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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    開發機器視覺結合紅綠藍三原色追跡技術在分析化學上的應用
    (2024) 江慧玉; Chiang, Hui-Yu
    本研究開發 UV/Vis的輔助方法,以數位相機取代傳統光學偵測器,配合LabVIEW內建機器視覺功能,依據紅綠藍三原色顏色變化的軌跡,作為檢測反應程度的依據。實驗中使用藍染溶液作為反應範例,即時監測顏色變化,並且對反應過程中物質的相對含量變化進行分析。為了還原靛藍,使用連二亞硫酸(Na2S2O4)進行化學還原,以及採用酵母粉(釀酒酵母)進行生物發酵過程。實驗結果顯示:靛藍溶液在化學還原法中可以透過 R 與 G 像素的曲線變化直接瞭解反應進程;G像素曲線開始增加表示產物靛白的形成,R曲線的急遽增加則顯示靛白量已超過靛藍,且反應逐漸達到平衡。在化學還原法中,由於Na2S2O4及其氧化產物皆為無色,因此溶液顏色直接由反應物靛藍與產物靛白的含量來決定。在生物發酵條件下觀察到較複雜的RGB追跡圖,從RGB曲線可觀察到反應初始的發酵活化期,且當R與G像素達到最大值時,表明在發酵作用下靛藍還原產生的靛白濃度最高,而後曲線變為平緩即反應已達到平衡。RGB-tracking檢測法也應用在追跡靛藍還原溶液具有染布效力的時間點。從RGB即時追跡圖譜及染布塊的HSV數值可確定染色的優化時間。兩種靛藍還原法的染液都是在G像素開始增加時即具有染布效力,且隨著反應時間,染布塊的飽和度逐漸增加。化學還原法的染液可提供更高的色調 (H) 與飽和度 (S),染色效能優於生物發酵法。本研究運用RGB色彩空間與CIE xyY色度圖解釋靛藍還原過程的顏色變化。追蹤的RGB曲線變化可反映出溶液組成成分的消長,CIE xyY色度圖則可更直觀表述溶液顏色的色相與飽和度的變化趨勢。由主成分分析統計可以發現:CIE xy色度數值對於靛藍反應的顏色變化較具指標性,且從各項主成分變異的特徵可對反應進行監控,或是進行實驗條件的優化與探討。這個RGB-tracking檢測法就像是微觀系統的放大鏡,例如常見的光敏電阻只能檢測光線的明亮度,而本研究開發的方法是以相機擷取溶液顏色,同步透過機器視覺程式,解讀即時的反應程度。靛藍還原反應不論是採用化學還原法,或是過程牽涉較多機制的生物發酵法,對於溶液顏色進行RGB三色的即時追跡,更能有效評估還原進行的程度,提高實驗的精確度。此方法具有即時且連續追跡的優點,且運用機器視覺編程具有彈性,可依需要進行客製化設計,未來將有可能取代UV/Vis光譜法,或做為UV/Vis光譜法的互補方式。
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    染料與顏料之拉曼光譜資料庫的建立與應用
    (2024) 王玲瑄; Wang, Ling-Hsuan
    本研究使用了兩種基於不同原理撰寫的光譜資料庫,分別為均方根誤差和交互相關係數原理,作為評估準確性和相關性的衡量指標。由於每次測量的訊號強度和位移間距都各不相同,因此通過對光譜進行正規化處理,成功解決了光譜不一致的問題,可以檢索和比對多種常見的有機染料和無機顏料。為了應對不同狀態的顏料樣品,使用了三種不同的前處理方式。這些樣品通常呈現不同的形式,例如包裝好的水彩顏料、上色後的畫作以及化學合成的染料等,因此針對這些樣品採用了相應的檢測方法。透過使用不同的前處理方法,結合表面增強拉曼散射技術可以對一些無法直接使用拉曼光譜儀測量到的樣品進行分析。除了驗證了這些方法的可行性之外,同時結合資料庫的使用,比較兩個資料庫的準確度,從而實現了更快速的鑑定結果,為顏料的鑑定提供了更多的選擇性。透過在實際樣品上的成功應用,證明了該資料庫在不同顏料和染料比對上的有效性,同時也展示了在表面增強拉曼技術方面的適用性。
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    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。
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    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。
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    以氣相層析圖及拉曼光譜圖之圖譜特徵在模式識別法下進行油品快篩的研究
    (2016) 陳瑩; Chen, Ying
    以質譜技術與拉曼光譜為基礎,使用 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) 電腦語言程式,以模式識別 (pattern recognition) 的方法,成功開發了識別相似度的程式,可用來研究油品安全及摻偽快速篩選的判讀。藉由計算標準樣品和參考樣品之間的交叉相關係數 (cross correlation factor , CCF) 來評估相似度的值。程式中定義兩組圖譜的相似度, A 圖譜為標準品, B 圖譜為對照圖,值會在 100% 到 0% 之間。當標準樣品的圖譜特徵和參考樣品相似時, CFF 的值會接近1。當計算相同的兩圖譜的 CFF 值時會得到1;相反的,當兩樣品的圖譜特徵完全不同時,會得到接近0的值。也就是說,當 (A⋂B)/(A⋃B)=1 時,相似度為 100% ;當 (A⋂B)/(A⋃B)=0 時,相似度為 0% 。 CFF 是由個人電腦和用 LabVIEW 所寫出來的程式所計算得到。並可將此程式應用到層析圖譜及拉曼光譜上。以 Florihana 野生高地真正薰衣草香精油的氣相層析圖為標準圖譜,比對市售6種香精油在同條件下的氣相層析圖,相似度在 30% 到 85% 之間。此外,以拉曼光譜測量各種市售橄欖油,使用相同程式進行相似度的評估。選擇日清純橄欖油作為標準品,和其餘4種市售橄欖油做比對。發現高價格樣品相似度較高,低價格相似度較低,但都在 80% 以上。而最貴的松露橄欖油則因為添加松露只得 60.56% 的相似度。自行開發的程式具有簡單操作、將相似度量化、快速比對圖形結果等優點,且已成功應用在層析圖譜及拉曼光譜的比對上。