化學教育的多元發展與應用： 化學與生活多面向的化學應用  洪文東 華夏科際整合聯合總會常務監事 前國立屏東教育大學化學與生物學系教授 前美和科技大學護理系教授 前國家科學委員會副研究員 hung3893@yahoo.com.tw 摘要：本文以「食、衣、住、行、環境」五大面向為主軸，闡述化學在日常生活中的廣泛應用及其教育意義。於「食」部分探討食品化學在品質、安全與風味控制之核心角色，並以梅納反應為例說明其機制與健康影響；「衣」則剖析纖維材料、染整技術與綠色化學於紡織產業中的創新與永續實踐；「住」著重居家化學品的功能與風險管理，強調安全使用與政策規範的重要性；「行」聚焦交通工具中材料化學與能源科技的進步，包括金屬加工、防腐塗裝及新能源應用；「環境」則探討環境化學於污染防治、資源回收及綠色產品研發之關鍵價值。本文強調，化學並非僅存於實驗室，而是深植於人類生活的方方面面，透過跨領域結合與實例解析，不僅有助於增進科學素養與批判思維，亦能促進永續發展意識之養成，為化學教育與公眾科學理解提供兼具實務性與啟發性的參考資源。 前言 化學與我們的日常生活息息相關，從清晨起床使用的牙膏與肥皂，到夜晚所用的洗潔劑與保養品，無不蘊含著化學的智慧與技術。然而，化學常被誤認為僅存在於實驗室中，與日常生活脫節。這樣的刻板印象容易造成學習隔閡，影響大眾對化學的接受度與學習動機。為了彌補這一認知落差，本文將透過五大生活面向——「食、衣、住、行、環境」——介紹化學在日常生活中的具體應用，並透過文字解析與實例說明，提供教學者與學習者一條深入探索化學世界的實用途徑。這些內容不僅具實用性與時代性，亦能作為課堂教學的補充資源，或用於提升民眾科學素養的推廣素材。 食：食品化學與風味的奧秘 食品化學與風味的奧秘 食品是人類生存的根本，而化學則是確保其品質、安全與風味的關鍵科學，一般家庭中，柴米油鹽醬醋茶，從生產、使用到保存，幾乎都和化學相關，如圖1所示，在廚房的許多食品或調味料均與化學相關。食品化學探討各類食品成分，如蛋白質、脂肪、醣類與水分的性質與相互作用，並分析食品在製備、烹調與儲存過程中的變化機制。舉例來說，油脂氧化導致的哈味或蛋白質變性影響口感，皆是常見且可觀察的化學現象。透過學習酸鹼中和、氧化還原反應與乳化原理等基礎知識，大眾能掌握食物在不同處理條件下產生的變化，進而應用於食品保存與食品安全實務。 此外，食品風味化學進一步揭示嗅覺與味覺所感受到的複雜經驗背後的分子基礎。例如烘焙與煎煮過程中的「梅納反應」（Maillard Reaction），即還原糖與胺基酸在高溫下產生的褐變現象與香氣，是賦予食物美味的關鍵反應。有研究指出，梅納反應的產物（MRPs）能提升食品的風味與質地，但也可能生成潛在有害物質，因此控制反應條件至關重要（T. T. H. Huynh et al., 2024）。藉由此類實例，學習者不僅能將日常飲食經驗轉化為可分析的化學現象，也能深化對食品加工與創新料理的理解，提升學習的實用性與趣味性。 衣：纖維與染料的化學應用 衣物雖為日常所需，卻同時是材料化學與工業化學進步的結晶。現代服飾廣泛使用人造纖維，如尼龍與聚酯纖維，這些材料具備輕盈、耐磨與速乾等特性，並能透過化學改質提升其功能性。然而，這些纖維的製程常伴隨高耗能與石化資源的依賴，對水體與空氣品質的衝擊亦不容忽視。透過這些現象，大眾可進一步思考時尚產業背後的環境責任問題，並以綠色化學為切入點，理解永續設計與生產的重要性。 近年智慧紡織品的發展為此領域帶來更多創新應用，如抗紫外線纖維、防潑水塗層與可調溫材料，皆顯示化學在提升穿著品質與功能性上的關鍵角色。在衣物加工層面，染料、抗菌處理與功能性整理等技術亦高度仰賴化學反應與配方設計。透過認識染整與整理的化學過程，民眾不僅能理解衣物色彩與觸感的來源，也能對材料改質技術產生具體想像，進一步將學科知識延伸至工業應用與科技創新層面。一項針對棉纖維染色技術的研究顯示，透過化學改質可顯著提升染料的染色率與色牢度，同時減少傳統染色過程中所需的無機鹽，進而降低污染與生產成本（Li et al., 2023）。此類學習內容不僅有助於理解材料特性，也有助於培養跨領域科技整合的初步素養。 住：居家化學與安全守護 家庭空間看似平凡，實則是多種化學物質交錯使用的複合場域。清潔劑、消毒用品、廚房器具乃至個人保養品，如圖2所示。還有，潤滑油、沙發皮革保養液、塑鋼土、填縫劑、矽利康，如圖3所示，均為合成化學與應用化學的成品。然而若未妥善使用與管理，也可能衍生安全風險。例如：不同種類清潔劑混合所產生的有毒氣體、瓦斯洩漏引發的燃爆危機，以及誤用酸鹼物質造成的灼傷等，皆為民眾在居家化學教育中應具備的基礎風險認識。教學上可強調避免混用、正確通風與保留原包裝等觀念，進一步納入自然科或綜合課程中，提升民眾的風險意識與自我保護能力。 若從制度與政策層面探討居家化學品的管理制度，民眾應更關注產品標示、有害物質登錄與安全資料表的閱讀與應用。透過這樣的延伸學習，民眾能理解化學品並非僅限於學術研究或工業生產，更是與公眾健康、消費行為及政府監理密切相關的生活議題，進而奠定化學素養與公民責任的整合基礎。 行：交通與材料化學的創新力量 交通工具所依賴的材料科學發展，金屬鍵結、晶格排列是化學應用的一大展現，金屬經過特殊加工後展現柔性與延展性，可應用於不同的交通工具構件製作，此外，燃料與電池亦是影響未來交通的重要技術，先進能源的製程是材料工程與化學設計融合的典範。此技術使得人類生活移動的便利性大大提高。一般民眾或許未曾深入思考，一輛車的運作不僅仰賴機械結構，更與背後的化學知識息息相關。從引擎燃燒過程中的化學反應、車體塗裝的防腐技術，到鋰電池中的電化學原理，皆顯示化學在交通工具中的不可或缺。近年來，電動車、氫能車的崛起，更進一步帶動了對高效能電池材料與環保燃料的需求。這些發展促使化學與材料科學攜手合作，共同創造出更輕盈、更堅固且更永續的交通工具。未來，隨著科技進步與永續意識提升，交通化學的創新將持續引領我們走向更智慧、更綠色的移動時代。 環境：永續化學與生態守護 環境化學作為化學與生態學的交會領域，提供了一個系統性理解環境污染成因與防治方法的知識架構。水質檢測、空氣污染指標與有害化學物質的代謝機制等，皆為此領域研究重點。透過具體案例與理論整合，民眾可從居住環境著手，辨識問題來源並分析其環境行為，進一步學習如何透過化學反應、吸附技術或光催化分解等方式進行污染治理。這些學習不僅增進對化學反應機制的掌握，也有助於培養民眾面對全球環境挑戰時所需的批判思維與解決能力。 化學與環境工程的結合，如廢水處理、空氣淨化與土壤修復等實務應用，展現了理論與技術之間的轉化歷程。例如，有研究探討如何應用「綠色化學」原則於消費性產品，開發更具永續性、對環境無害的化學物質，從源頭減少污染 (De Souza et al., 2024)。這些跨領域實踐不僅強化民眾對環境問題的敏感度，更有助於他們理解科學知識如何在現實世界中發揮影響力，進而形塑其對永續發展議題的關注與行動力。 結語：生活即化學，化學即生活 本文透過食、衣、住、行、環境五大面向的串聯分析，本文嘗試揭示化學與日常生活之間的密切關聯，並展現其在實務應用上的廣泛性與教育潛力。藉由具體實例的說明與跨領域的延伸，民眾不僅能深化對化學概念的理解，更能將所學知識轉化為解決生活問題的工具。本文同時建議搭配使用相關教學影片與延伸資源，以作為課堂補充、專題探究或課後自學之用。期望藉由生活化與實作導向的教學策略，為化學教育注入更多實踐性與創新性，進一步培養兼具問題解決能力與科學素養的學習者。 圖1 化學相關食物與調味品   圖2 清潔用品化學用品      圖3 房屋修繕化學用品 參考文獻 Huynh, T. T. H., Nguyen, […]

「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., […]

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 […]

二氧化碳教學探究：連結溫室效應、氣體行為與碳封存的環境教育實踐 周金城 國立臺北教育大學自然科學教育學系 Email:ccchou62@tea.ntue.edu.tw 前言 面對全球氣候變遷的挑戰，環境教育已成為培養下一代氣候意識與永續行動力的重要關鍵。環境教育必須向下扎根，當小學生能夠有環境意識並建立正確的環境概念，當他們成為未來公民，才能對環境永續產生對應的行動。本期專題彙整四篇以「二氧化碳」為核心的教學研究文章，分別從溫室效應實驗、氣體性質探索、洩漏偵測技術到自然碳匯概念，呈現中小學科學教育在推動氣候素養與科學探究上的多元樣貌。 專題文章介紹 第一篇文章〈藍碳生態系的潛力與挑戰：從碳埋藏到甲烷排放〉是由中央大學莊佩娟教授所撰，從自然碳匯的角度切入，介紹紅樹林、海草床與鹽沼等藍碳生態系的碳封存能力與潛在環境風險，引導學生思考自然解方（nature-based solutions）在因應氣候危機中的角色與挑戰。大自然的碳循環原本就會具有自我平衡的能力，但是因為人為活動讓這個平衡被破壞，當平衡被影響的某個程度就有可能導致自然無法再自我平衡，這是最需要關注的地方。 承接自然碳匯的系統觀，第二篇文章〈氣候變遷與環境教育：二氧化碳的溫室效應實驗探究〉是由新北市國光國小張詩敏老師所撰，則將焦點轉向溫室氣體本身的加熱效應。文章以簡易實驗操作讓學生觀察不同氣體在日照下的溫度變化，透過數據佐證二氧化碳作為溫室氣體的加熱效應，幫助學生建立氣候變遷與碳排放的概念，並引導其理解淨零排放與CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)等現代碳管理技術。透過此類活動，學生不僅能學會設計對照實驗與紀錄資料，也能具體體會科學如何回應當代環境議題，強化其將知識應用於現實世界的能力，讓中小學生可以由杜動手做實驗更直觀的方式來了解溫室效應氣體。 在理解氣候與碳管理之後，第三篇〈應用紅外線熱顯像技術於加壓氣體儲存洩漏檢測之研究——以氣泡水瓶二氧化碳洩漏為例〉是台中市永安國小邱麗綺老師所撰，展示如何利用紅外線熱像儀進行二氧化碳氣體洩漏的非接觸式觀察，提升學生對高壓氣體行為、壓力與溫度變化關係的理解，亦展現儀器應用於生活情境的可能性，增進科技素養與實驗觀察能力，進一步帶入科技應用與實作情境。高壓封存的二氧化碳，特別是在氣候科技與工業安全日益受到重視的背景下，此篇文章提供學生從「問題識別」到「儀器觀測」的完整學習歷程，有助於啟發其對科學應用的興趣與責任感。利用紅外線熱像儀進行氣體洩漏處的檢測，再生活中有需多應用之處，不只是二氧化碳的漏氣，幾乎所有高壓氣體的洩漏處，都可以此方法進行檢測。 最後，第四篇〈探究二氧化碳氣體與水的作用：氣體溶解和逸散與pH值變化〉是由作者所撰，回歸氣體本質與基本化學交互現象，聚焦於二氧化碳與水的交互作用。文章結合酸鹼指示劑進行實驗，透過簡單的實驗設計讓學生理解氣體溶解度、逸散行為與酸鹼變化的關聯，強化其對大氣碳循環與海洋酸化等議題的基礎認識。透過觀察氣泡逸散與pH值變化的過程，學生能將抽象的化學變化轉化為可視化的學習經驗，進一步發展操作技能與邏輯推理的能力。很適合中小學生進行實驗操作與探究。 結語 綜觀四篇文章，皆以學生為核心，結合課綱精神與探究實作，將抽象的氣候與碳循環議題轉化為可觀察、可操作、可理解的教學活動。這不僅有助於學生科學概念的建構，也能培養其批判思考與永續行動力，為邁向2050淨零碳排社會扎根基礎。回顧第五十六期以「新課綱粒子觀點教學的挑戰」為主題的專題內容，曾指出對國中小學生而言，氣體行為本就難以觀察與實驗，尤其氣體多為無形無色，使其教學更加困難。因此，設計適合學生於校園中進行的氣體觀察與操作實驗格外重要。本期專題特別提供三個與二氧化碳相關且具可行性的延伸實驗，不僅有助於學生了解二氧化碳的特性，也強化其對氣體行為、環境變遷與科技應用間連結的理解，為氣候教育的教學實踐提供具體參考。先前第五十六期的專題文章主題是「新課綱粒子觀點教學的挑戰」， 曾指出氣體行為對國中小學生而言本就難以觀察與實驗，尤其多數氣體為無形無色，更增添教學困難。因此，設計能在學校中實作的氣體觀察與操作實驗格外關鍵。本期專題提供三個適合在學校進行和二氧化碳有關的延伸實驗，也可以幫助學生更了解二氧化碳的特性。

二氧化碳教學探究：藍碳生態系的潛力與挑戰：從碳埋藏到甲烷排放 莊佩涓 國立中央大學地球科學學系 Email: peichuanchuang@cc.ncu.edu.tw 摘要:藍碳生態系統（BCEs）如紅樹林、鹽沼與海草床，是全球重要的碳匯，能長期儲存大量有機碳。研究發現，紅樹林的淨初級生產率（NPP）極高，每年可固定大量碳，其中部分輸出至海洋，部分則長期埋藏。然而，紅樹林不僅是碳匯，也可能成為碳源。沉積物中的有機碳會因氧化還原反應被微生物分解，產生二氧化碳與甲烷，而甲烷的全球暖化潛能遠高於二氧化碳，其排放可能抵消紅樹林藍碳埋藏量的20%。本文作者過去的研究顯示，人類活動與污染可能使紅樹林相關水體的甲烷通量增加數十倍，影響碳循環與氣候變遷。儘管紅樹林在碳循環中扮演關鍵角色，但其沉積物中碳、硫、氮等元素的循環機制尚未被完整量化。目前針對紅樹林沉積物與水體的甲烷排放研究仍有限，本文作者認為未來應進一步量化相關元素的生物地球化學循環，以精確評估紅樹林對氣候變遷的影響，並建議台灣投入更多研究資源。 前言 藍碳生態系統（Blue Carbon Ecosystems, BCEs）如紅樹林、鹽沼與海草床，是全球重要的碳匯，雖占海洋面積不到1%，卻貢獻超過50%的海洋沉積碳埋藏量。本文整理了過去針對紅樹林生態系統的重要性，以及沉積物中碳的埋藏與分解相關研究進行回顧，希冀未來台灣也能夠投入更多相關研究。紅樹林淨初級生產率（Net Primary Productivity, NPP）達每年92至280億公噸碳，沉積物碳儲存量高達每公頃956公噸碳，使其成為熱帶地區碳含量最高的生態系統之一。然而，紅樹林亦可能成為碳源。有機碳分解受氧化還原條件影響，當氧氣耗盡後，微生物利用錳氧化物中的四價錳（Mn⁴⁺）、硝酸鹽（NO₃⁻）、鐵氧化物中的三價鐵（Fe³⁺）與硫酸鹽（SO₄²⁻）進行厭氧氧化還原反應分解有機碳，最終可能產生甲烷（CH₄），其全球暖化潛能遠高於二氧化碳。研究顯示，紅樹林NPP約每年200 億公噸碳，其中34.1 億公噸碳（20%）回到大氣，117.9 億公噸碳（60%）輸出至海洋，僅18.4至34.4 億公噸碳能長期埋藏。此外，甲烷排放可能抵消紅樹林藍碳埋藏的20%。未來研究應進一步量化紅樹林沉積物中碳、硫、氮等元素循環，以精確評估其氣候變遷影響。 藍碳生態系統重要性 氣候變化主要由大氣中二氧化碳濃度增加所驅動，是地球面臨的最重大全球環境問題之一（Nellemann et al., 2009），減緩策略包括減少排放以及保護和增強自然碳儲存（Rosentreter et al., 2018）。大多數保育計畫著重於恢復陸地生態系統，如熱帶雨林，並增強農業耕地中的碳儲存（Pan et al., 2011; Agrawal et al., 2011）。近年來，沿海植被生態系統因其為重要的天然碳匯也開始受到重視（Mcleod et al., 2011; Duarte et al., 2013），如2009年「藍碳」一詞的提出，主要是因為人們日漸意識到海洋生態系統在氣候變化緩解中可能具有的量化重要性（Nellemann et al., 2009; Lovelock and Duarte, 2019）。藍碳 (BC, Blue Carbon）由海洋生物捕獲大氣二氧化碳並被封存在海洋環境，包含沿岸藍碳生態系（BCEs, Coastal Blue Carbon Ecosystems）及開放海洋藍碳生態系（Open Ocean […]