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 氣相層析儀結合微型發音哨對氣體分析的開發與研究(2014) 賀怡珊; Yi-San He本研究利用微型哨式發音器(milli-whistle)結合氣相層析儀(gas chromatography, GC)，並使用麥克風為偵測器，將毛細管柱之載流氣體與外加輔助的鞘流氣體混合後，偵測混合氣流以受迫性的高速通過哨式發音器時的單頻聲音。此時，聲音藉由麥克風接收並同步以 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程式進行快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)，獲得即時聲音頻率，並探究頻率變化與分子量大小等對頻率影響的公式計算和探討。在最佳化實驗條件下頻率訊號半高寬約為 1.6 Hz，並以層析時間與即時發音哨之頻率作圖，即得氣相層析譜圖。與實驗結果比對後，發現不僅能成功地驗證理論推導公式，更可以應用在各式氣體樣品之中。透過本研究開發之理論公式可推估氣體樣品含有的氣體組成成分及含量，搭配分析物的滯留時間與頻率訊號的檢量線驗算，將能更精確地進行樣品的定性和定量研究。本研究進行檢測健康人體志願者之呼氣中含二氧化碳/氧氣比例、固相微萃取法(solid-phase microextraction, SPME)檢驗丙酮蒸氣的含量，以及硼烷氨類釋氫量與金屬酵素(metalloenzyme)釋氫量的理論計算，都得到與實際值或理論值相近的計算結果。此外，哨式發音器的製作有許多方法，本研究也比較了各種不同的構型，發現對於哨式發音器的感度和發聲頻率有很大的影響。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 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 使用氣相層析/哨音檢測技術對酵母菌固化微管陣列薄膜發酵過程中乙醇之即時監測(2016) 吳明儒; Wu, Ming-Ju在生質酒精的發展上，篩選發酵效果良好的菌株，是其中一項重要的環節。透過發酵反應過程中葡萄糖含量、乙醇產量、細胞活性隨時間變化的曲線，能幫助我們了解菌株的表現。但為了得到這些數據，研究人員得固守在儀器與反應裝置旁，佔用機器與研究人員的時間。另外，由於將微生物細胞固定後，能提升其代謝活性，提高其代謝產物產量，並降低抑制物質對細胞的影響。 本研究利用同軸靜電紡絲的技術，製作出包覆酵母菌的微管陣列薄膜，並以在本研究中自組裝的電磁閥進樣裝置與自組裝氣相層析/哨音檢測裝置，以五分鐘作為間隔，對於酵母菌發酵反應過程中產生的二氧化碳、乙醇進行自動化的即時線上偵測，並評估酵母菌在此薄膜應用於酒精發酵的表現。本次研究中，對包覆釀酒酵母的微管陣列薄膜一共進行11次發酵反應循環。二氧化碳訊號隨時間變化曲線的部分，由於電磁閥進樣器，一次只將反應槽少量氣體注入到分析儀器中，直到發酵反應結束為止，二氧化碳不斷累積，而當發酵反應結束後，二氧化碳不在產生，隨每次進樣的動作，反應槽內的二氧化碳逐漸減少，導致二氧化碳的變化曲線，呈現類似於高斯分佈，此曲線的頂點即是發酵反應結束地時間點，第一次至十一次發酵反應的時間分別為1.65、1.07、1.04、0.88、0.62、0.71、0.69、0.67、0.66、0.48、0.57天，此時間點的二氧化碳造成的頻率變化分別為26.54、31.70、31.13、37.35、43.50、45.94、46.72、45.18、50.80、60.88、59.25 Hz，經檢量線換算後，進樣的二氧化碳體積分別為64.20、77.03、75.62、91.07、106.36、112.42、114.36、110.53、124.50、149.55、145.50 μL。乙醇訊號隨時間變化曲線的部分，由於在定溫、定壓下，乙醇飽和蒸氣壓與溶液中乙醇濃度相關，因此可以乙醇的飽和蒸汽壓結果推估乙醇溶液的濃度，但在發酵反應結束時，乙醇無法在此時就達到飽和蒸氣壓，因此，在曲線達平衡的時間點相較於二氧化碳得到的結果有延遲的現象，此處取實驗中最後時間點收取的數據判斷乙醇的濃度。第一次到第十一次達平衡後乙醇造成的頻率變化分別為0.92、0.97、1.07、1.00、0.93、0.95、0.93、1.15、1.16、1.27、1.22 Hz，經檢量線換算後，乙醇溶液的重量百分比濃度分別5.15、5.59、6.92、6.33、5.75、5.96、5.77、6.18、6.25、6.96、6.64%，而理論產量為8.27%。由此數據能證實，透過氣相層析/哨音檢測技術能成功地對酵母菌微管陣列薄膜發酵過程進行有效的即時線上偵測，同時，也說明酵母菌微管陣列薄膜是一項在生質酒精發酵上具有潛力的技術。 另一方面，本研究同時也進行可攜式氣相層析/哨音檢測裝置的開發。開發的裝置，長36 公分、寬29公分、高17公分，總重6公斤，以氮氣作為載流氣體下，對氫氣、氦氣、氧氣、氬氣、二氧化碳，都有良好的線性結果，線性範圍都有兩個數量級，也能在管柱烘箱溫度60℃下，分離並偵測混合樣品中，氧氣、丙酮、甲醇、乙醇的訊號，顯示在此成功地開發可攜式氣相層析/哨音檢測裝置。Item 氣相層析音哨檢測法之3D列印哨的發展與應用(2015) 吳侑倫; Wu, You-Lun本研究承接氣相層析／音哨檢驗法的開發與研究，首次以3D列印技術製造各式不同的發音哨，用來求得最佳發音模型，以便作為日後微型化高靈敏度氣體檢驗元件之用。當本元件作為氣相層析儀的氣體偵測器時，可藉由麥克風接收頻率變化，透過音效卡記錄。在固定流速的情況下，發音哨的頻率變化會和通過的氣體分子平均分子量平方根成反比的關係，並以此搭配分離技術，可藉由數學公式計算直接得到氣體的未知濃度。相對於傳統的氣體檢驗方式，本元件不需以發光、發熱、燃燒或其他的化學變化去得到電子訊號，而是以物理的方式，只需比較頻率的變化量，即可進行定量分析。因此非常適用於各種氣體的檢測。實驗步驟先以耐熱溫度200度以上的工程用ABS (acrylonitrile butadiene styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)來做為塑料，使用3DS Max繪圖軟體設計出發音哨的3D立體結構，探討不同的實驗參數對發音的頻率、發音範圍以及發音強度的影響，尋找出最為穩定的發音結構。Item 氣相層析／音哨檢氣法對發酵製程中產生氣體之即時偵測法的研究(2015) 葉冠甫; Ye, Guan-Fu本研究使用微型發音哨，作為氣相層析儀的偵測器，藉由麥克風接收不同氣體經過發音哨時頻率的變化，透過音效卡加以記錄。當氣相層析毛細管柱之載流氣體與待分析的氣體混合後，因壓力差快速通過微型發音哨而發出不同頻率的聲響。即時的頻率變化量可藉由LabVIEW(Laboratory Virtual Engineer Workbench)程式同步進行傅立葉轉換，以獲得即時單一頻率。將此頻率變化對時間作圖，可得一即時層析音頻圖譜。本實驗便是依憑此音頻變化層析圖譜來進行實驗數據的即時分析。 為了提高發酵製醇的效率，本研究首次將學名為Saccharomyces cerevisiae的酵母菌株，以靜電紡織技術，將酵母菌包覆在聚左旋乳酸 (poly-L-lactide；PLLA) 的微管陣列薄膜中。酵母菌於室溫下約20小時會從106/mL 生長至108/mL，並於36小時後，生長至穩定。薄膜對酵母菌的活性不會有影響。使用包菌纖維可以解決發酵之後，乙醇溶液中移菌的困難步驟。再者，包菌纖維還可以回收持續使用，降低製造乙醇的成本。 本實驗使用自組裝電磁閥注射裝置，將發酵液放入注射裝置的樣品槽內，並將已包覆酵母菌的纖維共同置入發酵液中進行發酵。利用程式控制電磁閥，將發酵過程所產生乙醇的揮發氣體及二氧化碳等，以5分鐘的間隔，自動注入到毛細管柱中進行分離與記錄。實驗結果顯示，使用本實驗裝置，可以即時檢測並追蹤發酵程度，實驗過程可長達４日且完全自動化。根據頻率的變化量，可以即時偵測當下發酵液中乙醇的揮發氣體的濃度，並以其蒸氣壓判定溶液中乙醇的濃度。以1克的葡萄糖為起始物，用~106株酵母菌進行發酵時，在溫度28度之下，24小時後可以產生約0.12克的乙醇，並釋放出約20 mL的二氧化碳。三天發酵之中，合計生產了約0.43克的乙醇，並釋放出約41 mL的二氧化碳。將此包菌纖維進行第二次實驗，亦得到相同的結果,顯示本方法具有良好的再現性。