全國中小學科展

2020年

三槽式微生物燃料電池及不同尿液中微生物產電效率影響之探討

為尋找綠色替代能源,科學家早在1970年就發明出微生物燃料電池(microbial fuel cells, MFCs),將微生物當作催化劑應用在燃料電池中(Suzuki,1976)。人體每天都會大量排出含有有機物質的尿液,容易取得且適合用來作為MFC的基質,若同時能在尿斗中找到具有較高產電效率的微生物,即可達到廁所能源自給化的效益。在本實驗中,我們取用尿斗底部尿液做離心,並圖盤培養,挑選出四種微生物與陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacae),將其分別定量並移植至對應體積液態LB,並待其OD值成長至0.5,再透過簡易MFC進行電壓比較。經數據比較,我們發現a菌與b有最高及次高的平均電壓。近幾年微生物燃料電池研究大部分以混菌為主,所以最後篩選出其中這兩種微生物,作為往後自創三槽MFC實驗的菌種。而自創三槽MFC是透過改良傳統反應槽的結構來克服電子傳遞效率的問題,希望能設計出實際應用於廁所中的微生物燃料電池。

Process of making a new environmental friendly straw

本研究首先製作「蔬菜紙吸管」,其耐水性及吸飲功能不佳,改以海藻膠製作吸管,經歷多次改良後的「第三代海藻膠吸管」其質地近似塑膠吸管,但吸飲功能仍然不佳。接著,以海藻膠為膠著劑;紅茶粉為骨材,成功製作出耐水性、吸飲功能較佳且可散發紅茶香氣的「紅茶吸管」。提高添加紅茶粉之比例,能有效提升吸管硬度,可應用在飲料封口膜之戳入,在冰水、熱水中均可長時間維持吸飲功能,製作大口徑「紅茶吸管」,可輕易吸飲波霸珍珠,徹底解決吸飲波霸珍珠之難題。自製擠出成型機械,可控制出料速度維持穩定,在滑軌上以直線移動,可製作出粗細一致且筆直的吸管,最後試製綠茶、咖啡、檸檬等調味吸管,均會飄出天然原料之香氣,頗具商品化之潛力。

利用硫醇分子合成金奈米團簇應用於檢測自來水及游泳池水中次氯酸根

隨著大眾對於衛生要求的上升,許多抗菌及消毒成分被廣泛應用於水質處理中,其中次氯酸作為消毒殺菌劑大量使用於泳池及自來水的水質淨化中,然而現行標準方法測定水中有效氯所使用具危害的毒化物且步驟繁雜不利普及民生使用,發展簡便快速且靈敏的偵測方法勢在必行。本研究利用牛血清白蛋白(Bovine serum albumin, BSA)、不同的硫醇分子及金離子合成具螢光特性之硫醇修飾金奈米團簇 (Thiol ligand assists BSA capped gold nanoclusters, BSA/RSH-Au NCs),探討添加不同硫醇分子對所合成之金奈米團簇於不同pH值及常見離子對螢光強度之影響,並利用具有最佳螢光穩定性之2-巰基苯甲酸修飾金奈米團簇(Thiosalicylic acid assists BSA capped gold nanoclusters, BSA/TA-Au NCs),透析後進行次氯酸根檢測,其檢測線性範圍為0.98μM-1000μM,涵蓋法規規定游泳池水及自來水中次氯酸根之容許殘留濃度,最後此方法成功於游泳池水及自來水基質中檢測次氯酸根,分析樣品的回收率介於94.4%-95.6%。此外,在紙上添加金奈米團簇,並加入不同濃度的次氯酸根,觀察其螢光強度的變化,期望此方法未來應用於快篩試紙塗布材料快速檢測水質中次氯酸根濃度。

高電場下含界面活性劑二氧化矽-矽油液體之機械力學特性 與結構探討

本研究以添加界面活性劑、二氧化矽及矽油的電流變液作為研究對象,探討矽油的黏度以及添加界面活性劑對電流變液的影響。並希望引入此現象於以高電壓驅動動態摺紙的DLZ(dielectrorphoetic liquid zipping)結構中,增進其性能。 研究發現不同黏度的矽油會對電流變效果造成影響。以低黏度(10cst)的矽油製成的電流變液,黏度變化於6kV時可達原本黏度的2.4倍,而以高黏度(350cst)的矽油製成的電流變液,黏度變化則可達原本黏度的9.7倍。在實驗時也發現,穿透裝有電流變液比色管的光線在施加電壓後減少,黏度越大,減少的幅度越大,並與界面活性劑的存在有關。因此推論: 黏度大的矽油因分子長度較長,藉由界面活性劑作用,更容易和二氧化矽粒子形成整齊結構,因為單一矽油分子可連接更多二氧化矽顆粒。這讓電流變液的黏度改變;同時整齊的結構會使電流變液的散射能力減弱,使接收到的散射光減少。 未來將以顯微鏡直接觀察電流變液的內部結構,並以水及酒精取代界面活性劑,以了解在矽油分子長度改變以及有無添加界面活性劑下電流變液黏度變化的機制,並應用在DLZ結構中,完善原本在單純液體中只有考慮介電常數的理論,增加黏度與液體內部結構的討論。

對抗上皮細胞黏附因子之CAR-T細胞於癌症免疫治療之研究

以往人類對抗癌症只能依靠手術、化療、電療等治標不治本的手段殺死癌細胞,不僅效率差且有強烈的副作用,而CAR-T免疫療法透過活化病人自身免疫細胞來專一性的治療癌症。 本研究旨在發展能治療實質固態瘤的CAR-T免疫療法,透過活化由人血中所分離出來的T細胞,使之能辨識在癌細胞中大量表現的上皮細胞黏附因子(EpCAM),並建立一套體外細胞毒殺測試的模型來測試CAR-T殺死腫瘤細胞的能力,以篩選出具有發展潛力CAR-T細胞。 本研究從外周血單個核細胞(PBMC)中分離T細胞,透過基因重組技術與lentivirus來改造T細胞,使T細胞表現CAR基因,再利用Dynabeads Human T-Activator CD3/CD28活化,並以大腸癌細胞株HCT116當作癌細胞目標,測試CAR-T是否有能力殺死腫瘤細胞,另外也以不表現EpCAM的A549肺癌細胞株、H460肺癌細胞株進行毒殺能力測試,結果顯示此CAR-T細胞有高度專一性,證明此CAR-T細胞具有潛力成為新一代的CAR-T免疫療法。

銠金屬催化劑應用於優化不對稱加成反應

本研究是以台灣學者開發之銠金屬催化劑與Benzocyclobutenol和Cyclodienenone進行不對稱加成反應作為實驗目標,利用不同的溶劑在不同溫度下進行反應,探討產物的衍生物產率和鏡像超越值的差異。 首先,尋找出一個最佳反應條件,改變濃度、溫度、比例等變因並優化反應。接著嘗試改變Cyclodienenone上的官能基組合,觀察其對反應造成的影響並探討,及測試此銠金屬催化劑對不同官能基的容忍性,增加其官能基廣度。 實驗結果顯示,大部分反應條件產率可達60%以上,光學選擇性e.e.超過 90%。未來希望能將此銠金屬催化反應應用於不對稱藥物合成,成為一個合成高光學選擇性和高光學活性產物的方法,達到省時、省錢及高效之目的。

Absorption of Sr2+ at low concentrations using C.moniliferum-- With the aim of practical use of contaminated water processing of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

We are conducting research for the purpose of treating contaminated water generated by the nuclear accident with C.moliniferum. In previous research, the school seniors examined whether there is a difference in absorption by changing the wavelength of the LED to establish efficient Sr2+ absorption conditions. As a result, the red wavelength was found to be effective for the efficient Sr2+ absorption of C. moniliferum. Therefore, in this study, in order to verify how much Sr is actually absorbed into the cell, the amount of Sr absorption using an atomic absorption photometer is quantified, and the previous research has shown that red is effective for the efficient Sr2+ absorption. The wavelength was considered to be effective because of photosynthesis, and was observed with a scanning electron microscope (SEM) using the photosynthesis inhibitor (DCMU). As a result, it was clarified that C. moniliferum absorbs Sr intracellularly, and photosynthesis was related to absorption.

以農業廢棄物芝麻稈做為紡織業常用染劑吸附材質之探討

本研究的重點是使用芝麻稈作為高效的吸附材,進而從水溶液中去除在染紡工業上常用的亞甲藍、剛果紅及雅里西安藍。在研究中,我們分別以吸附時間、pH值、吸附起始濃度作為操作變因,研究其物理、化學參數如吸附率、移除量、反應級數、吸附模式等等之變化[1][5]。使用UV-Vis光譜儀製作檢量線,推算各條件下所得之剩餘濃度,並由此計算其他所需之參數。本研究使用pseudo-first-order及pseudo-second-order進行動力學之分析,我們可以發現芝麻稈對於亞甲藍[3][4][5]、剛果紅[2]及雅里西安藍之吸附均符合pseudo-second-order模型;最佳吸附pH分析則可得知,亞甲藍於pH=5、剛果紅於pH=7,雅里西安藍於pH=8下可得最佳吸附效果;如使用恆溫吸附模型分析其吸附行為,則由實驗結果我們可以得知:亞甲藍符合Langmuir Isotherm及Freundlich Isotherm、剛果紅符合Langmuir Isotherm、雅里西安藍則符合Freundlich Isotherm;而其最大吸附量分別高達每克吸附材可吸附6624.75毫克亞甲藍、10815.74毫克剛果紅或18574.4毫克雅里西安藍。

The change in NaCl crystals from cubic to octahedral~Sodium polyacrylate stabilizes the {111} face of Miller indices~

When adding 2% or 4% sodium polyacrylate as habit modifier, standard milky-white octahedral NaCl crystals grew gradually in saturated NaCl solution on the bottom of the container. [1] [2] Sodium polyacrylate is well known as a highly water-absorbable polymer with many carboxylate anions. In the case of low concentration (0.01%, 0.02%, 0.05%, 0.1% and 0.5%) sodium polyacrylate many small or microscopic crystals whose shapes were nearly octahedrons and had {111} faces were observed with an optical microscope on the bottoms of the solution containers. In low concentration sodium polyacrylate, octahedral NaCl crystals made up of electrostatically unstable {111} faces grew similarly to crystals in high concentrations of 2% or 4% NaCl. Therefore, by adding sodium polyacrylate to saturated NaCl solution, cleaved rock salt crystals in this sol were observed to find out whether or not a change in crystal morphology from cuboids of {100} faces to octahedrons of {111} faces would occur. Regardless of the sodium polyacrylate concentrations of 0.01%, 0.02%, 0.05%, 0.1%, 0.5% and 2%, all cuboid crystals changed into a pyramidal shape in which four of the side surfaces formed an equilateral triangle. When one side of each equilateral triangle face was rotated so the square face of the crystal was soaked in the NaCl sol, all crystals grew into octahedrons of high transparency. Sodium polyacrylate, even under a low concentration, caused morphological change in the NaCl crystals. Many carboxylate anions in the sodium polyacrylate attracted sodium ions and the repulsive force between the carboxylate anions became weak, excluding the water in the internal space of the polymer. We considered that the stabilizing {111} faces of gathered sodium ions attached to carboxylate anions. Chloride and sodium ions coordinated continuously to minimize the NaCl surface area, growing into an octahedral and lowering the surface energy of the NaCl crystal. [3]

微量氧化亞錫參雜與氧化鎢光觸媒之光電催化性質探討

太陽能是地球上最豐富的能源。我們這裡研究的光催化劑主要用於進行重要的化學反應,例如利用陽光進行污染物降解和製氫。光催化劑的靈敏度取決於半導體材料的組成。在這項研究中,提出了一種氧化錫和氧化鎢的錫(II)光催化劑(SnO-WO3或SnO2 / WO3)與p-n結半導體材料結合。我們發現重要的事實是,含有少量SnO2和WO3的光催化劑展示了敏感的光催化活性。使用光纖的掃描電化學顯微鏡(SECM)快速篩選SnO2-WO3光催化劑陣列以進行有效的光電化學反應,我們使用小於10%的SnO2量摻雜WO3。然後在0V vs.Ag/AgCl的條件下,我們發現在紫外線和可見光照射下,組合物中3:97 SnO2 / WO3的微小比例能夠顯示出最高的光電流。利用第一原理(DFT)計算,我們得到了接近費米能中SnO2的帶隙約為1.40 eV。我們認為這種小的帶隙和費米能級附近的態密度(DOS)分布是SnO2對n型WO3敏感的原因。