全國中小學科展

2021年

利用次世代基因定序技術探討我國急性腹瀉患者之腸道菌叢表現

依據世界衛生組織2013年調查研究顯示,全球每年約有29%的孩童 (超過兩百萬名) 因腹瀉及肺炎而死亡,而在我國腹瀉群聚亦佔傳染病防治之大宗,尤其2020年受新冠肺炎(COVI-19) 疫情影響,台灣民眾均留在國內旅遊,腹瀉案件急速增加,且因適逢旅遊熱門旺季加上中小學開學之際,經常出現規模上百人的腹瀉群聚,危害民眾健康。現階段急性腹瀉病人的治療多以支持性療法為主,然而目前應用糞便移植重建腸道菌叢已是包括癌症在內的重症醫療方向之一。本研究應用次世代基因定序技術偵測微生物16S rRNA 的高變異區域進行急性腹瀉患者腸道微生物菌相組成、菌種豐富度分析及菌種鑑定,希望透過偵測急性腹瀉患者的腸道微生物相分析有助於理解腹瀉患者與健康人體腸道菌叢的差異,可提供未來臨床治療參考,亦可藉此推動從家庭到社區的全民健康促進,打造健康優質的生活品質。

Ferrofluid──流體與磁場之研究

鐵磁流體是一種新型的功能材料,同時具有液體的流動性和固體磁性材料的磁性,由微奈米磁性顆粒、界面活性劑以及載液混合形成的膠體液體。本報告探討製備鐵磁流體的方式及過程,比較各種不同鐵磁流體製備方法的優缺點。並在化學共沉法中改變滴入氨水的稀釋 pH 值與其速率,建立一套標準稀釋氨水 pH 值量表,並探討其對產率的影響。 外加磁場也為操縱鐵磁流體的重要因素之一,本研究使用低成本自製磁力測量裝置測量不同磁鐵及不同角度、位置的磁力大小,並用其測量數值繪製多張圖表進行分析。從對磁場研究的過程也發現鐵磁流體在受磁鐵吸引時會產生類似泰勒錐之錐體,架設自製觀測設備,觀察多種變因對錐體行為之影響,同時對錐體進行數據分析。此點乃為本研究提出創新科學設計。

銅化合物細紋間距變化與散射光偏振態之關係與探討

45 度線偏振光入射銅化合物所得散射光為線偏振,銅片直立或橫置,在同一光源下,相對位置亮暗趨勢相似,故銅片上顏色變化非薄膜干涉。圓偏振光入射晶體,不同照相角度所得散射光強度、偏光軸偏轉及偏極化等變化,可推知為雙折射晶體。控溫定量供氧的均質銅化合物晶體,其散射光偏振態偏向圓偏振,因細紋、粒徑等因素,造成偏極化變化。 溫度梯度變化造成銅化合物晶體折射率及介電係數改變,為散射光強度、偏光軸偏轉及偏極化變化的主要因素,經由理論模擬更可得知散射光偏振態的細微變化;不同波長入射相同銅化合物晶體,所得偏光軸偏轉有極大差異,且變化不同波長的光強度所造成偏極化現象及晶體吸收率各有不同。 故不同波長的光進入銅化合物雙折射晶體時,因散射光強度變化、偏光軸偏轉差異、偏極化、取值角度及吸收率不同,晶體會有顏色差異及色彩變化。

初探渦蟲RNAi的作用機制與限制

核糖核酸干擾 (RNA interference, RNAi) 被廣泛應用在以渦蟲為模式生物的相關研究,其中一種進行RNAi方法是利用餵食渦蟲雙股RNA (dsRNA) 的方式達到 RNAi 的目的,但所餵食的dsRNA只在渦蟲腸道中存在餵食後的4天內。dsRNA究竟如何從渦蟲腸道進入組織中以及RNAi於渦蟲的詳細作用機轉尚不明確。 tgs-1的表現限定於渦蟲成體幹細胞 (pluripotent stem cells, PSCs) 中的前驅幹細胞— cNeoblasts中,可利用 RT-qPCR (Reverse Transcription-Quantitative Polymerase Chain Reaction) 來定量檢測渦蟲tgs-1基因的表現差異。tgs-1基因的產物是一種膜蛋白,為cNeoblasts的標記 (marker) 之一,因此選擇其作為探討RNAi基因緘默 (gene silencing) 效率的目標基因,未來可以應用於渦蟲幹細胞與再生相關研究。 本研究利用RT-qPCR檢測tgs-1的表現量,探討餵食dsRNA在東亞渦蟲Dugesia japonica的RNAi作用機制與效率。實驗發現,六次的dsRNA餵食比餵食2次或4次有更好的效率、餵食不同長度的dsRNA對RNAi 效率沒有顯著影響。tgs-1的基因緘默作用也會影響其他基因的表現,包括少量增加Ago2的表現量,明顯提升gata的表現量,然而piwi-1表現量明顯降低。除此之外,透過胺基酸序列比對發現渦蟲與線蟲SID-1同源基因具有相當高的相似度。 由實驗結果結論多次dsRNA餵食可提高基因緘默的效率和dsRNA 的 3' 序列在RNAi中的關鍵角色。tgs-1 RNAi也影響Ago2、gata 和piwi-1的表現,這些基因與RNAi的機制和dsRNA的攝入量有關。未來將進一步探討dsRNA是如何通過渦蟲腸道、是否透過SID-1蛋白攜帶進入體腔中、dsRNA在渦蟲體內的切割與作用位置和胞吞作用在RNAi所扮演的角色等問題,相關實驗仍在進行中。 本研究結果將有助於了解餵食渦蟲dsRNA經由渦蟲腸道進入體內細胞引起RNAi現象的機制,除了能比較扁形動物RNAi系統與其他物種,例如哺乳類細胞、果蠅、以及線蟲RNAi的作用差異之外,更能有效應用於於探討基因參與渦蟲再生與體軸形成的發育的研究上。

天菜組合

本研究旨在探討自創ETF投資組合之策略。藉由比對現今台股前六大原型ETF之持股明細分析,找出這六檔ETF的持股交集狀況,發現交集六者的有3支股票,而交集五者的則為18支。能夠在這六檔ETF中出現,該公司之股票勢必有一定的潛力,而交集數愈高者,表示該股票愈具公信力。因此,本研究分別將交集五、六者的股票,分別以定期定額每月兩萬元計算近3年來的投資報酬率,比較投資ETF與投資此21支個股的投報率。 本研究將市值作為權重分配依據,收錄在前六大ETF中,交集六者與交集五者的21支股票,並計算近3年來在每個月第一個交易日的收價,以定期定額每月兩萬元的方式投資,最終將所有累積的持股,以2020年9月18日的收盤價計算總市值,並加入所有持股的配息金額,計算自創ETF的投資報酬率,期望能打敗前六大ETF,建構理想的ETF天菜組合。

距離便是美—多維空間的支配數之討論

本研究保持社交距離為發想,探討從一維到多維空間的支配數。我們從使得三個同色單位方格不相連的二維情況,拓展至m個同色單位方格不相連的一維、二維、三維情況。本研究從The Domination Number of Grids這篇論文中汲取靈感,其中”Domination Number”也是「支配數」此名詞的由來。我們定義L_nt={(x_1,x_2,…,x_n)|x_1+x_2+⋯+x_n≡t (mod m),x_1∈[1,l_1 ],x_2∈[1,l_2 ],……,x_n∈[1,l_n ]},此處的l_n是邊長。對於一維情形的任意m,其支配數|A_1m |=⌊l_1/m⌋;對於二維情形且m=3時,我們經由列舉和畫圖證明其支配數|A_2 |=⌊(l_1 l_2)/3⌋。同樣的二維和三維情況在m=任意數時的支配數也可求得,不過在此我們改變了研究的方法,我們應用集合與同餘進行運算,除了減少窮舉將花費的時間,也可一次討論m=任意數的情況。

尿液中不同物質對磷酸鈣、草酸鈣與尿酸結晶速率的影響

本研究主要研究人類尿液中,腎結石中的奈米細菌(nanobacteria)是礦物結晶或細菌成長作用,使用自製分光光度計,以OD值的差異劃分,結果顯示奈米細菌呈現礦物結晶特徵,成分分析亦證為磷酸鈣。之後研發腎結石抑制劑時,使用自製人工尿液,以磷酸鈣Ca3(PO4)2、草酸鈣CaC₂O₄和尿酸(C5H4N4O3)為主體,分別測試維他命C、(•OH)、模擬管壁發炎、模擬尿液pH值變化,並觀察其結晶型態變化,結果發現模擬管壁發炎OD值最高1.4,尿液pH值5時OD值 1.3次之。推斷腎結石主因與管壁發炎最密切,其次是pH值變化,偏酸與過鹼皆易產生結晶。最後以自製的結石抑制劑比較傳統C6H5K3O7(檸檬酸鉀) 抑制劑,本研究抑制劑OD值呈現較佳抑制效果。

路燈不要變壓器好不好

路燈若變壓器損壞,會連同高效率LED晶片被丟棄,就像勞斯萊斯的引擎壞了就整台廢棄。本作品思考如何回收LED良品,改造成「不需要」變壓器也能發揮高功率路燈LED的強光照明並長時間使用。 用a-IGZO取代電阻器,從已發表的論文知a-IGZO經紫外線或藍光激活後,有超過一天以上的持久性光電流,可讓LED有更好的發光效率,路燈LED發藍光,且適合放在玄關入口照得到紫外光激活可持續到晚上。LED需要直流偏壓3.7V下工作,用110V交流電除了電壓相差太大,也有閃爍問題。我們巧妙利用路燈LED是集成晶片,經設計可在交流電變換極性時都有LED亮著,再用擴散片(從液晶螢幕拆下)將光弄勻,讓燈看起來是恆亮,材料成本僅需一元(電阻器)。回收再製後,可用在大門入口或走廊下長時間照明,環保愛地球省電省錢。利用Arduino設計監測模組並用wifi傳回數據,可長時間觀測,證明可行。

應用網路爬蟲於社交軟體實現群眾互動平臺之研究

現今的大型活動,如:校慶活動、新北耶誕城等,缺乏互動性與參與感,其中原因大多是觀眾時常埋沒於手機中的社交軟體當中所導致。而我們的研究將利用此特性,探討大眾對於活動的觀點,搭配網路爬蟲抓取使用者的貼文,觀眾只需在Instagram、Twitter等社交軟體中發布文章,系統就會即時推播至活動中的大螢幕上,並且結合圖像辨識快速審核貼文,設計出一套能改善互動性低落的解決方案。研究中我們探討不同的網路爬蟲演算法、圖像辨識技術,及問卷調查等來使作品更加精進,且搭配Line Bot、後臺管理,及常駐貼文等功能來為各類大型活動量身打造,也能夠運用於政令宣導或文宣廣告等用途上,大幅提升活動的互動性與精采程度。

新式綠色溶劑運用於鋰離子電池回收

本研究以回收目前於電動汽機車及儲能設備中使用量最大的 Panasonic 18650 三元鋰離子電池為主軸,開發以三混深共熔溶劑(TDESs)將電池中的鈷、鎳回收之方法。 TDESs的合成,四級銨鹽選擇文獻中常用的氯化膽鹼,配對各種氫鍵予體(HBD)後,使 用針對鋰鎳鈷鋁氧化物(LiNi 0.8Co0.15Al 0.05 O2 ,LNCA)溶解度最高的 TDESs 組成作為探討主軸。 接著以循環伏安法(CV)分別量測 TDESs與LNCA及電池電解質溶於TDESs之電位窗及還原峰電位。並採用二極式電鍍還原鈷、鎳後,以掃描式電子顯微鏡(SEM)及能量分散光譜儀(EDS)分析鍍層表面的形貌及成分。最後以無電電鍍法還原出貴金屬。 結果顯示,溶入電池電解質之 TDESs溶液,在溫度373.15K,外加電壓4V、5V、6V的 條件下可單獨還原出鈷金屬,且在無電電鍍的實驗中觀察到,在室溫下靜置 2 小時後,可將 鈷、鎳還原。