全國中小學科展

2017年

葉酸缺乏及葉酸補充調控乳癌細胞轉化成癌幹細胞並促進體外腫瘤形成

研究指出葉酸營養狀態與乳癌的風險有相互關聯且癌幹細胞是扮演癌症轉移的主要角色。葉酸缺乏和葉酸補充皆能促進癌細胞的轉移。本研究探討葉酸營養不良和葉酸補充是否會促進乳腺癌細胞轉變成癌幹細胞,將乳癌細胞株養於正常葉酸、低葉酸和高葉酸中,藉以模仿癌症病人的葉酸營養狀態。細胞在每個葉酸濃度中培養2、 4 、 8 天後再培養於腫瘤球體培養液中並測量四種幹細胞標記-mTOR,SHH,Sox2和Nanog。結果顯示:低葉酸會導致癌細胞的生長停滯,藉由標記的表達增加顯示長期低葉酸會促進細胞轉變成癌幹細胞。於腫瘤球體培養液時,低葉酸組亦較對照組於體外產生較大及較多的腫瘤球。高葉酸組會加速癌細胞的增殖和向癌幹細胞的轉變且細胞增生較快並表達較多的標記,其腫瘤球體亦是最大和豐富的。總之,低葉酸和高葉酸都增強了乳腺癌細胞的腫瘤生成和轉變成癌幹細胞。

金山神祕海岸浮石事件解密

浮石是一種多孔的火山碎屑岩,氣孔佔總體積很高的比例,因此能浮在水上。本研究針對臺灣新北市金山區神祕海岸所出露沉積層中的浮石進行探討,藉由閱讀文獻、實地考察、採樣、實驗分析等方式,來瞭解浮石的化學組成、礦物種類及可能形成機制與搬運途徑。依照化學成份分析及礦物種類比較結果顯示神祕海岸的浮石與日本、菲律賓的浮石較無關聯,最可能是來自台灣地區並由台灣北部大屯火山系或觀音山噴發所造成。至於其搬運方式,沉積物粒徑大小分析的結果顯示浮石是經由力量強大的海洋搬運作用攜至當地沉積。綜合上述,我們認為金山神祕海岸的浮石最有可能的生成方式為:1867年,由與大屯火山有相同岩漿系統的海底火山噴發出,接著此火山爆發所引發的海嘯將浮石帶至神祕海岸進行沉積。

多方塊的塗色問題

在本篇研究報告中,主要討論一個關於多方塊的問題:給定一個多方塊,試找出n的最小值使得在無限大的棋盤上,可以塗上n種顏色並且使多方塊沿格線無論如何放置,都不會蓋到重複的顏色。一開始先以V形三方塊的情況開始討論,之後將單方塊至五方塊的所有情況都有系統地討論完畢。 為了給出顏色數的估計,考慮同時適用於所有k方塊的情況。也就是說,要找到一個塗上n種顏色的無限棋盤使得無論任一個被選定的多方塊怎麼被放置在棋盤上,都不會覆蓋到相同顏色的格子。本篇研究成功地給出了此問題的精確解。 除了上面一種估計之外,本篇研究也考慮了矩形多方塊的顏色數,並試圖以之給出所有多方塊所需的顏色數之上下界。最後我得到k方塊所需的顏色數至多為8(k+1)2/25.

迪化汙水處理廠降解雌激素之菌種純化

雌激素為一種固醇類的環境賀爾蒙,若水生動物長時間暴露於低濃度的雌激素中,即會導致其生理及行為異常。我們企圖從迪化汙水處理廠中分離純化出能有效降解雌激素之菌株,希冀了解這些菌株的生理特性與降解雌激素的能力。首先在活性污泥中加入高濃度雌二醇(1mM),以增進雌激素降解菌在菌群中的比例,接著利用十倍序列稀釋進行菌株純化。培養期間以薄層層析檢測雌激素降解活性。隨後以固態培養基培養法取得單一菌落,並進行聚合酶連鎖反應及核酸定序。之後我們亦將純化出之菌株進行其他固醇降解測定。目前純化出一株Novosphingobium屬的變形菌,其為一新的菌種,確實能降解雌二醇及其他固醇,包含雌酮、雄烯二酮、膽酸、孕酮和睪酮。然而,其並不能降解乙炔雌二醇。該菌株具有修復受汙染環境及製備雌激素相關藥品之應用潛力。

以蛋白質體學方法鑑定人類肝癌細胞經蕾莎瓦治療之預後的潛力生物標記 Identification of Potential Prognostic Biomarkers in Hepatocellular Carcinoma Cells Treated with Sorafenib

肝癌是死亡率極高的癌症。目前並無非侵入性方法判斷標靶藥物治療效果。蕾莎瓦(Sorafenib)是一種使用於肝癌晚期治療的標靶藥物,但有些病患在治療過程中會出現抗藥性,因此可預測蕾莎瓦治療效果的生物標記相當重要。 血液中的生物標記可及時追蹤疾病進展與預後之評估。本實驗利用質譜法鑑定分析在肝癌細胞(HuH7)中加入蕾莎瓦模擬治療後肝癌的分子機轉,並透過生物資訊軟體了解蛋白質在HuH7細胞中所扮演的角色。我們發現Galectin-3 和HMGB1可能參與腫瘤細胞的增生和遷移,以西方墨點法觀察其表現量,發現Galectin-3 和HMGB1在受到藥物處理後,表現量皆有下降的情形。 蕾莎瓦可抑制B-RAF激酶進而阻斷MAPK pathway。MAPK pathway又可分成ERKs、JNKs和p38/SAPKs三類。為確認Galectin-3之訊息傳遞路徑,將蕾莎瓦和ERK抑制劑處理細胞,發現Galectin-3的表現量隨著時間而下降,證實Galectin-3的表現會受到ERK路徑調控。 Galectin-3與 HMGB1是極具潛力的生物標記可應用於蕾莎瓦的治療,希望這些生物標記可以應用在臨床上。

Determining Crystal Orientation via Reflection High Energy Electron Diffraction

1 Purpose of the Research Nanocrystal thin films exhibit many useful properties, including electrochromicity and superconductivity. When synthesised via Molecular Beam Epitaxy (MBE), selection of substrate, specifically knowledge of crystal orientation, is critical. Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) is an in situ crystal characterisation method highly compatible with MBE. This study explores a new method of RHEED analysis to determine crystal orientation. 2 Procedure/Theoretical Framework RHEED characterization is the incidence of a beam of high-energy electrons at a low angle with respect to the sample surface. Electrons diffract, and interfere to form patterns on the detector. Traditionally, studies of RHEED analyse one static image as a representation of the surface structure, or observations of RHEED patterns over time. The approach to RHEED analysis in this study exploits changes in RHEED patterns given a rotating substrate. Having specific rotational symmetries along different axes, crystal structures can be differentiated by determining rotational symmetry through RHEED. Electrons scatter upon incidence with crystal planes within the crystal to form Kikuchi lines on the RHEED detector (Fig. 2). The orientation of crystal with respect to incident electron beam affects the Kikuchi line patterns. If the crystal is rotated, crystal planes change orientation, and electrons would diffract from crystal planes in different directions. As such, as the crystal is rotated, the Kikuchi lines move. When the degree of rotation of the crystal corresponds to the rotational symmetry of the crystal (Fig. 1), the Kikuchi lines return to their original position. As crystals with different crystal plane orientations exhibit different orders of symmetries, analyzing the Kikuchi line patterns of the crystal at different degrees of rotation can reveal the rotational symmetry and consequently crystal plane orientation of a crystal. 3 Data/Experimental Testing In order to assess the practical viability of the proposed method, experiments were conducted on SrTiO3 (001), (110), and (111). SrTiO3 exists as a typical perovskite structure (Fig. 3), often used in the synthesis of superconductors via MBE. 3.1 Methodology RHEED images of each sample were taken at 0◦, 60◦, 90◦ and 180◦. Curves were fit to each Kikuchi line observed in the image (Fig. 4). These Kikuchi line approximations are compared by superimposing the curves traced and qualitatively assessing the degree of similarity between the Kikuchi lines of 2 images, to verify the order of symmetry and crystal orientation of the crystal. In the images of the superimposed Kikuchi lines illustrated in Fig. 5, there is similarity between the Kikuchi lines when only when the sample has been rotated by an angle corresponding its degree of symmetry. 4 Conclusions This study offers a method to determine the crystal orientation of thin film through determining the degree of rotational symmetry of the sample, by observation of Kikuchi lines in the RHEED pattern as the sample is rotated. Experimental data was analyzed qualitatively to verify the viability of this theoretical method in practice. This method could be extended to analyze the symmetry of other crystal structures. As it does not require information on the machine settings or usage of complex functions to produce a reliable output, this method is fast and straightforward, opening doors to more streamlined RHEED analysis.

使用機械手臂實現黑白棋之人機對弈

由工業4.0智慧生產的啟發,建構機械手臂進行人工智慧黑白棋之對弈系統,透過視訊分析棋面資料,輸入人工智慧黑白棋遊戲判斷。依據結果指揮機械手臂進行落子、取子的動作,人機對奕過程亦會判斷有無不合理的地方,以維持棋奕的規則公平。擷取雲端攝影機的盤面影像,使用霍夫找圓演算法取得棋目位置,透過彩度與明度分析黑子、白子或無子,黑白棋AI程式再透過遊戲樹演算決定落子、取子位置。透過畢氏定理及餘弦定理將棋子位置的立體座標轉成工具座標,再傳送至主控伺服器以指揮機械手臂進行正確的動作。透過減輕重量及使用彈力平衡力矩改善,機械手臂可改善硬體準確度,重現率測試達85%以上。黑白棋AI程式棋力可以與黑白棋app的3級力敵。視訊判斷棋局在調整適當彩度明度後可達100%正確率。透過演算法指揮機器手臂下棋,棋局中完成正確動作可達80%以上的成功率。

英文篇章難易度自動分級之研究

以製作適合高中生的英文篇章難易度自動分級為初衷,本研究採高中英文課文為語料,針對「如何分級」,意即從文章萃取哪些特徵、利用何工具或語料協助萃取特徵、以何工具分級等因素,進行研究與實驗,並建立一套新方法。首先進行前處理,再嘗試以單字、句型的數量或比例、句長、音節長、整合以上分析等各式特徵,支持向量機(Support Vector Machines)、隨機森林分類器(Random Forest Classifier)、決策樹分類器(Decision Tree Classifier)、卷積神經網路句分類器(Convolutional Neural Networks for Sentence Classification)等工具,進行將篇章分為高中一、二、三年級等三個難易度等級的測試,建立自動分級模型。最後製作成可供大眾使用的自動分級網頁。各項測試之中,最佳分類效能為整合各項特徵時得到的分類正確率65.04%,經模擬得知,此效能較過去研究,已有所提升。

故態復「蒙」,「日」新月異-Monge's theorem的性質探討與推廣

本研究以蒙日定理「平面上三圓彼此的外公切線交點共線」及其對偶定理「平面上三圓彼此的內公切線交點與另一圓的圓心的連線共點」出發,探討三圓更多由內、外公切線所產生的共點共線性質,進而探討四圓以上的情形,以及正多邊形、圓錐曲線等位似圖形,並推廣至空間中的球體。正如本研究作品名稱,我們將鮮少人研究的蒙日定理萌發出新枝,在日夜中茁壯,甚至最後有驚人的發現「在空間中n個外離的球,任意1個球的球心與另n-1個球的蒙日點連線會共交一點,此點稱之為n球的蒙日點」,此「點」發現,讓人不禁對宇宙中星體之間的關係產生更多無限的想像。

電場中的小晶靈-高電壓電場中液滴的結晶現象

本研究設計相機-顯微鏡-玻璃座平行銅片電場裝置,拍攝鹽類液滴在高電壓電場中的結晶現象,並以色階曲線為基礎,發展出SCL值,來偵測晶體表面的性質。實驗先找到能讓晶體成長趨向單顆且高透明的條件為:加蓋(低蒸發速率)、過濾、無施加電場與低熱LED光源。並應用蒸發速率差異,發現食鹽晶體的變速成長現象。蒸發快會形成階梯螺旋紋,蒸發慢,紋路消失,變成全透明晶體。將這裝置轉放在高電壓電場下可發現:晶體形狀發生改變(晶體傾斜或碎晶),透光度變差(SCL值變小),可觀察到新生晶體邊緣,有條狀暗紋出現,但晶體成長速率變化不大。鹽晶析出反應會因些微的外在變化,而影響溶液中離子堆疊,在晶體表面出現陰影或不規則紋路。這種對外在環境有著高度反應的現象,可以透過反應位能曲線圖來解釋,正可以用來研究外界高壓電場如何對物質發生影響。