在生物上的應用
    (桃園縣中壢市 : 中華民國光電學會, 2003-09-01) 楊正義; 吳仁家; 陳家俊; 胡焯淳
    廿一世紀新科技主流涵蓋生物基因、網路技術及微小化,其中微小化一「奈米技術」(nanotechnology)已成為科技及工業界新寵,備受各界關注。本文將概要地介紹螢光半導體奈米材料與生物技術的結合,並分別介紹應用上的實例。最後將簡單地敘述奈米粒子未來在生物科技上的發展趨勢及潛力。