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 金奈米雙錐體/奈米棒之自組裝用於螢光增強研究(2023) 吳立中; Wu, Li-Chung金奈米材料的尖端因表面電漿共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR),在尖端處擁有較強之電場增強的有去特性。對由於金奈米顆粒表面的保護基可導致其親疏水性的改變,本研究利用不同的硫醇作為保護基修飾金奈米材,一方面控制其表面之親疏水性,另一方面可控制其懸浮於極性與非極性溶液的界面間,將金奈米材料在玻璃基板等平面上進行自組裝排列。利用掃描式電子顯微鏡觀察排列的情況,可以發現金奈米雙錐體的端點指向中心,排列成一類似寄木細工的圖樣(Yosegi patterns)。此一自組裝方法,成功的使金奈米雙錐體的端點相互靠近,並預期在金奈米材料端點對端點的間隙處,會有更強的近場電場增強。本研究中,以近紅外光螢光分子(near-infrared fluorescent dyes)的螢光增強作為研究的重點,選用Streptavidin-IR800作為螢光染劑,藉由金奈米顆粒的自組裝(self-assembly)技術排列出有序的金屬奈米薄膜圖樣,使其電場增強的性質能更加突出,相較於單純的有玻璃基板能夠有效的提升螢光的訊號強度1477倍。此一技術將使金奈米材料未來在光學及奈米生醫檢測方面有更多的應用與發展機會。Item 空間控制的三金屬奈米捕光器合成用於電漿增強的產氫反應(2020) 林祐霆; Lin, You-Ting氫是宇宙中含量最多的元素,同時也是能量密度最高且乾淨的能源,因此光催化產氫反應(HER)成為近年來熱門的研究議題,貴金屬奈米材料通常具有優異的催化活性,但高昂的成本限制了其發展,因此低成本、高活性的催化材料開發勢在必行。本實驗利用晶種成長法,以兩種不同的界面活性劑,溴化十六烷基三甲銨(CTAB)與檸檬酸鈉(Na3CA)合成晶種,控制生長條件合成出尺寸相近的金奈米棒(AuNRs)與金奈米雙三角錐(AuNBPs),再將金奈米棒與金奈米雙三角錐分散於氯化十六烷基三甲銨(CTAC)的環境下,加入硝酸銀(AgNO3)及弱還原劑抗壞血酸(AA),將銀離子還原在金奈米粒子表面,形成金/銀-核/殼結構,利用賈凡尼置換反應,將鉑與銀進行置換還原至金/銀-核/殼結構表面,合成出三金屬奈米補光器。以TEM圖型研究此奈米結構的變化與差異,吸收光譜的調控可以從可見光到近紅外光的範圍。透過能量色散X射線譜元素面分析確認元素分布情形,以及使用感應偶合電漿質譜儀(ICP-MS)進行元素定量分析。將這三金屬奈米補光器(0.0192毫克的鉑負載量)應用於光催化產氫反應,照光後過電位降低約0.045 V。證明我們的三金屬奈米補光器有優異的光催化活性。Item 以金奈米棒之光熱效應破壞癌細胞之活體 研究(2012) 劉耀文; Bruce Yao-Wen Liu因為金奈米棒可吸收近紅外光以及表面電漿共振之特性,讓金奈米棒具有很棒的光熱轉換效率,此高效率產生之熱量可以有效的殺死癌細胞。藉由一步合成法,可以有效率的合成出吸收峰值落於 800 nm 的金奈米棒,藉由紫外光-可見光光譜儀、穿透式電子顯微鏡、Zeta Potential以及ICP-MS測量儀之檢測,可以清楚了解金奈米棒的特性以及江奈米棒定量。在細胞以及活體實驗上均可觀察到利用金奈米棒所進行之光熱作用在治療上的效果;在細胞實驗上,藉由染劑的觀察,可以有效判斷出癌細胞的存活狀態,實驗結果大致可得到以下結論,金奈米棒被細胞吞噬之數量以及雷射之能量為影響細胞存活的最大變因;在活體實驗中,由於選用老鼠耳朵當做實驗對象,因此癌細胞增長所導致的血管新生現象也可以很容易就被觀察到,活體實驗大致流程為下:將癌細胞植入老鼠左右耳上,約到第十天左右,腫瘤體積約為30 mm3 ,此時將 ~10 μg金奈米棒注射於腫瘤處,最後進行雷射之光熱治療。從組織切片之結果以及腫瘤體積量測之生長曲線結果判斷,可以觀測到金奈米棒受雷射激發後所產生之光熱效應,可以嚴重的破壞癌細胞的增長甚至是將腫瘤的大部分患部移除。這些結果可以看出光熱治療此機制在未來臨床應用上具有很大的潛力。Item 合成奈米材料及其在生醫上之應用(2011) 郭聰榮近年來,奈米材料應用在生物醫學中的影像分析、藥物傳送和治療是持續被發展的課題。在本研究中,我們結合了二氧化鋅奈米粒子的二倍頻訊號和皮膚角質細胞的螢光訊號來觀察二氧化鋅奈米粒子在化學促進劑如:油酸、乙醇和油酸-乙醇的影響下,在皮膚的穿透行為。除了分析本質上的影像結構,二氧化鋅穿透的特性也同樣的被定量分析,而得到載體對皮膚的分佈係數、二倍頻訊號的強度梯度和有效碰撞路徑長度。這些結果顯示油酸、乙醇和油酸-乙醇能夠有效的增加二氧化鋅奈米粒子在皮膚的穿透深度,是因為增加了皮膚皮酯的流動性或是改變了皮膚角質層的皮酯排列緊密性。 更進一步的,不需要額外的染色步驟,當眼角膜上表皮保護層受到損害後,利用雙光子顯微術也可以觀察到螢光奈米粒子穿透眼角膜和滯留在眼角膜細胞間。在細胞毒性實驗中,我們使用牛眼角膜基質細胞和奈米粒子做細胞培養,可以發現細胞的存活率會隨著奈米粒子的濃度增加和培養時間的增長而有明顯的減少。並且,在老鼠動物實驗中,雙光子顯微術影像顯示出奈米粒子可以滯留在眼角膜中達到26天以上。根據在細胞跟動物實驗所得到的實驗結果,我們推測,當眼角膜的上表皮保護層受到損壞後,奈米粒子可以穿透並長時間滯留在眼角膜中,而對細胞造成毒性。 奈米材料應用在藥物傳遞方面,我們也合成金奈米棒的藥物複合體。金奈棒藥物複合體是將金奈米棒、目標藥物和螢光分子,用電解質聚合物包覆起來。合成好的金奈米棒藥物複合體,在飛秒紅外光雷射照射下,我們也詳細的研究了被釋放螢光分子的藥物動力學。螢光分子會因為吸收了由金奈米棒將紅外光雷射轉換而來的熱,而從金奈米棒的藥物複合體中釋放出去。釋放出去的螢光分子則在紅外光雷射連續性照射和周期性照射兩種不同模式下測量。在照射紅外光雷射時間為五分鐘時,螢光分子的釋放速率在雷射連續性照射和周期性照射下,分別呈現零級和一級的動力學機制。更進一步,我們也設計了金奈米棒藥物複合載體,用電解質聚合物包埋了金奈米棒和抗癌藥物太平洋紫杉醇而形成藥物載體。抗癌藥物太平洋紫杉醇可以用雷射誘導而從金奈米棒複合體中釋放出去。而釋出的抗癌藥物太平洋紫杉醇對乳癌細胞的細胞抑制率則和紅外光雷射的照射方式及照射時間有關。Item 具可調控空腔尺寸和表面電漿激發波長的搖鈴形金屬電漿子材料的合成(2019) 劉祐丞; Liu, You-Cheng搖鈴形奈米材料是金屬核-殼顆粒,其核和殼之間由導電的金銀合金相連。由於它們在空腔內具有非常高的電場增強,因此這些奈米粒子被認為是一類有前途的奈米粒子。以往的困境為實驗再現性和當中心金屬芯移動時造成軸對稱性的損失,進而導致奈米空腔尺寸和電場增強位置無法定義。我們的合成方法使中心金奈米棒牢固地固定在長方體框架中,形成軸對稱的奈米結構。我們經由穿透式電子顯微鏡(TEM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、場發射掃描穿透式球差修正電子顯微鏡的元素分析(STEM& EDS)和多功能原子力顯微鏡(AFM)定義搖鈴形奈米材料的結構。本文研究了具有不完全的金屬置換反應的穩定中間產物的消光光譜演化。透過添加不同量的Au3+離子,製備一系列從金/銀-核/殼奈米長方體到金奈米棒-金銀合金框架的搖鈴形奈米結構。可以觀察到樣品的懸浮液有明顯的顏色變化。縱向表面電漿共振波長涵蓋的位置從660到1000 nm。我們透過電磁模擬研究了光譜的變化,發現尺寸增大和空腔的形成對於光譜變化有著重要作用。Item 利用不同形狀金/銀奈米顆粒製備Langmuir-Blodgett薄膜及螢光增強測試(2019) 陳逸修; Chen, Yi-Hsiu金屬螢光增強(Metal-Enhanced Fluorescence,MEF)應用於生物傳感器已經有了許多深入的研究,其設計了各種金屬奈米結構來改變近場的電磁場強度,以用來增強鄰近分子的螢光強度。金屬奈米結構,例如金和銀等材料對螢光有著強烈的影響,像是金屬奈米材料可以與近端螢光團相互作用可以增加其量子產率、降低螢光生命週期、增加光穩定性和增加螢光共振能量轉移的距離等等,通常兩者距離約在10nm時有最佳螢光增強效果。在本實驗中透過製備金奈米棒、金/銀-核/殼奈米長方體結構及金-金銀合金奈米搖鈴型結構,且以Langmuir-Blodgett (LB)將金屬奈米材料沉積在金島狀及羧酸化玻璃片的兩種基板上。用四種不同的壓力控制奈米材料在基板上的密度,分別為5mN/m、8mN/m、14mN/m、17mN/m。使用Cy5、IR800這兩種螢光染劑觀察金屬螢光增強現象。發現了5mN/m-金/銀-核/殼結構-羧酸化玻璃-IR800有著最高的螢光倍率,其螢光增強倍率可達177倍。期望在未來能應用於生化檢測。Item 氧化還原置換合成三元金屬奈米材料與光催化的應用(2019) 溫洧正; Wen, Wei-Cheng以金奈米雙三角錐(Gold Nanobipyramids, AuNBPs)與金奈米棒(Gold Nanorod, AuNRs)兩種材料在Hexadecyltrimethylammonium chloride(CTAC)環境中將銀離子還原在表面,以至表面生長銀後形成棒狀及塊狀的金/銀-核/殼的結構,接著以銀做為媒介,利用氧化還原電位的差異,將金、鈀、鉑進行對銀的賈法尼置換(Galvanic replacement reaction),並研究各材料與各金屬之間置換後在構型上的差異及光譜上的變化。由於實驗所使用的三價金與四價鉑皆為高價數金屬,導致大量的銀被置換後只能換上少量的金及鉑,進而使其外部構型不甚堅固,因此實驗中我們利用Sodium oleate(NaOL) 先將三價的金先行還原成一價的金,再與二價的鉑一同進行不同價數的相同金屬對同一材料進行置換,讓等量的銀可以置換上較多的金及鉑,使其結構達到更加穩固之目的。最後嘗試將此種材料應用在光電催化實驗上,如產氫反應及二氧化碳還原反應。Item 製備高產率金奈米雙三角錐及其選擇性二氧化矽包覆之研究(2018) 歐威志; Ou, Wei-Zhi金奈米雙三角錐(Gold Nanobipyramids, AuNBPs)具有比金奈米棒(Gold Nanorods, AuNRs)更佳的光學性質,其兩端的尖點擁有比金奈米棒的兩端點更強的電場,因此有利於應用在光學及奈米醫學方面上。本實驗成功合成出不同波長的金奈米雙三角錐,但由於利用晶核成長法(seed-mediated growth method)所合成出的奈米粒子,其中金奈米雙三角錐的產率不到50%,因此利用benzyldimethylhexadecylammonium chloride (BDAC)進行純化的步驟,使金奈米雙三角錐的產率提高至90%以上,不僅如此,還另外測試出另一純化方法:將未純化的金奈米雙三角錐的溶液過度生長,使金奈米雙三角錐變成有銀包覆在外的銀棒,金奈米顆粒變成有銀包覆的銀顆粒,再利用顆粒大小不同使其分離,最後再利用氨水及雙氧水蝕刻掉銀的部分,兩種方法都能得到高產率的金奈米雙三角錐。接著,將金奈米雙三角錐以及另外合成出的金奈米棒在兩端分別修飾上8-arm PEG-LA,再包覆二氧化矽在其邊上,形成像大亨堡的形狀,以及在金奈米雙三角錐和金奈米棒四周包覆上二氧化矽。由於侷域化表面電漿共振的現象,金奈米棒及金奈米雙三角錐的端點可以提供較強的電場環境,這些電場被高度增強的熱點(Hot Spot)處如果修飾上螢光分子,可以放出較強的螢光,抑或是曝露於相對應波長的雷射探討其光熱轉換效率。由於二氧化矽選擇性包覆在金奈米顆粒上,可以使得未來在修飾上螢光分子上能集中在端點,又金奈米雙三角錐的尖端電場比金奈米棒的端點電場還強,可以被預期金奈米雙三角錐的螢光增強倍率會大於金奈米棒。Item 雙界面活性劑系統之金奈米棒的合成與金奈米棒之表面修飾以及再生長銀(2018) 林士堯; Lin, Shih-Yao使用雙界面活性劑系統合成出不同大小以及長寬比的金奈米棒,探討每個條件對於尺寸的影響,尺寸對於金奈米棒的表面電漿共振現象有何種影響及表面修飾過後的奈米金棒在光譜及電子顯微鏡下會如何改變,並對其表面做官能基修飾或者在表面上沉積銀原子形成金-銀雙金屬結構。由於金奈米棒的各向異性導致其具有不均勻的電磁場強度分佈,金奈米棒的兩端對於訊號(如螢光、拉曼散射光)有明顯增強的效果,因此在兩端接上具有螢光放光的金奈米團簇預期會使螢光強度增強。實驗中,表面的官能基修飾選擇使用含有硫醇基的聚合物,方便之後修飾在金奈米棒的表面,聚合反應則是以N-羧酸酐聚合法,合成出直鏈聚合物。聚合物之末端帶有氨基,能透過EDC/NHS與帶有羧酸的分子進行交聯反應,使其固定在聚合物的末端,達到固定在金奈米棒表面的目的。表面修飾後的金奈米棒可選擇性的在兩端接上物質,探討兩端強電磁場對於物質的螢光訊號影響。此外,在金奈米棒上沉積銀原子形成金-銀雙金屬結構(Au/Ag-Core/Shell) (Au@Ag nanocuboids),探討其在光譜上的變化,之後透過Galvanic Replacement reaction使用CTAC-Au(III)溶液將銀殼表面部分置換成金殼,形成具有空腔之金棒-金殼結構(gold nanorattles),這樣的結構在空腔內也具有很強的電磁場分佈,期望能在空腔的部分載入螢光物質,預測會有更高的訊號增強。Item 選擇性二氧化矽包覆金奈米棒之製備與螢光增強效應研究(2017) 林孟儒; Lin, Meng-Ju本研究利用不同長寬比3.5以及4.6之金奈米棒(其吸收波長分別是750nm和890nm),包覆一層二氧化矽於側邊上,並露出兩端點,形成一種類似“熱狗”的構型,探討其應用於螢光增強之效應。由於侷域化表面電漿共振的現象,金奈米棒可以增強螢光分子的螢光放光強度,尤其是金奈米棒的端點,可以提供較高的電場環境,因此端點上的螢光分子能有較高的螢光增強倍率。 在不同長寬比之金奈米棒的螢光增強測試中,以較長之金奈米棒的螢光增強倍率最佳。相較於長寬比為3.5的金奈米棒的螢光增強倍率(最高倍率為2.81倍),長寬比4.6的金奈米棒可以有效增強螢光訊號至6.81倍。長度較長之金奈米棒之所以能有較高的增強倍率,是因為較長的金奈米棒端點能提供更強的電場環境,使得螢光分子與金奈米棒產生較強的電磁耦合現象,得到強度較強的螢光放光。然而利用二氧化矽選擇性包覆在金奈米棒上的特性,使得螢光分子能集中在金奈米棒的端點上,得到最大的螢光增強效果。