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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    以斑馬魚側線毛細胞作為研究耳毒性物質之動物模式
    (2021) 顏秀如; Yen, Hsiu-Ju
    隨科技進步,奈米物質使用日益增加,其中奈米銀和奈米銅是其中最被廣泛使用的奈米材料,多應用於治療劑、抗菌劑、化妝品或工業之用。而曾被限用於局部治療之高腎毒性抗生素colistin,隨著革蘭氏陰性細菌之抗藥性出現,以及後線有效抗生素之短缺,全球使用量亦隨之上升。近年來,許多研究開始發現各種藥品、抗生素和個人護理產品存在於各式水域系統,被公認為屬於新興的環境污染物。隨著奈米顆粒廣泛使用以及colistin後線抗生素全球用量的不斷攀升,並以各種方式進入環境及水域系統。此類新興環境汙染物暴露之可能性,及其對生物或環境的毒性影響也是我們亟需思考的問題。然而目前並無適當的毒理研究證實此類新興環境汙染物對水生動物的負面影響,特別是耳毒性方面之研究。 由於魚類側線系統位於皮膚,會直接暴露外來物質,且其側線毛細胞於表面易於觀察,加上側線神經丘中之毛細胞的結構及功能與人類內耳的機械感官性毛細胞極為相似,故其側線系統之毛細胞應可作為測試潛在有毒物質之耳毒性的合理模式。在本研究中,我們使用斑馬魚胚胎之側線毛細胞,以研究早期暴露此類新興環境汙染物對斑馬魚胚胎本身及其側線毛細胞之影響。我們將斑馬魚胚胎自受孕後連續暴露96小時於不同濃度之特定環境污染物(包括抗生素colistin、奈米銀、奈米銅),觀察其存活率、胚胎孵化率、外觀及側線毛細胞的數量及功能影響。 抗生素colistin之暴露明顯降低了胚胎存活率,此降低與其濃度具明顯相關性;暴露於抗生素colistin 96小時後50%致死之濃度(LC50)值為3.0 μM或3.5 mg/L,但並未改變其孵化率和體長。同時,經由觀測FM1-43標記之毛細胞數量下降,及使用掃描式離子選擇電極技術偵測側線毛細胞處之鈣離子流減少,證實抗生素colistin於濃度≥ 0.1 μM時,已影響其側線毛細胞之功能。以此斑馬魚胚胎側線毛細胞模式,亦發現常見的奈米銀、奈米銅造成斑馬魚胚胎之存活率下降,此降低亦與暴露濃度具明顯相關性;暴露於奈米銀、奈米銅96小時之LC50分別為6.1 ppm(56.5 μM)和2.61 ppm(41.1 μM)。當奈米銀濃度≥ 1 ppm(9.3 μM)或奈米銅濃度≥ 0.01 ppm(0.16 μM),FM1-43標記的毛細胞數量會開始減少,並出現微觀結構改變;當奈米銀濃度≥ 0.1 ppm(0.9 μM)或奈米銅濃度≥ 0.01 ppm(0.16 μM),雖毛細胞數量無顯著下降,但掃描式離子選擇電極技術測得之毛細胞鈣離子流已經開始明顯下降。 此研究證明,藉助以掃描式電子顯微鏡觀測FM1-43標記之斑馬魚側線毛細胞數量,合併掃描式離子選擇電極技術測量之毛細胞功能,來作為研究耳毒性物質之斑馬魚模型之可行性。
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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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    二氧化鈦奈米粒子在有機氣體壓電晶體感測器之應用
    (2006) 江宜庭; Yi-Ting Jiang
    本文是發展並應用TiO2奈米粒子為塗佈物製成壓電晶體感測器去吸附各種有機氣體,當有機氣體吸附在塗佈物上,增加的質量將造成壓電晶體感測器的震盪頻率下降,藉由觀察共振頻率的改變量來達到偵測有機氣體的目的。本研究自行組裝氣體壓電晶體感測器,並使用旋轉塗佈法(spin coating)在晶片電極表面塗佈nano-TiO2/PEG來偵測乙醇、正丁醚、乙醛、丙酮、乙酸、苯、正丙胺、1-己烯、1-己炔等揮發性有機氣體。 在實驗中,首先鑑定nano-TiO2物理性質,包括UV/Vis.吸收光譜、XRD、SEM。接著探討各種揮發性有機氣體對nano-TiO2壓電感測器所造成頻率變化的影響,包括塗佈量效應、濃度效應、分子量大小、異構物的立障效應等。nano-TiO2/PEG的最佳塗佈量固定約為8μg,偵測訊號較好的是乙酸、1-己烯、乙醛、1-己炔,在脫附訊號方面,乙醛和1-己烯的脫附速率比其他有機物要來得慢,而nano-TiO2壓電感測器對有機氣體都具有不錯的偵測下限,可達ppm。對醇類而言,化合物的分子量愈大,感測訊號強度就愈大,分子量大小和訊號呈正比關係上升;立障大小也會影響訊號強弱,頻率變化量依次為1-propanol>2-propanol和1-butanol>sec-butanol> iso-butanol>tert-butanol。 本研究把nano-TiO2應用在石英壓電感測器上,對於常見的有機氣體有不錯的感測訊號,加上感測系統體積小、易自行組裝、成本低廉及靈敏度高的優點,可以廣泛應用在化學工廠和工業上對有機氣體之檢測。
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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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    Platinum-Decorated Ruthenium Nanoparticles for Enhanced Methanol Electrooxidation
    (Wiley-VCH Verlag, 2010-02-08) C.-H. Chen; L. S. Sarma; D. -Y. Wang; F.-J. Lai; C.-C. AI Andra; S.-H. Chang; D.-G. Liu; Chia-Chun Chen; J.-F. Lee; B.-J. Hwang
    A promising electrocatalyst based on the reduction of Pt2+ ions on the surface of hexagonally close-packed (hcp) Ru core nanoparticles has been prepared by a redox–transmetalation process. This simple synthetic process generates a Pt-on-Ru catalyst with a lower Pt content than commercially available Pt[BOND]Ru electrocatalysts and with a long-range ordered hcp structure, which can significantly reduce the Pt loading. X-Ray absorption spectroscopy of the Pt-on-Ru catalyst reveals pronounced electronic modifications when compared to the commercial Pt[BOND]Ru black catalyst. The Pt-on-Ru catalyst exhibits a higher mass-specific current than the Pt[BOND]Ru black catalyst in solution in 0.5 m H2SO4 with 10 vol. % CH3OH under the conditions of rotating disk experiments. Further optimization of this synthetic procedure may yield even more active electrocatalysts with a significant reduction in noble metal loadings.