全國中小學科展

二等獎

神農菌、嚐百草-利用基因轉殖的大腸桿菌偵測中草藥內的重金屬

中藥一直存有重金屬汙染的疑慮,而目前檢驗這些可疑重金屬的儀器與技術皆需耗費大量金錢與時間,因此研發出簡便快速的偵測工具極為迫切。本研究目的是利用基因轉殖的大腸桿菌,偵測出中草藥內的重金屬。 實驗結果顯示,利用含有銅離子基因轉殖的大腸桿菌,偵測7種常見的中藥材浸膏,除了黃岑之外,其他6種中藥材內可偵測到銅離子,並且具有定量的螢光表現。其中,研究發現由於黃岑本身會有吸附銅離子的現象,因此利用螯合劑EDTA來解決此問題。結果顯示,螯合劑不會影響大腸桿菌的正常代謝,但能成功地將銅離子搶出並誘導細菌產生螢光。最後利用螢光顯微鏡觀察,發現深色的中藥並不會影響大腸桿菌的螢光表現。 未來期望可將本研究初步成果,做更進一步的研究,除了能合成更多不同基因的大腸桿菌,以偵測不同種類的重金屬外,還製成便宜且方便使用的重金屬生物感測器產品,方便民眾檢驗手中的中草藥材,確保所使用的中草藥之安全性。

新種三尾扁蟲光行為與共生藻的互利共生

三尾扁蟲(Convolutriloba)至今尚無野生棲地的觀察記錄,本研究自水族缸裡採集的扁蟲經外型描述、無性生殖以及DNA親緣關係等比對結果,證明是台灣特有的新種。本研究首次於墾丁外海發現野生三尾扁蟲棲地,其多棲息於礁石洞口,與水族缸內散布情形大有不同,因此我們設計模擬棲地使其在黑暗與光照交替的環境下生存,確認扁蟲的自然分布乃是光避性(photophobia)與光聚性(photoaccumulation)彼此調節的結果。Shannon曾指出三尾扁蟲具有光避性與光聚性,卻未探討其原因。比較扁蟲以及其體內共生藻(Zoochlorellae)在不同色光下的生理現象,共生藻紅光下光反應效率高,而扁蟲在紅光下不具光避性;其他色光下共生藻光反應效率低,則扁蟲有明顯光避性。此項發現正說明了為何扁蟲會有光避性與光聚性行為,以及扁蟲野生棲息地位於礁石洞口的原因。

小花蔓澤蘭活性成分Dihydromilanolide誘導胃癌細胞凋亡與自噬性死亡

外來入侵種小花蔓澤蘭繁殖速度太快,使台灣本土生環境及多樣性受到破壞。我們研究發現,小花蔓澤蘭葉萃取物會誘導人類胃癌(AGS)細胞毒性;以HPLC分析及分離出小花蔓澤蘭葉萃取物的活性成分Dihydromilanolide (DHK),發現DHK會毒殺胞胃癌、卵巢癌、乳癌與血癌細胞,其中以胃癌(AGS)細胞毒殺性最強。此外,抗氧化劑N-acetylcysteine可減緩小花蔓澤蘭葉萃取物及DHK對胃癌細胞毒殺性,推測是透過活性氧化物(ROS)來毒殺胃癌細胞。我們亦發現,DHK可與抗癌藥物(Doxorubicin、Cisplatin或Paclitaxel)對胃癌細胞產生協同作用。DHK作用胃癌細胞會誘導Caspase-3增加、PARP蛋白裂解、促凋亡Bax增加及抑凋亡Bcl-2減少;產生酸性囊泡(AVOs)、促自噬LC3-II及Beclin-1蛋白增加,且加入自噬抑制劑 3-MA可保護DHK誘導胃癌細胞死亡。推論 DHK可誘發胃癌細胞凋亡(Apoptosis)及自噬性死亡(Autophagy)。總結,小花蔓澤蘭與活性成分Dihydromilanolide (DHK) 具抗胃癌功效且與抗癌藥物產生協同作用,可開發成抗癌的藥品或保健食品。

高效率藍光LED路燈的再改造及應用

行政院逐漸將全國的路燈更換成LED,又為了達到高亮度且省電的效果,多是採用100 lm/W以上的A級產品。這些高亮度的LED,在出廠的時候全部都被訂走做路燈,一般市面上買不到,零售的多是40 lm/W以下。但路燈只要有一小部分損害就要全部丟棄,有時只是變壓器壞掉而已。半導體的製程往往需要花費很高的成本,或是污染環境的代價,不該就這樣被丟棄。 本實驗嘗試著將路燈LED改造成植物生長燈。將路燈上的Y.A.G.螢光劑移除後,就是一個高效率的藍光LED。再塗佈LED專用的紅色螢光粉,使之發出植物生長需要的紅藍光,研究搭配不同的濃度或厚度,可發出不同比例的紅藍光。將所有實驗成品送至大學做積分球測量,發現自製植物生長燈電費與白熾燈相比可省下82%,與市售植物生長燈比較則省了37%。雖然LED專用的螢光粉很貴,但其實每顆所需的量極小。LED是回收來的,所以燈的成本很低,同時也省下可觀的電費。 五年前不太有人重視回收手機裡的貴金屬。隨著智慧型手機普及 現在卻可能是個大商機。同樣的,回收路燈再製成植物生長燈。隨著LED路燈全世界漸漸普及,回收再製高效率LED。未來會是個無限商機。我利用手工製作或許成果有限,但希望這個創意能被大家看見。

波濤洶湧的玻璃杯—玻璃杯共振之研究

一個裝有水的玻璃杯,用喇叭撥出大聲的聲音,便能觀察到共振的現象發生,玻璃杯將會不停的震動,甚至導致破裂。本研究將會藉由傅立葉轉換(Fourier transform)來分析玻璃杯的振動的本徵頻率,並進一步探討頻譜的峰值。另外我們也研究了不同水位的高低以及液體密度對於共振頻率的影響,並以能量守恆的觀點進一步推導出玻璃杯的震動方程式。最後我們也近一步討論higher harmonic,並且發現non-linear dispersion relation的現象,有別於我們對於f∝n的觀念。

液滴凝成奇異形狀的研究

乾冰上方放一銅片,在銅片上方滴一液滴後,液體由下向上凝固成冰,最後在頂端形成圓錐形、圓弧形或煙囪形等三種不同奇異形狀;這些奇異形狀的形成取決於液體的分子力以及液體分子和冰之間的附著力大小,亦即由接觸角所決定。利用微積分可推導出接觸角、頂角、以及冰液相對密度間的關係式。 水在凝固過程中,利用Hele Shaw Cell量得接觸角為90°,水滴頂端凝成頂角65°的圓錐形。乙醇水溶液和葡萄糖水溶液的接觸角均隨溶液的濃度的增加而遞減且均小於90°,液滴頂端都凝成圓錐形。氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂、氯化銨等四種不同濃度(0.75m~3m)的氯化物水溶液,高濃度的液滴頂端形成圓弧形,低濃度者形成煙囪形,濃度居中者形成圓錐形。2m的氯化銨水溶液液滴頂部先凝成煙囪,煙囪內再向上長出圓錐形。由推導出的關係式可解釋這些液滴凝成的奇異的現象。

以時頻分析方法量化自主神經活性

許多疾病與自主神經活性息息相關,例如睡眠呼吸中止症。現有的分析方法,例如頻率分析法,將心律變異訊號(HRV)訊號假定為平穩過程,使得我們只能得到這段訊號內的平均值,無法知道其即時資訊。本研究成功以短時距時頻分析轉換(Short-time Fourier transform)配合重新分佈方法(reassignment method)來分析自主神經系統的活性。藉由觀察隨時間變化的頻率,我們可以得知即時的交感神經與副交感神經活動。本研究可延伸應用於睡眠呼吸中止症的診斷。

奈米鑽石性能對於重金屬吸附之應用

奈米鑽石之多官能基、介面電位負值(PH=7時)…等性質使本組考慮其吸附重金屬離子之可行性。本研究目的在於利用奈米鑽石吸附重金屬離子及探討重複利用性。 將硝酸鉛、鋅、鎳、銅、鈷與鐵離子及錯離子水溶液配製奈米鑽石混合懸浮液。本實驗利用共扼焦顯微鏡了解奈米鑽石之生物共生與吸附特性。於重金屬吸附上運用LM324系統、及ICP-MS測量溶液濃度, 且用SEM觀察表面。 研究結果顯示,奈米鑽石具優越吸附離子能力,吸附前後奈米鑽石表面在巨觀與表面微觀上有顯著改變;且再利用性極佳,可利用硝酸置換出金屬離子。故奈米鑽石應可作為具再利用性之吸附材料。

洞穴十字路-揭開東帝汶約萬年前的氣候秘辛

以東帝汶Monkey cave的MC2石筍進行鑽孔,拋光,得到各段的石筍粉末後,以鈾釷定年法得知生成年代,並得出石筍δ18O數值。 東帝汶Monkey cave的MC2石筍有81個鑽孔點,δ18O值介於-4.237 ‰~-2.452 ‰之間,δ18O氧同位素的變動範圍約在1.8 ‰之間。 MC2石筍生長時期13542~10740年前,即更新世晚期。 東帝汶MC2石筍在早期δ18O較晚期數值較重,而到後期較接近10740年前則是δ18O有一直變輕的趨勢,由此可看出早期雨量較晚期為少,且雨量呈現增加的趨勢,代表溫度上升,上升氣流較強,雨量較多所致。 東帝汶MC2石筍和約萬年前中國南京葫蘆洞石筍的δ18O值比較,呈現相反的趨勢,與新仙女木事件發生時(12800~11500年前),大西洋北部大量融冰注入,而造成暖流無法北上,造成低緯度溫度較高,雨量較多的有關。

Design and Prototyping of a Low-Cost Ventilator for Rural Hospitals

This report includes the design and prototyping of a portable automatic bag-valve mask (BVM), or commonly known as the Ambu bag. This development is for use in emergency transport, resource-poor environments, and mass casualty cases like the COVID-19 pandemic. This device replaces the need for human operators whose job is to squeeze the BVMs for extended periods of time. The prototype is made from a stainless-steel skeleton, measuring 470 x 240 x 230 mm, with the addition of acrylic coverings. A repurposed motor from a car is used to drive the squeezing arm. The speed of the arm for inspiration and expiration along with the pausing time between each breath can be adjusted with this prototype. It also features an LCD screen to display the arm speed, along with real-time pressure graph displayed on both phones and computer monitors. For future versions, an app is to be developed to enable the control of the automatic bag-valve mask from phones and tablets, further creating ease for users and increasing portability. Additionally, important requirements will be added: alarm system for over pressurization, control for inspiration to expiration ratio, number of breaths per minute, control for tidal volume, pressure relief valve, and assist-control mode. The cost of this prototype is approximately $430. With this design of an automatic BVM, it allows for the production of a ventilator-like technology that will be able to perform main functions of basic ventilators at a fraction of the current cost.