《臺灣化學教育》第六十期（2025年6月） 目錄 主編的話 第六十期主編的話／周金城〔HTML｜PDF〕 本期專題【專題編輯／鄭宏文】 「輻射+化學」：燃起人類文明的第三把火炬／鄭宏文〔HTML｜PDF〕 「輻射+化學」：輻射普拉斯／趙自強〔HTML｜PDF〕 「輻射+化學」：放射治療有利於臨床免疫療法： 從化學與分子機制探討放射治療如何調控腫瘤微環境的免疫細胞／程俊嘉〔HTML｜PDF〕 「輻射+化學」：質子治療的輻射化學機轉與模擬探索： 從能量沉積到奈米尺度自由基反應／卓奕均〔HTML｜PDF〕 「輻射+化學」：個人化精準質子治療新視野： 從物理影像到在線生物影像導引／詹美齡〔HTML｜PDF〕 「輻射+化學」：超極化碳-13磁振造影：即時代謝可視化技術／謝憬儀〔HTML｜PDF〕 教學教法／家庭化學實驗【專欄編輯／楊水平】 自製常用的黏合劑並測試其黏合效果／楊水平〔HTML｜PDF〕 教學教法／化學課程與教材【專欄編輯／何家齊】 過碳酸鈉取代雙氧水產生氧氣於國小製造氧氣實驗之可行性探討 ／ 周佳誼、周欣誼、何家齊〔HTML｜PDF〕

第六十期 主編的話 周金城 國立臺北教育大學自然科學教育學系 ccchou62@tea.ntue.edu.tw 前言 感謝各位長期以來對臺灣化學教育網站的支持與愛護！本站致力於推動化學教育資源的分享與交流，能獲得來自教師、學生及教育研究者的肯定，我們深感欣慰。然而，近日網站受到駭客攻擊影響，導致部分網頁出現顯示異常等情形，對於造成使用上的不便，我們深表歉意。目前技術團隊已積極進行檢測與修復作業，並同步強化資安防護機制，以避免類似事件再次發生。過程中若有造成大家困擾，懇請見諒。我們也歡迎使用者回報發現的異常狀況，以利我們加速修復與優化。再次感謝您的包容與支持，未來我們將持續努力，提供更穩定、安全且優質的化學教育平台。 本期專題「輻射與化學」簡介 隨著醫學科技的發展，輻射早已不再只是原子能或核武的代名詞，而成為現代醫療中不可或缺的利器。無論是用於診斷的電腦斷層掃描（CT）、正子斷層掃描（PET），還是治療用的質子放射線與放射治療，這些應用都建立在輻射與化學的深厚基礎上。當輻射與人體組織、特定藥物或造影劑發生作用時，牽涉的不僅是物理能量的傳遞，更是分子層級的化學變化與生物反應。從了解癌細胞的代謝活動，到啟動免疫系統的分子訊號，再到個人化放療的精準導引，輻射與化學的結合正開啟醫學治療與影像診斷的新視野，為人類文明照亮智慧醫療的下一道光芒。 本期專題主題是「輻射+化學：燃起人類文明的第三把火炬」，專題客座主編是邀請國立臺北教育大學自然科學教育學系鄭宏文教授擔任，一年前邀約鄭教授賜稿時，很感謝他很爽快的答應，並且擬定了這個醫學科技中輻射與化學的主題，並很快邀請長庚大學放射醫學研究中心的團隊來介紹輻射與化學在醫療領域的結合，從歷史發展、質子治療原理、腫瘤免疫調控機轉、個人化治療影像技術，到超極化磁振造影應用，展現臺灣在放射醫學與化學跨域整合的研究成果與教育價值，且各篇專題文章都是很專業的內容，希望中學生讀者進入到大學後未來可以投入此領域的相關工作與研究中。 第一篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心趙自強主任所撰寫《輻射普拉斯》，探討游離輻射的科學原理、歷史發展及其在醫學、動物實驗、太空科技與安全設計等領域的應用，強調輻射本無好壞，關鍵在於用途與管理。文中亦介紹臺灣在質子治療與輻射模擬研究的最新成果，展現跨域整合的教育與社會價值。 第二篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心卓奕均博士所撰寫《質子治療的輻射化學機轉與模擬探索：從能量沉積到奈米尺度自由基反應》，介紹質子治療時，質子進入人體後會和水產生作用，產生具破壞力的自由基，進一步傷害癌細胞的DNA。文章也說明金奈米粒子有機會幫忙控制這些自由基的生成與作用方式，讓治療更有效率。此外，也提到一種模擬軟體Geant4-DNA，能幫助研究人員了解這些反應在細胞內是怎麼發生的，進一步提升治療的準確度。 第三篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心程俊嘉博士所撰寫《放射治療有利於臨床免疫療法：從化學與分子機制探討放射治療如何調控腫瘤微環境的免疫細胞 》，說明放射治療除了殺死癌細胞，還能幫助免疫系統對抗癌症，特別是對某些基因正常的腫瘤效果更好。後續說明放射治療會刺激身體產生訊號分子，吸引免疫細胞（像是T細胞）進入腫瘤附近，有機會讓免疫系統更容易認出並攻擊癌細胞，進而提升免疫療法的效果，也讓更多癌症患者有機會獲得幫助。 第四篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心詹美齡博士所撰寫《個人化精準質子治療新視野：從物理影像到在線生物影像導引》，說明放射治療邁向精準與個人化，傳統僅依賴解剖影像難以掌握腫瘤內部的生物異質性，尤其是缺氧狀態可能造成輻射抗性。生物影像導引放射治療（Bio-IGRT）結合PET等分子影像技術，可監測腫瘤生理變化並調整劑量。質子與重粒子治療具備自發性正子訊號來源，無需注射顯影劑，搭配原位PET與創新影像重建技術（如sc-MLEM），有效克服有限角度與訊雜比挑戰，提升影像定量準確性，為實現精準放療提供重要支持。 第五篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心謝憬儀博士所撰寫《超極化碳-13磁振造影：即時代謝可視化技術》，說明超極化核磁技術是一種先進的醫學影像技術，能大幅提升偵測特定分子的能力，特別是碳-13這類不容易觀察的原子。利用「溶解動態核極化」的方法，研究人員可以強化碳-13的訊號，讓我們能清楚看到體內的代謝活動。例如，透過觀察超極化[1-13C]丙酮酸的變化，可以即時了解身體裡乳酸與碳酸氫鹽的產生過程。這項技術對癌症等疾病的診斷與治療監控非常有幫助，為未來醫療帶來新希望。 化學實驗主題 本期化學實驗主題有兩篇，第一篇是由國立彰化師範大學楊水平教授所撰《自製常用的黏合劑並測試其黏合效果》，本文介紹三種可由學生親手製作的家庭黏合劑：白色漿糊、甜味膠水與透明膠水，並透過紙張與木材測試其黏合效果。實驗過程設計簡易，材料安全易得，適合於家庭或學校場域進行。作者強調透過動手操作，讓學生體驗生活中化學原理的應用，並提供教學指引與延伸探究問題，有助於激發學生的學習動機與探究能力。本實驗亦對應108課綱自然領域的學習表現與內容，適合國小至高中各階段課程教學，展現化學教學與日常生活的有效結合。看到此文章讓回想到我國小的時候曾看過父親在修補家中脫落壁紙時，在瓦斯爐上加熱煮出漿糊，當時的我覺得好驚訝，原來漿糊可以在家自製。 第二篇是國立中科實驗高級中學化學科何家齊老師與指導科展學生周佳誼和周欣誼，將高中科展報告改寫投稿，本研究旨在尋找安全、簡便且高效的製氧替代方法，以取代傳統雙氧水製氧實驗。實驗選用過碳酸鈉作為「固體雙氧水」，探討其與不同水量、溫度及催化物（如多種金屬與金針菇）反應時的產氧效果。結果顯示，1公克過碳酸鈉加入10–15 mL水最適合，溫度愈高氧氣產生愈快；銅片及金針菇具催化效果，其中金針菇效果最佳但高溫會抑制其酵素活性。進一步實驗顯示，60℃水中加入4枚1元硬幣及10克過碳酸鈉，15分鐘內可產生520 mL氧氣，符合中小學實驗需求。此方法安全、材料易得，具實用推廣價值。 結語 本期專題聚焦於「輻射與化學」在醫療與教學上的創新應用，從放射診斷、質子治療、免疫調控到代謝影像技術，不僅展現臺灣在跨域整合研究上的深厚實力，也勾勒出化學教育未來可發展的多元方向。透過這些精彩文章，我們期盼能激發更多師生對於輻射科學、醫藥化學與實驗探究的興趣與投入。同時，本期兩篇化學實驗文章也回應生活情境與教學需求，讓化學不只是課本上的知識，更能走進學生的生活與實作教學中。未來，我們將持續致力於推動優質的化學教育資源，邀請大家一同參與化學教育的無限可能。

「輻射+化學」：燃起人類文明的第三把火炬 鄭宏文 國立臺北教育大學　自然科學教育學系 Email: hongwen@tea.ntue.edu.tw 前言 化學是探究物質的科學，而生活中的化學則無處不在，與人們的食衣住行育樂習習相關。所謂的「輻射」係指除傳導與對流之外，能量傳遞的另外一種形式。以能量足夠高的輻射（>10 eV）照射物質，即可游離該物質分子的價電子，此類輻射則稱之為游離輻射，例如高能量的中子射線（中子）、質子射線（質子）、a射線（氦原子核）、b射線（電子）、X射線（光子）與伽瑪射線（光子）等，實務上，因為10 keV 以下的光子穿透力太弱，要超過此限才會稱為游離輻射；而日常生活中人們所面對能量較低的諸如：紫外線、可見光、紅外線等光子則稱之為非游離輻射。過去，因為發現了前述高能量游離輻射、以及鈾、釙與鐳等輻射源，倫琴（Wilhelm Röntgen）、貝克勒（Henri Becquerel）與居禮夫人（Marie Curie）等科學家先後獲得了1901與1903年的諾貝爾物理獎、以及1911年的諾貝爾化學獎。以此高能量游離輻射作為探究工具，科學家們遂得以更深入地瞭解物質乃至於原子結構的奧秘，甚至可將科學探究歷程之中所累積的這些科學技術與相關經驗遷移、推廣並應用在：材料分析、分子診斷、癌症治療、放射醫療、質子治療等領域，進一步促成了現代化學、醫學與物理等跨越領域的深度融合。職是之故，「輻射＋化學」所帶來的革命性影響，實可謂人類歷史進程中繼「用火」與「用電」後，推動文明發展的第三把火炬。 放射醫學的研究與發展 根據衛福部的統計資料顯示：癌症（惡性腫瘤）已連續多年蟬聯國人十大死因之首，雖然放射治療是一種有效的癌症治療手段，但唯有透過醫學影像的精確診斷與定位才能夠發揮其最大效能，故「醫學影像」與「放射治療」兩者實相輔相成且缺一不可。其中「醫學影像」技術係透過影像判斷疾病的類型、程度與位置，在療程前可用以瞭解病灶，精確定位放射治療的目標，在療程中亦可藉以觀察或追蹤腫瘤的變化以評估其治療效果；而「放射治療」則使用高能量輻射以摧毀腫瘤細胞或抑制其生長並阻止其向周圍組織擴散。舉例來說：X光、電腦斷層掃描（CT scan）、核磁造影（MRI）即為常見的醫學影像技術；而光子放射治療（可利用X光或伽瑪射線）則是傳統常見的放射治療手段。 然而高能量輻射在摧毀腫瘤細胞的同時，亦會對其周圍健康的正常組織造成傷害。但由於光子束（例如：X光）與物質粒子束（例如：質子束）的物理特性不同，因此質子治療（利用質子束）或重粒子治療（利用碳離子束）之中，高能量的物質粒子射線強度在穿透進入人體組織的臨界深度之後便會急遽地衰減（稱之為「布拉格峰（Bragg Peak）」，請見後文詳述），使物質粒子束的輻射劑量能精準沉積於腫瘤區，進而大幅降低周圍正常組織的照射劑量而降低療程的不適與副作用，達成精準治療的目標。因此，質子束與重粒子束也就成為了放射治療工具多元選項之中，除了傳統光子束以外的另外一種新興的選擇。 自2015年林口長庚醫院啟用第一座質子中心、臺北榮總於2023年成立第一座重粒子癌症治療中心以來，時至本文截稿之日止，臺灣已有6間粒子（質子/碳離子）中心投入營運，使臺灣粒子治療技術蓬勃發展，更讓臺灣成為全球粒子治療人均密度最高的國家之一。以長庚醫院為例（Chao, 2024），其質子中心時至2024年6月已累計治療病人逾7,500人，涵蓋肝癌、肺癌、頭頸癌、小兒腫瘤、乳癌等多種癌症類型，展現其醫療體系臨床與技術的雙重實力。在全球質子醫療快速發展之際，台灣相對密集的質子治療設施布局，已成為亞洲甚至全球注目的焦點。此外，長庚大學於2018年所成立的放射醫學研究中心（Chao, 2024），整合了物理、醫學、工程與化學領域並推動輻射相關研究，使該中心為全臺唯一設有高能質子束實驗平台之研究單位，不僅與太空中心合作開展微電子元件抗輻射測試，更建立輻射標準程序，與國際接軌。此外亦與臨床代謝體核心實驗室合作，探索放射與代謝路徑之交會處，深化輻射化學於診斷與治療中的角色，展現放射化學教育與應用的高度整合。本期邀請臺灣於前述相關領域從事前沿研究之專家學者，撰文闡述並介紹其研究成果以與讀者共享。 本期專題文章簡介 一、《輻射普拉斯》—從歷史觀點談化學、輻射與倫理的融合 本篇文章由趙自強教授撰寫，回顧從倫琴發現X光、居禮夫婦分離出釙與鐳，到現代放射醫學與化學應用的歷程，強調輻射本無好壞，關鍵在於應用的智慧與倫理。普拉斯，也就是「+」符號象徵輻射與各種學科的融合與可能性。此文能啟發讀者反思化學技術背後的社會責任與風險溝通。 二、《質子治療的輻射化學機轉與模擬探索》 卓奕均助理研究員深入介紹質子射束在細胞與水介質中所誘發的自由基反應，涵蓋從能量沉積到奈米尺度化學過程的關鍵機轉，突顯氫氧自由基（·OH）在DNA損傷中所扮演的間接作用角色。同時亦說明金奈米粒子在自由基動力學中的潛在調控效應，以及模擬軟體如 Geant4-DNA 在建構放射化學與生物效應模型中的應用價值，為理解輻射化學與生物損傷間的連結提供了具體而全面的視角，亦是學生學習放射治療相關跨域知識的優良素材。 三、《放射治療調控腫瘤微環境免疫細胞的化學分子機轉介紹》 程俊嘉助理研究員以化學與免疫分子機制的角度，解釋輻射如何經由cGAS-STING路徑活化免疫反應，並探討自由基、細胞激素在腫瘤免疫環境中的功能轉化。這篇文章建立起放射與免疫化學間的教育連結，展現化學在現代腫瘤免疫療法發展中的關鍵地位。 四、《走向個人化精準質子治療：從物理影像到在線生物影像導引》 詹美齡副研究員深入探討Bio-IGRT的應用，說明質子/重粒子治療透過特有的在線生物影像，可在分次治療期間的觀察腫瘤對輻射的反應，並配合個人化治療計劃進行劑量調整。此文介紹先進的質子/重粒子治療在線生物影像技術研發現況，亦比較其與傳統核子醫學利用18F-MISO缺氧顯影劑的差異。 文章內容融合放射影像、生物化學與臨床策略，是跨學科教學與放射化學教育的極佳素材。 五、《超極化碳-13磁振造影：即時代謝可視化技術》 謝憬儀助理研究員介紹如何透過動態核極化技術(DNP)，大幅提升13C磁振影像的靈敏度，進而以丙酮酸等探針觀察體內代謝變化，廣泛應用於腫瘤學與代謝疾病研究。此文連結物理化學、磁振造影與臨床應用，是當代化學教育不可或缺的重要題材。 結語 當年居禮夫人因探索放射性元素而跨越了物理與化學的領域疆界，今日臺灣的質子醫療與放射研究則延續了這份精神，將科學實踐推向了跨領域整合與醫療臨床應用。這五篇文章從輻射化學、免疫、模擬、影像到代謝探針，具體展現了輻射與化學的深度結合，是臺灣多年來持續推動化學教育走向跨域融合與整合應用的另外一個重要示例。 參考資料 Chao, T. C. (2024, Sep 20-22). Particle therapy in Taiwan: Past, current status, and future prospects [Conference […]

「輻射+化學」：輻射普拉斯 趙自強 長庚大學 放射醫學研究中心 Email: chaot@gap.cgu.edu.tw 摘要：本文探討游離輻射在科學與應用領域的多元結合與影響。從居禮夫人與倫琴的開創性研究談起，說明輻射如何成為現代物理、化學與醫學發展的重要推手，進一步延伸至癌症治療、太空科技、動物臨床研究與安全標誌設計等實際應用。輻射本無絕對的好壞，關鍵在於其使用方式與風險管理。透過「+」的觀點，本文強調輻射加上跨領域的整合應用，不僅能帶來創新突破，也具備教學與社會溝通的潛力。文中亦介紹臺灣在質子治療與輻射模擬平台上的進展，展現我國在放射科學與產業應用的實力。輻射是一把雙面刃，既蘊藏風險，也蘊含機會，唯有秉持科學倫理與安全原則，才能善用輻射帶來的正向價值，造福人類社會。 前言 輻射普拉斯這個題目，輻射很好理解，指的是游離輻射，游離輻射是指能量足以將原子或分子游離，也就是把原子中的電子擊出，使其成為自由粒子與正離子的輻射(Lechner, 2018)。常見的游離輻射包括X光、γ射線、α粒子、β粒子、質子、重離子和中子等。由於其具有高能量，游離輻射可與生物組織發生作用，引發細胞損傷或遺傳物質破壞，因此在醫療、核能與科研應用上，必須嚴格控制曝露量並落實防護措施。 普拉斯指的是「+」，此符號常常有一個更好的涵義，例如A+代表比A更好，C++代表比C更好的語言。然而，輻射本身沒有好壞之分，關鍵在於「如何使用」。用得對，它可以用來診斷疾病、治療癌症、保存食品、監測設備、探索宇宙；但若濫用或疏忽管理，則可能造成傷害甚至災難。就像電與火一樣，都是人類生活中不可或缺的能量來源，妥善運用就能造福社會，用錯了就會釀成風險。 因此，本文題目之「+」，並不是指更好的輻射，而是當游離輻射加上一個不同的應用，可能帶來教學研究的機會，或給人類帶來更美好的生活，這些種種源自於游離輻射的發現。 居禮夫人與輻射的發現 瑪麗・居禮（Maria Curie，圖1左）是近代科學史上最具代表性的女性科學家之一，其科研歷程與對輻射的發現對物理、化學與醫學領域產生深遠影響。她於1891年前往法國巴黎就讀索邦大學 (Sorbonne University)，展現卓越的數理能力，並與物理學家皮耶・居禮(Pierre Curie)結為伴侶及研究夥伴(Rockwell, 2003)。1896年，居禮夫婦延續安東尼・亨利・貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel)對鈾放射性的研究，發現天然礦石中存在放射性更強的未知物質。他們透過電荷測量與化學分離實驗，成功分離出兩種新元素：釙(polonium)與鐳(radium)，奠定放射性研究的基礎。1903年，兩人與貝克勒爾共享諾貝爾物理學獎；1911年，瑪麗再度因研究鐳的化學性質獲得諾貝爾化學獎，成為史上首位兩度獲獎者。她的研究不僅揭示原子內部結構的奧秘，也促成放射線在醫學診斷與治療上的應用，對後世科學與社會發展產生重大貢獻。 鐳屬於第2族鹼土金屬，化學性質類似鋇（Ba），具高反應性，能與水劇烈反應產生氫氣與氫氧化鐳。最常見的同位素為Ra-226，半衰期長達1600年，會進行α衰變並產生氣態的氡（Rn），具高度放射性。20世紀初鐳廣泛應用於癌症治療與發光錶面，但由於輻射防護意識不足，造成工人（如「鐳女孩」(Gunderman & Gonda, 2015)）罹患骨癌、貧血等傷害，現已被其他放射源所取代，僅用於科研與歷史教育。 釙是由居禮夫婦於1898年從鈾礦中首次分離出的放射性元素，化學性質與碲（Te）相似。釙最重要的同位素為Po-210，為強烈的α粒子發射源，具有高揮發性與劇毒性，進入人體後會集中於肝臟、骨髓並造成嚴重輻射傷害。雖然Po-210可應用於靜電消除器與太空探測器的微型放射電源，但因其高毒性與放射性風險，目前多用於實驗研究與輻射防護訓練中。 釙與鐳的發現不僅開啟了放射化學的研究，也促進了醫學影像與治療的發展。這兩種元素都屬於天然放射性核種，具有高度學術與教育價值，有助於提升科學素養與風險意識，亦能激發對放射線科技與科學倫理議題的關注。 威廉・倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen，圖1右)更比居禮夫婦早些年發現游離輻射，他是一位德國物理學家，以發現X射線聞名於世。1895年，他在實驗陰極射線管時(圖3左)，偶然發現一種肉眼無法見的「看不見的光」，可穿透紙張與薄金屬，並使螢光屏發亮。他最著名的成果是拍攝了世界上第一張人體X光影像——他妻子手部的骨骼與戒指(圖3右)，這項突破為醫學診斷開啟全新視野。倫琴並未為此發明申請專利，反而開放全球使用，展現其科學家的道德胸懷。他於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在新型輻射研究上的開創性貢獻。倫琴的發現促進了放射物理學、醫學影像與現代診斷學的發展，也奠定後續居禮夫人、貝克勒爾等人對放射性元素研究的基礎。他是一位將實驗觀察與理論推論完美結合的典範，其對科學與人類健康的貢獻影響深遠。 圖1：居里夫人(左)；威廉·倫琴(右) 輻射 + 標誌 現今常見的輻射警告標誌（三葉形符號）源自1946年美國加州大學柏克萊分校的輻射實驗室。當時研究人員為了標示放射性物質的危險性，設計出一個三葉向外擴散的圖樣，象徵放射線自中心源頭發散。最初此標誌採用粉紅色圖案搭配白色底色，因粉紅色在當時顯眼且不易與其他符號混淆。隨著國際標準的建立，現今通用版本改為黃色背景配黑色三葉圖案，更具警示效果。此符號廣泛應用於醫療、核能、工業與太空等領域。 然而，為了更有效傳達「此處有潛在輻射危險」的訊息。讓不同歷史、文化背景的人即便不了解放射線的原理，也能看到符號也能立即意識到風險，2007年國際原子能總署進一步推出補充標誌，加入紅底、骷髏與逃跑人形等圖像，用於高度危險源的容器。放射線標誌不只是科學符號，更體現了風險溝通與安全設計的整合，是核子時代最具代表性的視覺語言之一。 圖2：輻射警告標誌的演進 輻射 + 物理/化學/醫學 自19世紀末放射性被發現以來，輻射成為推動現代科學發展的關鍵力量，廣泛應用於物理、化學與醫學三大領域。在歷屆諾貝爾獎得主的研究成果中，輻射技術不僅展現其基本科學意涵，更反映其對人類健康、能源、材料與生命科學的革命性影響。 威廉・倫琴於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在輻射研究上的開創性貢獻。之後，在物理領域，1903年諾貝爾物理學獎頒給亨利・貝克勒爾與居禮夫婦，肯定他們對天然放射性的發現與量測方法建立，開啟原子物理與核子物理的研究時代。1935年詹姆士・查德威克 (James Chadwick) 因發現中子而獲獎，這一粒子成為核分裂理論與核能應用的基礎。1944年，奧托・哈恩 (Otto Hahn) 的鈾核分裂實驗則促成核能與武器發展，也使人類對輻射風險有了深刻反省。 在化學領域，1911年瑪麗・居禮因成功分離鐳與釙，揭示放射性元素的化學性質，榮獲諾貝爾化學獎。此後的放射化學研究推動了同位素標定技術、核反應合成與新元素的發現。1960年，美國科學家威拉得·法蘭克·利比 (Willard Frank Libby) 因建立碳-14放射性定年法而獲化學獎，為考古與地球科學提供了可靠的年代測定工具。 在醫學與生理學領域，輻射應用改變了人類對健康與疾病的認識與處理方式。1927年赫爾曼・穆勒 (Hermann […]

「輻射+化學」：放射治療有利於臨床免疫療法： 從化學與分子機制探討放射治療如何調控腫瘤微環境的免疫細胞 程俊嘉 長庚大學放射醫學研究中心 Email: cccheng1201@mail.cgu.edu.tw 摘要：放射治療透過造成癌細胞DNA的傷害達到癌症治療的目的，尤其放射治療對於TP53野生型腫瘤具有療效敏感性，臨床上觀察到放射治療可於部份癌症中活化免疫細胞，此現象被稱為免疫「遠端效應」，此現象亦支持臨床上放射治療合併免疫治療進而增加癌病人存活率的結果。然而，那些腫瘤具有放射治療的「遠端效應」目前未知。本文回顧並討論了放射治療驅動免疫活化的潛在機制，包括促使巨噬細胞及T細胞的活化，其中放射治療造成cGAMP及干擾素的產生，尤其對於放射療法具敏感性的TP53野生型癌細胞中，或可誘發巨噬細胞M1抗癌極化，並後續聚集T細胞於腫瘤微環境中，有效將「冷」腫瘤變成「熱」腫瘤，而有利於臨床癌症免疫療法。 前言 放射治療是一種常見的癌症治療方法，在臨床實踐中利用高能量輻射來抑制癌細胞的增殖和存活，目前約有50%的初診癌症患者會接受放射治療，放射治療通常與手術或化療相結合，用以緩解癌症患者的腫瘤(Bradley et al., 2015)。根據癌症的類型和位置，放射治療可以從外部或內部進行，主要機制為透過直接或間接效應破壞癌細胞中的DNA來發揮作用，使癌細胞難以細胞分裂和生長。過去研究顯示放射治療可在部分癌症中活化免疫細胞，此現象被稱為免疫「遠端效應」，然而，那些腫瘤具有放射治療的「遠端效應」目前未知。 因為免疫活性攸關臨床另一新興癌症療法：免疫療法，此技術獲得2018年諾貝爾生理與醫學獎，由美國James Allison博士及日本Tasuku Honjo博士共同獲得，此技術針對免疫檢查哨蛋白分子(immune checkpoints)開發抗體藥物，例如針對programmed cell death protein 1 (PD-1)、programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1)、及cytotoxic T lymphocyte- associated protein 4 (CTLA4)，可於部分癌症病人上持續活化免疫並增進抗癌效果。然而臨床上只有10-30%的癌症病人對這類藥物有顯著療效反應，故找尋能合併及提升免疫療法的其他抗癌技術或藥物就變得很重要。因為放射治療的免疫「遠端效應」，故放射治療被認為具調控免疫力的方法之一，而且在2018年的文獻發現放射治療確實有效提升肺癌病人CTLA4免疫抗癌療效(Formenti et al., 2018)，因此確定放射治療於某些癌症適用於合併臨床免疫療法。本文回顧並討論了放射治療驅動免疫活化的潛在機制，特別是化學分子部分的介紹，並依據過去研究推斷那些腫瘤接受放射治療後會產生「遠端效應」，了解詳細機制後，於臨床端便容易驗證哪些類型的腫瘤將有利於放射治療合併免疫療法。 放射治療損傷DNA及誘發的修復機轉 放射治療可以從外部或內部進行，體外放射治療包括：(1)3D適形放射治療(3D conformal radiation therapy)，主要使用CT掃描和電腦軟體來創建腫瘤的3D 模型，並以此模型引導放射束瞄準癌症部位；(2)調強放射治療 (Intensity-modulated radiation therapy , IMRT)， 是一種使用多種劑量強度不同的放射束對腫瘤施加較高的放射劑量；(3)影像導引放射治療 (Image-guided radiotherapy, IGRT) ，在每次治療前都會先以CT掃描，並以此影像輔助用以對準治療部位，從而實現更精確的放射治療；(4)粒子治療，例如採用質子的放射療法，質子放射線具有布拉格尖峰（Bragg peak），可以於腫瘤深處傳遞高能輻射劑量，並減少對表層健康組織的輻射劑量，為目前有效治療癌症方法之一；(5)立體定位放射治療 (SBRT)，例如伽瑪刀手術，使用高劑量的聚焦放射線來摧毀腫瘤。而體內放射治療包括：(1)將固體放射源植入腫瘤內部或旁邊，此輻射源會向小區域釋放輻射以殺死癌細胞；(2)將液態放射性物質送入血液，全身性尋找並摧毀癌細胞，例如放射免疫療法。而介紹那麼多放射技術，其主要目的皆為有效地破壞腫瘤細胞的DNA，以抑制腫瘤細胞生長及複製。 目前已經很清楚知道放射線可以抑制腫瘤細胞生長，主要是破壞腫瘤細胞核內DNA的完整性，其過程可分成直接及間接效應，直接效應便是放射線直接攻擊細胞雙股DNA，這部分因放射線種類不同而有所差異；臨床常用的高能X光較易穿透人體組織，比較無法直接攻擊DNA，故X光所造成的DNA損傷主要由間接效應的自由基所造成的，例如放射線使水分子產生的OH自由基。而粒子治療，例如質子治療帶有正電，因粒徑較大，故可同時直接及間接造成DNA損傷。而DNA損傷包括幾類，其中DNA斷裂(double strand […]

「輻射+化學」：質子治療的輻射化學機轉與模擬探索： 從能量沉積到奈米尺度自由基反應 卓奕均 長庚大學 放射醫學研究中心 Email: iccho@mail.cgu.edu.tw 摘要：質子治療因具備獨特的深度劑量分佈特性，能將高劑量精準集中於腫瘤區域，同時有效降低正常組織的輻射暴露，已成為國內放射腫瘤治療的重要技術之一。本文深入探討質子束進入生物體後所引發的一系列輻射化學反應過程，起始於皮秒等級的能量沉積與游離事件，進而引發水分子輻射分解，產生如氫氧離子（·OH）與水合電子（e⁻aq）等具生物活性的自由基，最終導致DNA結構損傷。相較於傳統光子射束，質子屬於中高線性能量轉移（LET）粒子，所誘發的自由基密度更高、擴散範圍更集中，因此具更強的生物破壞能力。文中亦介紹金奈米粒子於質子治療中對自由基生成與傳遞路徑的調控潛力，並指出模擬工具如Geant4-DNA在跨尺度建構放射化學反應模型方面的重要價值，有助於提升我們對奈米尺度放射效應的理解。 前言 自2015年臺灣首座臨床質子治療設施啟用以來，國內在粒子治療領域的發展迅速進展，迄今已成為全球質子治療密度最高的地區之一。事實上，臺灣早在1990年代即展開質子治療技術的政策規劃與可行性評估，但直至21世紀第二個十年，方正式邁入臨床應用階段。2015年，林口長庚紀念醫院率先設立國內第一座質子治療中心，標誌臺灣質子治療臨床時代的開啟。隨後，北、中、南部多家醫學中心陸續投入設置與營運，逐步建構出區域均衡的粒子治療網絡。截至2023年底，衛生福利部已核准15家醫療機構設置粒子治療中心，涵蓋22間質子治療室與8間重粒子治療室。若全數投入運轉，臺灣將達到平均每150萬人即擁有一座粒子治療中心的水準，位居世界之首。 質子治療的概念最早可追溯至1946年，當時美國物理學家Wilson 在《Radiology》期刊中首次提出，質子射束獨特的深度劑量分布特性，能在腫瘤內集中沉積能量、同時最大限度地保護周邊正常組織，此即為今日臨床應用所倚賴的「布拉格峰（Bragg peak）」原理 (Wilson, 1946)。然而，受限於當時加速器技術的可近性與成本，能產生高能質子束的設施多集中於國家級高能物理實驗室，使這項構想在相當長的時間內僅止於理論層面。質子治療的首次臨床應用始於1954年，美國加州勞倫斯柏克萊實驗室（Lawrence Berkeley Laboratory）以340 MeV質子束進行腦下垂體照射，用於治療26位乳癌患者 (Lawrence, 1957; Tobias et al., 1955)。該計畫由 Tobias 與 Lawrence 領導，開啟了質子應用於人體放射治療的先河。儘管早期治療目標並非腫瘤本體，而是透過內分泌調控來間接干預腫瘤進展，但其技術與生物學基礎為後續發展奠定了關鍵起點。真正促成質子治療由實驗走向臨床的關鍵轉折，發生於1990年。當年，美國加州 Loma Linda University Medical Center 建立全球首座設於醫院內、專為腫瘤放射治療設計的質子治療中心，標誌質子治療進入制度化與常規臨床應用的新紀元(Slater et al., 1992)。此後，日本筑波大學、德國海德堡離子治療中心（HIT）、瑞士 Paul Scherrer Institute 等地也陸續設置臨床質子設施，推動質子治療由實驗走向成熟應用。進入21世紀，質子治療技術持續精進，不僅加速器設備更為小型化，亦整合多方向旋轉機械臂（gantry）、影像導引系統（IGRT）、以及強度調控質子治療技術（IMPT），使其逐漸成為實用且可規模化部署的癌症治療選項。根據 Particle Therapy Co-Operative Group（PTCOG）統計，截至2023年，全球已有超過120座質子治療中心投入營運，累計治療人次已超過35萬人(Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG), 2025)。 質子治療的物理劑量沉積機制 質子治療最具代表性的物理優勢，在於其獨特的深度劑量分布特性。與傳統 X 光（光子）治療所呈現的指數式能量衰減不同，質子束在穿透物質（如人體組織）時，其能量沉積曲線具明顯的非線性特徵，並在射程終點產生一個尖銳的布拉格峰（Bragg Peak）。此現象代表質子於穿透初期僅緩慢損失能量，當其速度逐漸降低至接近終點時，單位距離內的能量沉積（即線性能量轉移，Linear […]

「輻射+化學」：個人化精準質子治療新視野： 從物理影像到在線生物影像導引 詹美齡 長庚大學 放射醫學研究中心 Email: mljan@mail.cgu.edu.tw 摘要：相較於傳統依賴物理影像提供幾何資訊作為適應性放射治療的參考，先進的在線生物影像開啟了質子/重粒子治療嶄新的視野。透過分次治療過程中即時取得的生物影像資訊，可掌握腫瘤對輻射的反應，進而調整治療策略，實現更精準且個人化的治療優化。 不同於傳統需注射顯影劑的分子影像，在線生物影像訊號來源為質子或重粒子治療過程中自然產生的正子發射核，由於無需額外注射顯影劑，該技術特別適合應用於治療期間的即時動態造影。目前，應用於導引質子／重粒子治療的在線生物影像技術仍處於臨床前研究階段。本文將介紹先進在線生物影像技術及其導引適應性質子/重粒子治療的應用前景、該技術所面臨的挑戰、國際研發現況、本實驗室在質子治療領域的最新研究進展，以及未來趨勢展望等。 前言 放射治療是用高能量的輻射線來殺死癌細胞或抑制癌細胞生長的一種治療方法。它是癌症治療中很重要的一種方式，常常跟手術、化學治療一起搭配使用。放射治療是給予腫瘤一定的輻射能量，以直接或間接方式造成細胞傷害，引起後續的生物效應。放射治療的核心目標是精準地將足夠高的輻射劑量照射於腫瘤上，最大限度地消滅癌細胞以達到治療效果；同時，在治療過程中，限制正常器官所承受的輻射量，最大程度保護周圍正常組織與重要器官，降低副作用。因此，放射治療仰賴非侵入式的影像技術，例如電腦斷層掃描（Computed Tomography, CT）或是磁振造影（Magnetic Resonance Imaging, MRI），來精確定位並制定治療計劃。 現行的放射治療設計主要藉由影像提供的實體腫瘤位置與體積GTV (gross tumor volume）為基礎(ICRU report 62)，考慮腫瘤及腫瘤可能侵犯的範圍(在影像看不到的腫瘤細胞微小擴散部分)，進一步擴大成臨床靶區（Clinical Target Volume, CTV）。再進一步考量治療過程中病人器官運動(例如呼吸、尺寸與形狀變化)及病人擺位或治療儀器設備誤差等，於CTV外加上適當緩衝區域，形成計畫靶區PTV（planning target volume，PTV），以確保放射劑量能完整覆蓋腫瘤目標。上述GTV、CTV和PTV間的關係如圖1所示。根據現有放射治療常規，治療計劃處方劑量著重於對PTV的完整包覆度、劑量均勻度與危急器官保護能力。在此所謂的劑量均勻度，是期望PTV內的處方劑量分佈均勻，保證靶區接受足夠劑量的照射，避免有過高（熱點）或不足（冷點）劑量的出現，以確保治療效果並減少副作用。 由於上述需求，現階段使用的影像技術以提供物理資訊(例如腫瘤位置、體積大小等)為主。 由影像GTV往外擴的CTV和PTV範圍是根據患者的群體統計數據及臨床經驗設定的，在PTV、CTV範圍於治療期間不改變的假設下，治療前制定的治療計劃可以在整個治療過程沿用。但如若實際考量每個病患對治療的反應，則應根據病患的個體差異做調整。治療計劃的CTV和PTV是依據治療前的腫瘤大小及其在病患體內的位置、病人體型等而設計，但隨著治療過程的演變，在治療期間預期接受治療的靶區可能已經變形到原定PTV範圍以外；或是因腫瘤的消融使得原定PTV照射範圍太大，造成正常器官受到高劑量傷害。而影像導引放射治療(image-guided radiation therapy, IGRT)在治療期間監測腫瘤體積或位置的GTV變化，使CTV和PTV可根據每位患者腫瘤對輻射的響應情況做不同因應，以提升放射治療的精準度。這種根據患者實際照射情況，在腫瘤與正常組織的外形體積，甚至體型等的變化，可能對原本治療計劃的劑量分佈產生不可忽視的影響時，即因應進行治療計劃調整，以使輻射能更精準照射於腫瘤內，以增加腫瘤控制率並降低正常組織的副作用，此稱為適應性放射治療(adaptive radiotherapy)。 圖1 放射治療的靶區定義(引自ICRU report 62) 目前臨床常規IGRT以提供物理資訊的解剖性影像儀器為主。採用MV級或KV級的錐形射束cone-beam CT (CBCT)最為常見。然而，CBCT因有增加額外的輻射劑量，以及軟組織分辨解析度低(不易分辨腫瘤和正常組織，尤其是神經、肌肉等軟組織的結構)等缺點，因此MRI影像導引放射治療在近期亦見應用於臨床實務中。MRI因具有較CBCT較佳的軟組織分辨能力，在IGRT應用上具有精準擺位、靶區運動管理、無額外游離輻射劑量等優點。不過MRI有掃描需時長，可能影響醫院每日治療病患流通量的缺點。 生物影像導引個人化適應性放射治療 隨著精準醫學(precision medicine)、個人化醫療(personalized medicine)的蓬勃發展，放射治療也步入了精準放療時代。無論是新興質子/重粒子治療，還是傳統的光子治療，如何精準掌握治療靶區的劑量、提升腫瘤控制率，始終是放射治療領域的重要研究課題。精準放療的實現有三個主要步驟：精準的腫瘤靶區識別、精準的治療計劃設計、以及精準的治療計劃實施，影像技術在在以上步驟的實施中有至關重要的作用。理想的適應性放射治療除考量治療期間每位患者腫瘤及周圍正常組織的物理性變化(腫瘤體積變化)外，也考慮患者對游離輻射的生物響應(biological response)，特別是腫瘤的缺氧(hypoxia)狀態，如圖2所示。 圖2 先進個人化適應性放射治療之流程。治療期間利用Bio-IGRT監測病患的治療反應(例如腫瘤缺氧狀態)，回饋作為調整劑量參考，以獲得最佳的治療成效(引自Gregoire et al., 2020)。 根據基礎放射生物學，給予腫瘤一定的輻射劑量，將以直接或間接方式造成細胞傷害並引起後續的生物效應。輻射照射引起的自由基與氧氣反應後產生更多不穩定的過氧化物(peroxide)與超氧化物(superoxide)將會對細胞中的 DNA、蛋白質等分子造成傷害。腫瘤在缺氧的環境下，由於缺乏足夠的分子氧參與自由基反應，相同劑量的輻射所誘導的氧化損傷相對減少，因此降低輻射對腫瘤細胞的殺傷效果。換言之，缺氧狀態下的腫瘤細胞對輻射治療的敏感度下降，產生所謂的「輻射抗性」(radioresistance）。因此，缺氧的腫瘤細胞往往需要更高的放射劑量，根據文獻，約為正常氧氣狀況下的2.5至3倍，才能達到相同的治療效果(Sorensen et al., 2020; […]

「輻射+化學」：超極化碳-13磁振造影： 即時代謝可視化技術 謝憬儀1,2 1長庚大學放射醫學研究中心;2林口長庚醫院臨床代謝體核心實驗室 Email: chsieh2016@mail.cgu.edu.tw   摘要：超極化核磁技術 (MR) 為克服傳統磁振光譜與影像在靈敏度上的限制，特別是在探測低伽瑪非氫核種；如碳-13(13C)時，提供了革新性的解決方案。透過溶解動態核極化 (dissolution dynamic nuclear polarization, DNP) 技術大幅提升碳-13極化程度，超極化技術使體內的生化反應與代謝途徑等非侵入性即時觀測成為可能。其中，超極化[1-¹³C]丙酮酸作為關鍵分子探針，能夠清晰地將醣解（乳酸生成）及氧化代謝（碳酸氫鹽生成）相關的代謝流動可視化。本文綜述液態DNP的原理，並探討超極化丙酮酸及其它探針在代謝活性相關的應用，進一步強調該技術於生物醫學研究，特別是腫瘤學領域的潛力，為新型診斷方法及治療監測策略開啟嶄新契機。 前言 在臨床上核磁共振（MR）是一種常見的分析技術；例如在核磁共振光譜（NMR）中利用化學位移（Chemical Shift）機制，分辨樣品中含有的化學物，以及在磁振造影（MRI）中提供的非侵入性成像，這些功能讓它在化學與醫學領域中備受重視。然而，核磁共振有一大根本性限制在於其靈敏度相對較低，特別是在觀測高含量質子 (¹H) 之外的核種時。雖然 ¹H MRI 因生物組織中高含量的水而能提供優異的解剖細節，但要探測特定代謝途徑，往往需要偵測如 ¹³C 等較稀有的核種。傳統的 ¹³C MR 由於 ¹³C 核的天然含量僅百分之 1.1，且迴旋磁比 (gyromagnetic ratio) 低，導致信號微弱，需要較長的採集時間，並限制了空間與時間分辨率 (Brindle et al., 2011)。這對於追蹤動體內態代謝過程並觀察低濃度的中間產物造成了阻礙。 而超極化技術的出現徹底改變了這一局面。超極化能將目標分子的核自旋極化提升 4 至 5 個數量級（即 10⁴–10⁵ 倍），大幅超越熱平衡狀態 (Comment et al., 2014)。這種巨大但暫時性的信號增強，為利用 ¹³C 核磁共振光譜（MRS）檢測低濃度代謝物並實時觀察其生化轉化提供了所需的靈敏度。如此一來，我們便能在完整器官與生物體中，以非侵入式方式探測酶活性、代謝通量及生理狀態 (Golman et al., […]

自製常用的黏合劑並測試其黏合效果 楊水平 國立彰化師範大學化學系 yangsp@cc.ncue.edu.tw 摘要：本文介紹三種適合學生自行製作的黏合劑（白色漿糊、甜味膠水及透明膠水）並測試其黏合效果。這些黏合劑的製作過程簡單，材料取得容易且安全，適合在家中或學校進行。本實驗設計特色包括：變更傳統黏合劑的配方，鼓勵學生動手實作；使用家用產品，材料方便取得；操作過程簡易且低危險性，包括初步混合、間接加熱及趁熱攪拌三大步驟；透過加熱和攪拌，加速聚合物的溶解速率；讓學生體驗製作生活用品的樂趣；提供教學指引，呼應自然科學領域的學習重點；並提供課堂討論及延伸探究與實作的問題，激發學生求知求解的學習動機。 簡介 你曾經使用漿糊和透明膠水黏貼紙張嗎？你用過口水沾濕郵票再貼在信封上嗎？你知道漿糊和透明膠水及郵票黏合劑如何製作嗎？本文描述三種黏合劑的製作方法和過程，提供給國小、國中及高中教師的教學參考，作為學生自製黏合劑的動手做教材。製作黏合劑有三種：(1)白色漿糊（使用玉米粉和水），(2)甜味膠水（使用玉米粉、蔗糖、阿拉伯膠粉及水），以及(3)透明膠水（使用聚乙烯醇和水）；並以定性和定量測試方式，比較這三種自製黏合劑和兩種市售黏合劑對紙張和木材的黏合效果，定性測試適用於國小，而定性和定量測試適用於國高中。 本文的實驗設計特色為：(1)變更三種傳統黏合劑的配方和製作方式，有助於學生親自動手做；(2)製作三種黏合劑均為結合日常生活的家庭實驗，幾乎使用家用產品，方便在五金百貨賣場、書局文具行、食品材料行、超市、藥局及網路商店（阿拉伯膠和聚乙烯醇）等處購得，而且使用的家用產品具低危險性；(3)這些家庭實驗的操作過程簡易不複雜，分為三大步驟進行：初步混合、間接加熱及趁熱攪拌，方便在家中或在學校的教室或實驗室進行；(4)以加熱和攪拌方式，加速聚合物的溶解速率，縮短製作的時間；(5)讓學生親自感受動手製作生活用品的樂趣；(6)作者提供教學取向的資料，包括呼應自然科領域綱要的學習表現和學習內容以及教學指引，作為教師教學設計的參考；以及(7)提供一些課室討論的問題和延伸探究與實作的問題，激發學生進一步求知求解的學習動機。 藥品與器材 一、製作黏合劑 玉米粉 13公克/組、蔗糖 30公克/組、阿拉伯膠粉 2公克/組、聚乙烯醇（細顆粒） 15公克/組、冰棒棍 4支/組、有把手小鋼杯（約200毫升） 3個/組、廚房用量杯（100或200毫升） 1個/組、廚房用量匙（1套有4支） 4套/班（或直接使用攜帶型電子秤稱重）、廚房用溫度計（數位） 6支/班、電磁爐 2台/班、不鏽鋼大水盤 2個/班、不鏽鋼水壺（1.0-2.0公升） 1個/班、不鏽鋼杯（0.6-1.0公升） 1個/班、自來水（裝在保特瓶中） 100毫升/組、工作手套 1雙/組、滴管（3毫升） 1支/組、防腐劑（如2%苯甲酸鈉溶液） 200毫升/班、衛生紙 1包/組，如圖1所示。 圖1：製作黏合劑需用器材、材料和藥品（左）；加熱裝置和不鏽鋼具（中和右） 二、測試黏合劑的黏合效果 市售透明膠水 1瓶/組、自製透明膠 少量/組、自製甜味膠水 少量/組、自製白色漿糊 少量/組、市售白色漿糊 1瓶/組、影印紙（A4） 1張/組、冰棒棍 18支/組、吹風機 3支/班、電線延長線 3條/班、長尾夾（No. 224或No. 225） 20支/組、直尺 1支/組、原子筆（或鉛筆） 1支/組、迷你螺絲起子盒（6支） 1盒/組、橡皮筋 15條/組、衛生紙 2張/組、數位電子拉力秤（行李秤） 1台/2組、支撐架（如雙A鋁梯） 1座/2組、粗塑膠線（或粗棉線） 1條/2組、S型金屬掛勾 1個/2組、粗木棍（直徑或邊寬約2.0-2.5公分）、1根/2組，如圖2所示。 圖2：測試黏合劑的黏合效果需用器材和材料，定性比較用（左）；定量比較用（中和右） 實驗步驟 […]

過碳酸鈉取代雙氧水產生氧氣於國小製造氧氣實驗之可行性探討 周佳誼、周欣誼、何家齊* 國立中科實驗高級中學 Email: justsayhi@nehs.tc.edu.tw 摘要：本研究旨在為國中小學設計一種更安全、快速的製氧實驗，以取代具腐蝕性的雙氧水。文章探討使用俗稱「固體雙氧水」的過碳酸鈉。實驗結果顯示，過碳酸鈉在水中會釋放過氧化氫並呈鹼性，促進氧氣生成。製氧效率受水量影響，1克過碳酸鈉搭配15毫升水反應速率最快。提高水溫能顯著加速產氧量。雖然金針菇催化效果最佳，但其保存不易且在高溫下效用降低。綜合考量，建議學校實驗採用溫熱水(約60℃)搭配易取得且可重複使用的銅片(如壹圓硬幣)加速氧氣生成。此組合能在15分鐘內產生超過500毫升氧氣，足夠學校實驗教學使用，且比傳統雙氧水實驗更安全便捷，具推廣潛力。 前言 在小學自然課程中，製造氧氣是利用雙氧水加胡蘿蔔或金針菇，在國中則是利用雙氧水加二氧化錳。雙氧水是中小學化學實驗製造氧氣所使用的主要藥品之一，但高濃度的雙氧水具腐蝕性，若不慎直接接觸，會引致皮膚出現化學灼傷；低濃度雙氧水產生氧氣的速率很慢，不利氧氣的收集。我們在實驗器材藥品室中找到一瓶尚未過期的15%雙氧水，瓶身已經明顯膨脹變形，應該是在實驗室保存過程中持續分解出氧氣造成瓶子的壓力變大所導致。我們當時僅只是打開雙氧水瓶蓋動作，就發現手指頭皮膚有被腐蝕的痕跡，推測應該長期存放在實驗室，瓶蓋處有雙氧水揮發滲漏的情形。這讓我們思考是否能使用簡單安全藥品取代雙氧水，且實驗藥品容易保存，以此為出發點，試著重新設計出適合在國中小製造氧氣的實驗。基於安全性考量，我們的研究想要找出一個方便、快速、安全的方法來製造氧氣方法，以取代原本課本使用液態雙氧水製造氧氣的實驗設計，我們查詢文獻後發現在日常生活中常被用作清潔劑的過碳酸鈉，具有去污、漂白與抗菌等功能，因其可釋放出氧氣，有人稱其為「固體雙氧水」。本研究將進一步探討過碳酸鈉分解產生氧氣的速率，以評估其應用潛力與最佳反應條件。 過碳酸鈉性質介紹 過碳酸鈉（Sodium percarbonate）又稱過氧碳酸鈉或過氧化碳酸鈉水合物（sodium carbonate peroxyhydrate），俗稱「固體雙氧水」，是碳酸鈉與過氧化氫形成的加成物(adduct)。其實驗式為：2Na₂CO₃·3H₂O₂（式量為 314 g/mol），外觀為白色無味的顆粒狀粉末，屬無機鹽，溶於水後會釋放出碳酸鈉與過氧化氫，呈鹼性，具有氧化性。反應式如下： 2Na2CO3·3H2O2 → 3H2O2 + 4Na+ + 2CO32- 2H2O2 → 2H2O + O2 Dideriksen（2007）指出，過碳酸鈉在室溫下雖具有一定穩定性，但仍須注意保存條件，以避免分解或降低活性。首先，應置於乾燥環境中，因為受潮會加速其分解，釋放出過氧化氫與氧氣；其次，需避免光照，特別是強光與紫外線，因其可能促進過氧化氫的分解；此外，應使用密封容器保存，以防吸濕並避免與空氣中的水氣或二氧化碳接觸；最後，也應避免高溫環境，因為溫度升高會顯著加快其分解速率。總而言之，妥善的保存條件有助於維持過碳酸鈉的穩定性與功效。 我們測試室溫下過碳酸鈉加水後，其水溫與pH值之變化。於室溫下，將0克（對照組）、10克與20克過碳酸鈉分別加入100mL去離子水中，並於30分鐘內每10分鐘測量溫度與pH值。實驗後發現溫度變化不大與室溫(25℃) 相近，pH值方面，對照組在30分鐘後的pH為8.25；加入10克過碳酸鈉的溶液pH為10.45；加入20克者則為10.42。由此可見，過碳酸鈉加水後會使水溶液明顯鹼化，顯示其分解產生的碳酸鈉具有鹼性特性。 相同重量過碳酸鈉加不同水量產生氧氣量的比較 本研究探討在25℃下，相同質量（1公克）的過碳酸鈉，在不同水量條件下反應24小時後的氧氣產生差異(如圖1)。根據化學計算，1公克過碳酸鈉理論上可完全分解產生約0.00560莫耳的氧氣，換算為標準狀況下約137.13毫升。但實驗結果顯示，實際產生的氧氣量明顯低於理論值。在此實驗設計中，我們將1公克過碳酸鈉分別加入10 mL、100 mL與250 mL的水中，並以排水集氣法觀察其氧氣產生狀況。實驗中使用充滿水的量筒倒置於水槽中，可清楚觀察並測量產生的氧氣量。此外，三組條件同時進行，有助於提升對控制變因的掌握與比較的準確性。結果發現，水量越少氧氣的反應速率與產量皆越高，其中加水10 mL的實驗產氧最明顯(表1與圖2)。這是因為水量少時， 1克碳酸鈉加入10 mL水之溶液pH值較加入100 mL與250 mL之水量更大，形成鹼性更強的溶液。此趨勢與過碳酸鈉溶於水後所形成的鹼性環境有關，因其釋放的碳酸鈉（Na₂CO₃）使溶液pH升高，而過氧化氫（H₂O₂）在鹼性環境中分解速率加快，進而促進氧氣釋放。儘管理論上相同質量的過碳酸鈉應產生相同體積的氧氣，實驗卻顯示水量會影響產生氧氣反應速率與24小時後產生氧氣量，說明水量亦為影響的變因。綜合上述實驗結果可知，水量愈少，產氧效率愈高，可能與鹼性強度提升有關，未來可進一步探討在更少水量條件下（如5 mL或更少）是否能進一步提升氧氣產生效果。 圖1  過碳酸鈉1公克的與10mL、100mL、250mL水量產生氧氣實驗裝置正面與背面照片 表1  1公克的過碳酸鈉加入不同水量條件下產生氧氣的理論與實際數據比較 水量 理論量產生氧氣量 24小時後 實驗測量氧氣量 氧氣產生率% 10mL 137.13 112 81.68% 100mL […]