「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

星期四 , 5, 6 月 2025 編輯助理本期專題, 第六十期/2025年6月留言功能已關閉

「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; Gerard et al., 2019)。以小鼠前列腺癌模型(TRAMP-C1腫瘤)研究為例，TRAMP-C1腫瘤在分次治療 2 至 3 週後，受照射腫瘤約產生10~15%的缺氧區域。這些區域因輻射照射造成血管崩解，所以幾乎沒有發現微血管存在，致含氧量較差。腫瘤在這種慢性缺氧狀態會吸引或促進巨噬細胞(TAMs)的聚集，這些巨噬細胞可能成為一個細胞激素的儲存區，進一步使腫瘤在缺氧與壞死的同時仍能再生長(Chen et al., 2009)。這些仍在增長的慢性缺氧狀態腫瘤，對輻射不敏感，因此可能使得腫瘤增長更為快速(Stieb et al., 2018)。這表示放射治療可能改變腫瘤內的血管結構或低氧微環境，進而使腫瘤的缺氧狀態惡化，導致輻射抗性上升。若仍採用原定的均勻劑量照射，可能造成局部劑量不足，增加腫瘤復發的風險。此時，根據缺氧區域的分佈局部調高腫瘤的輻射劑量，有助於維持治療效果並抑制腫瘤的再生潛力。這種結合可提供生物資訊的影像導引技術(biological image-guided radiotherapy, 以下簡稱為Bio-IGRT) 的先進適應性放射治療，將腫瘤生物異質性納入考量，針對腫瘤內生物靶區BTV（biological target volume），如圖3所示，進行局部劑量加強（boost），以實現個人化且更精準有效的治療。

圖3 先進放射治療納入BTV的考量(引自Beaton et al.,2019)

換言之，此時在PTV內的BTV部分會有較高的輻射劑量，此概念與現行臨床上強調PTV內劑量均勻分佈的做法有很大不同。

由於傳統以 CT 為基礎的解剖影像無法反映腫瘤內的血液供應、缺氧狀態及增殖活性等生物特性，Bio-IGRT 需要藉助分子影像技術，以非侵入性方式顯示與放射敏感性密切相關的生物標靶。透過這些技術，可標定腫瘤內部的生物學特徵（如缺氧區域）及其輻射敏感性分布，進而實現真正的個人化放射治療，最大程度地殺傷腫瘤細胞，同時保護正常組織。具有可提供生物資訊影像有核子醫學PET (positron emission tomography) 分子影像或功能性磁振造影（functional MRI, fMRI）等技術，其中透過注射缺氧顯影劑如 ¹⁸F-MISO (¹⁸F-Fluoromisonidazole)或⁶⁴Cu-ATSM (⁶⁴Cu-diacetyl-bis (N4-methylthiosemicarbazone)之 ¹⁸F-MISO-PET或⁶⁴Cu-ATSM-PET 造影是目前臨床研究上最常見的顯示腫瘤缺氧資訊的分子影像(Beaton et al.,2019; Chang et al., 2013; Thorwarth et al., 2007; Dalah et al., 2020)。

以圖4為例，(右)為現行藉由CT影像(物理影像)制定治療計劃所描繪的傳統CTV區域(紅色框線)；(左)為在放射治療前進行 ¹⁸F-MISO-PET/CT 檢查，透過 ¹⁸F-MISO-PET 分子影像結合 CT 解剖性影像可顯示腫瘤內的缺氧分佈，放射腫瘤醫生可根據此生物影像制定 BTV範圍並調整輻射劑量。然而放射治療採分次方式治療，整個完整療程往往長達一至數個月。在整個治療期間，如前文所述，腫瘤內缺氧區域分佈與缺氧程度可能會隨治療的過程而變化，因此只有在治療前僅一個時間點的腫瘤缺氧資訊是不夠的。所以先進的個人化精準放射治療的策略是在分次治療期間以在線經常性監視腫瘤內缺氧隨治療的變化，讓醫師在治療過程掌握腫瘤狀態並適時優化治療計劃。

圖4 左圖為放射治療前的¹⁸F-MISO-PET/CT缺氧影像(生物影像)及缺氧BTV區域(藍色框線)；右圖為藉由CT影像(物理影像)制定治療計劃所描繪的傳統CTV區域(紅色框線)及劑量分佈(引自Mohamed et al., 2017)

根據近年的Bio-IGRT研究，在放射治療期間在線(on-line)監測腫瘤內缺氧區域與程度的變化，對敏感性不同的靶區給予差別化的劑量照射，或是給予輻射增敏劑，可達到較佳的腫瘤控制率( Shen et al., 2020; Gregoire et al., 2020; Lapa et al., 2021)。在光子放射治療領域，現已有廠商發展結合直線加速器與生物影像造影儀器的fMRI-LINAC及PET/CT-LINAC機型(Gregoire et al., 2020; Shirvani et al., 2021)。礙於醫療技術於臨床實現需要冗長臨床試驗與上市驗證，目前臨床常規在線IGRT導引放射治療仍以監測腫瘤體積解剖學變化的CT影像為主，但展望未來利用在線Bio-IGRT於分次治療時經常性監視腫瘤內早期生物反應(如缺氧)的變化並進行生物影像導引之個人化適應性放射治療將是指日可待。不過在未來例行運作上，傳統光子治療利用核子醫學PET技術實現Bio-IGRT需要注意兩個問題，一是在每次掃描前配合核醫缺氧顯影劑如¹⁸F-FMISO注射病患體內並分布適當時間(通常是約 2–4 小時)後進行PET造影，故實際執行須注意光子治療排程與¹⁸F-FMISO藥物注射時間的相互搭配。二是核醫缺氧顯影劑會有增加額外輻射劑量的隱憂。所幸質子或重粒子治療的Bio-IGRT，因其有自發訊號源，病患無需注射¹⁸F-FMISO等核醫缺氧顯影劑，在例行實現上較無前述的兩個隱憂。

質子與重粒子治療的生物影像自發訊號源產生機制

有別於光子Bio-IGRT治療的PET分子影像需要注射¹⁸F-FMISO等核醫缺氧顯影劑作為正子訊號源，質子或重粒子治療達成Bio-IGRT分子影像的訊號源是自然產生的，無需另外注射核醫藥物。對於質子治療而言，這種自發訊號源是來自質子入射人體與組織或腫瘤作用自然產生的二次粒子。對於重粒子治療，則是利用入射人體後的重粒子射束(例如¹⁵O) 作為在線監測腫瘤生物資訊的訊號來源。無需額外注射核醫藥物，這對醫病而言，治療排程無需與核醫藥物體內分佈時間搭配，時間動線安排可較為順暢，且沒有額外輻射劑量問題，適合做為經常性分次治療的在線即時監測使用。以質子治療為例，質子入射患者體內自然產生可作為Bio-IGRT訊號源的加馬光子主要有兩種類型。當質子與人體組織原子核發生非彈性碰撞，如圖5之¹⁶O靶核為例，圖5(a)為¹⁶O靶核被激發至激態，在奈秒時間產生瞬發加馬光子(prompt gamma rays)。另一是¹⁶O靶核被質子撞擊碎片化(nuclear fragmentation)而產生¹⁵O正子發射核(positron-emitting nuclei)，如圖5(b)所示( Paganetti, 2017)。質子入射人體後產生的正子發射核主要是¹⁵O、¹¹C、¹³N等，如表1所列。這些正子發射核衰變產生的正子(positron)與周圍組織中的電子互毀生成正子互毀加馬光子(positron-annihilation gamma rays)。

圖5 質子入射人體與體內組織原子核作用(以¹⁶O為例)，自然產生可作為Bio-IGRT訊號源的兩種加馬光子類型；(a)瞬發加馬光子，以及(b)正子互毀加馬光子的產生機制 (引自Paganetti, 2017)

以圖5(b)為例，質子撞擊¹⁶O靶核產生¹⁵O正子發射核，而¹⁵O發射的正子與電子作用產生一對正子互毀加馬光子並衰變為¹⁵N。選擇能量適當可穿透體外的二次加馬光子源，可以作為監測腫瘤生物反應的信號源。對於質子治療誘發的二次加馬光子偵測方式，國際上的研究可分成兩大類。一類是嘗試直接偵測¹⁶O或¹⁵O瞬發加馬光子，以觀測腫瘤區域隨治療過程的含氧量變化(Verburg et al., 2014; Hueso-Gonz´alez et al., 2018)。這類方法因¹⁵O、¹⁶O的瞬發加馬光子能量很高(5.18, 5.24, 6.13, 6.18 MeV等)且存在時間短(奈秒等級)，利用現行加馬探頭技術進行定量成像，並期望能準確評估缺氧程度的變化率，以人類現有技術水準挑戰還相當高 (Krimmer et al., 2018)。另一類是利用質子入射體內與組織的O、C、N等原子核作用產生的正子發射核訊號源來進行正子成像與定量。相較瞬發加馬光子的偵測成像，正子發射核產生的正子互毀加馬光子能量為511 keV，其能量適中且偵檢成像技術上較為成熟，較有機會快速進入常規臨床實踐。

正子發射核成像雖與核子醫學的PET造影原理相似，但因其正子發射核的來源不同，故其影像的解讀完全不同。質子/重粒子治療的正子成像可追朔至十餘年前的離線(off-line) PET時期。多年來雖質子治療用PET儀器已多有進步，但在質子/重粒子治療領域其應用還是以滿足醫學物理需求的射程驗證(range verification)為主( Handrack et al., 2017; Pinto et al., 2014; Parodi, 2020)。透過追蹤腫瘤內的正子放射核種變化，來觀測質子/重粒子治療期間的腫瘤生物反應，這是近年的新觀念。尤其是¹⁵O隨生物洗出(biological washout)率的變化，來觀測治療期間的腫瘤缺氧狀態，具有關聯腫瘤治療反應的潛力(Dalah et al., 2020)。

表1 質子入射體內與組織的O、C、N等原子核作用產生的正子發射核和其半衰期(引自Espana & Paganetti, 2011)

重粒子治療的生物影像導引技術研發現況

質子/重粒子誘發之 ¹⁵O正子發射核的生物洗出模型，如圖6所示。當質子入射腫瘤時產生¹⁵O正子發射核，亦或以重粒子治療設備直接入射¹⁵O時，腫瘤組織的¹⁵O正子發射核假設透過Form1和 Form2兩種形式從腫瘤擴散至血管中，虛線表示血管壁的位置。其中k_2,1st為Form1的洗出常數，而k_2,2nd為Form2的洗出常數。這兩種形式的生物洗出率可以透過單隔室雙成分模型(single compartment with two components)，由動態PET影像定量推估出來(Toramatsu et al., 2022)。相較Form1，Form2為清除階段的洗出(washout in the elimination phase)，故Form2的平均生物洗出率較Form1的來得慢 (Toramatsu et al., 2022)。由於¹⁵O正子發射核半衰期僅有2.037 min，所以質子/重粒子治療用PET以追蹤Form1的生物洗出率為主。

圖6 質子/重粒子誘發之 ¹⁵O正子發射核由腫瘤擴散至血管之生物洗出模型 (引自Toramatsu et al., 2022)。

如前文，當腫瘤處於輻射照射所致的慢性缺氧狀態時，該區域的微血管密度很低，此時正子發射核流出至血管的生物洗出率會較正常無缺氧狀態的慢，因此k_2,1st值較小。相反地，當有較多的微血管新生時，腫瘤的生物洗出率會較為快速，此時k_2,1st值較大。因此，利用在線PET針對腫瘤進行動態掃描，追蹤並量化分析正子發射核的生物洗出率常數k_2,1st可作為推測腫瘤內部微環境變化的指標，進而輔助評估腫瘤缺氧程度及放射敏感性差異，為個別化質子/重粒子治療策略提供生物學依據。Martínez‐Rovira等人以蒙地卡羅模擬研究，最早提出了透過追蹤正子放射核種（如¹⁵O）隨生物洗出變化以評估腫瘤缺氧或灌流(perfused)狀態的概念(Martínez‐Rovira et al., 2015)。 2022年Toramatsu等人使用日本千葉重粒子醫用加速器(HIMAC)，以¹⁵O主射束照射荷瘤大鼠腫瘤(C6 cell line)，首見利用重粒子在線PET追蹤¹⁵O射束照射腫瘤後的正子發射核分佈，再由影像定量估算腫瘤的生物洗出率，藉以分辨缺氧/灌流狀態的腫瘤(Toramatsu et al., 2022)。這項動物研究證明了以在線PET監測重粒子治療的腫瘤生物反應是具實務可行性的。 2023年Toramatsu團隊更進一步利用DCE-MRI (dynamic contrast-enhanced MRI)驗證重粒子治療用PET分析的腫瘤生物洗出率與DCE-MRI所得的顯影劑由腫瘤向血管的外流率(efflux rate)為高度正相關(Toramatsu et al., 2023)。 DCE-MRI是fMRI的一種，在臨床上常用來測量腫瘤血流量、血管通透性和間質及血管內容量的變化，可以反應腫瘤內的血液循環、微血管生成，以及通透性等生物訊息。一般而言，血流灌注良好或通透性高的組織，由DCE-MRI實驗推算之顯影劑流出率常數 k_2a值較大，而血流減弱、壞死或缺氧區域的k_2a 值則會下降。此現象與PET的生物洗出率常數概念所描述的過程相似。基於此，由DCE-MRI實驗推算之顯影劑流出率常數k_2a與重粒子PET實驗所得之生物洗出率常數k_2,1st顯示出高度正相關。這進一步驗證了重粒子PET影像中正子發射核生物洗出率的定量結果，具有作為腫瘤缺氧分佈重要指標的潛力。

質子治療用的生物影像技術挑戰

就輻射抗性而言，質子治療對於腫瘤缺氧相關資訊的依賴程度遠高於重粒子治療。有鑑於此，本實驗室的研究方向與前述日本團隊有所區別，目前著重於研發應用於質子治療之PET成像與量化技術，以提供準確的生物影像資訊。對於質子治療，生物影像訊號源的¹⁵O正子發射核是來自質子與人體組織作用產生的二次粒子。有別於重粒子治療的正子發射核是來自主射束，作為PET生物影像造影的訊號源，質子束產生的¹⁵O正子發射核在數量上先天不足。加馬影像定量的不確定性主要來源之一就是統計誤差，若加馬光子訊號源數量不足，偵測訊雜比(signal-to-noise ratio)差，則統計誤差大使得影像品質與影像定量準確度下降。尤其是¹⁵O正子發射核的半衰期短(2.037 min)，¹⁵O正子發射核數量衰減快。考量PET造影的訊號源數量，提供質子治療之腫瘤缺氧資訊的PET儀器最好是原位(in-situ) PET設計，也就是病患在質子治療相同的位置進行動態PET造影。早期的in-room PET或是off-line PET相隔射束結束(beam off)時間長(分別是大於5 min，以及30 min)方開始掃描。但經過5 min後，¹⁵O正子發射核數量已大量衰減，剩餘量僅為原始的18.24%，使得原本訊號源數量不足問題就更為嚴重。

表2 質子/重粒子in-situ PET及核醫PET比較

質子治療應用情境的in-situ PET技術與核子醫學大不同，如表2比較，其挑戰以質子治療用in-situ PET的為最高。通常核子醫學造影僅使用單一正子同位素標誌藥物，且該正子同位素是經過審慎選擇的，其衰變的加馬能量很單純。例如¹⁸F的衰變96.86%為正子發射，3.14%為電子捕獲(electron capture)，所以造影時的射源很單純只發射正子互毀的511 keV加馬光子。有別於核子醫學的單純環境，質子或重粒子治療時環境充斥二次粒子(如中子、瞬發加馬光子等)，以及二次粒子誘發的延遲加馬光子(delayed gamma rays)等。這意味著質子/重粒子治療用在線PET儀器，面臨高背景雜訊干擾與低訊雜比的挑戰。這有如天文觀測時，要在有光害的環境中偵測變星的光量變化般的具有挑戰。另外，囿於治療室射束出口的空間限制，in-situ PET系統的偵檢探頭通常採非環形而不適合用核子醫學的環狀PET設計。本實驗室自製的in situ DH-qPET (dual-head quantitative PET)系統即採用雙探頭設計。雙探頭設計的優點是探頭間距離可調整儘量趨近被測目標，可提高正子發射核訊號偵檢效率。但其缺點是無法獲得完整斷層掃描角度的數據擷取(在不旋轉探頭或被照物做掃描的狀況下)。這種不完整取樣的有限角度(limited angle)掃描會因數據取樣不完整而產生拉長假影(elongation artifact)並影響定量準確度。質子治療的生物影像導引技術研發現況為實現並驗證質子治療用PET提供生物影像資訊可行性，本實驗室自製in-situ DH-qPET系統，除克服原位正子掃描的強背景輻射干擾造成的實務問題(例如偵檢器offset隨機偏移, 偵測能譜飄移、高比率隨機時訊符合等等)後，也針對雙探頭非環型PET的有限角度掃描問題提出一個新影像重建演算法，sc-MLEM (sampling completeness-based maximum-likelihood expectation maximization)。我們提出的sc-MLEM新方法，考量了視野範圍內不同位置成像點之取樣完整程度，再結合先驗資訊自動調整加權因子以平衡取樣不完整度的影響。此方法具新穎性已取得中華民國發明專利(TW I-869256)。sc-MLEM的效果可見於圖7。

圖7 以sc-MLEM影像重建新方法(右)與傳統 MLEM 方法(左)獲得位於不同取樣完整度位置的5 mm直徑球狀正子射源影像；取樣完度度愈小，傳統MLEM所得影像的拉長假影愈嚴重；使用本團隊研發的sc-MLEM方法可有效抑制有限角度造成的拉長假影。

圖7顯示在不同取樣完整度位置的5 mm直徑球狀正子射源之PET重建影像，圖7右為以sc-MLEM新方法重建所得、圖7左為以傳統 MLEM方法所得之影像。由圖7左可知，取樣完度度愈小時，傳統MLEM所得影像的拉長假影愈嚴重；而圖7右顯示使用本實驗室研發的sc-MLEM方法可有效抑制有限角度造成的拉長模糊化假影。在取樣不完整下，有限角度也會造成影像定量的不準確。根據實驗設計，此置放於不同取樣完整度位置之球狀正子射源，其活度都相同，所以活度量化的真值(true value)也應都相同。如圖8顯示，隨著取樣完整度愈小，傳統MLEM所得之射源活度量化值被低估愈嚴重。圖8縱座標為影像量化值相對真值，愈接近1愈準確。比較圖8，sc-MLEM新方法可有效抑制有限角度影響，所得射源活度量化值較接近真值。即使在取樣完整度較低的狀況下，活度值被低估現象也較不明顯。

圖8 比較sc-MLEM和MLEM方法所得5 mm直徑球狀正子射源重建影像之量化值。 sc-MLEM新方法可以改善傳統MLEM隨取樣完整度愈低，而量化值愈為低估的現象。該球狀正子射源雖所放位置不同，但有相同的活度值。

質子照射動態假體驗證 —以質子束照射具有洗出功能的動態假體，射束結束後立即以自製in-situ DH-qPET進行動態造影掃描，實驗照片如圖9(a)。圖9(b)顯示三個不同洗出速率假體分別於0~60 sec (上)和300~360 sec (下)的x-y切面活度影像。因動態假體內填充水，所以質子照射後產生的正子發射核主要為¹⁵O。這三個假體的洗出速率分別是無洗出、慢速及快速，分別呈現在圖9(b)的左、中、右欄。其中標示為A3的慢速假體為A群假體中任選的一個；標示為B1的快速假體為在B群假體中任選的一個。

圖9 以質子束照射動態假體(假體內填充水)，射束結束後立即以自製in-situ DH-qPET進行動態造影掃描，實驗照片如圖9(a)。圖9(b)為三個不同洗出速率假體分別於0~60 sec (上)和300~360 sec (下)的x-y切面之正子活度影像。

比較圖9(b)可知，左欄之無洗出假體在360 sec後，除影像強度因活度衰變而減弱外，其正子分佈相較60 sec的影像高度不變。至於A3假體(中)和B1假體(右)在360 sec後，其正子分佈相較60 sec的影像，B1假體的正子分佈高度變化較A3來得大，也就是B1假體的洗出速率較A3假體快。根據冷測試(cold test)結果，B群假體的洗出率較A群快。圖9(b)證明正子影像結果與冷測試結果相符。冷測試為以光學攝影方式直接量測假體之洗出速率，因假體為透明，固可採用此法。因冷測試分析不涉及模型假設，可以較為直觀也較為準確。

將A、B兩群不同洗出速率的假體各3個，分別進行質子照射後用in-situ DH-qPET造影，所擷取的數據再分別以MLEM及sc-MLEM 方法重建正子活度影像。圖10為其中一個洗出假體的三維活度影像，觀察比較(a) MLEM及(b) sc-MLEM方法所得影像，可知sc-MLEM方法明顯可有效減少洗出假體的拉長假影及模糊化。利用活度影像進一步以單隔室雙成分模型量化萃取獲洗出率參數影像。比較生物洗出假體A, B兩群之相對洗出半衰期(washout half-life)，並與冷測試所得速率比較。圖11為A、B兩群組的相對洗出半衰期比較，洗出半衰期愈大，則表示洗出速率愈慢。

圖10 以(a) MLEM及(b) sc-MLEM方法所得之一洗出假體的三維活度影像。我們提出的sc-MLEM新方法明顯可有效減少有限角度造成的拉長假影及模糊化。

圖11 比較 MLEM及 sc-MLEM方法所得洗出假體的影像量化結果，sc-MLEM所得之相對洗出半衰期較接近冷測試結果，較為準確。

由於冷測試所得的B群洗出半衰期為A群的0.12倍；以sc-MLEM及MLEM重建影像所得的B群洗出半衰期分別為A群的0.14、0.18倍。新方法sc-MLEM量化結果較為接近冷測試的，這意味著 sc-MLEM 可以較準確地還原了A、B兩群假體間的相對洗出速率差異，這對於定量分析中準確反映生物洗出率是關鍵的。再進一步以區別指數(discriminability index , Simpson A. J. & Fitter M. J., 1973)比較sc-MLEM與MLEM影像所得的A、B兩群假體相對洗出半衰期的差異分別為300.1及49.7。區別指數結果顯示以in-situ DH-qPET搭配sc-MLEM重建方法，對於區別不同生物洗出狀態的標靶有較佳的鑑別能力，相較MLEM的鑑別能力可提升超過6倍。

由以上質子照射假體實測的圖10~11可知，以sc-MLEM重建 in-situ DH-qPET動態影像，能有效抑制非環形PET的取樣不完整問題，並獲得較佳的量化結果。特別是在動態成像條件下，根據非環形PET設計的sc-MLEM 方法因其能更準確地反映放射性核種的時序變化，以及影像中目標區域的時間-放射活度曲線（time-activity curve, TAC）可信度，因而其量化分析獲得的生物洗出率的準確度也近一步獲得提升。

質子照射荷瘤小鼠活體實驗—本實驗利用自製in-situ DH-qPET於林口長庚醫院質子中心第五研究室進行質子照射活體荷瘤小鼠之動態造影測試。荷瘤小鼠由長庚大學醫學影像暨放射科學系游靜芳教授提供(註1)。在此實驗，我們以150 MeV筆型質子束入射57BL/6J小鼠腿部的TRAMP-C1腫瘤，照片如圖12(a)所示。質子照射小鼠腿部腫瘤產生的正子發射核影像及生物洗出率定量的初步結果如圖12(b)所示。在圖12(b)的左側為小鼠PET 造影1分鐘之活度影像，右側為透過單隔室雙成分模型萃取獲得的生物洗出率參數影像。參數影像的色條(colorbar)數值代表生物洗出速率，顏色愈偏黃色則洗出率愈快，愈偏藍色則洗出率愈慢。

圖12 (a)為於林口長庚醫院質子中心第五研究室進行質子照射活體荷瘤小鼠及in-situ DH-qPET動態造影實驗照片。 (b)圖左側為兩隻小鼠腫瘤區域的正子發射核活度影像、右側為生物洗出率參數影像；上列小鼠腫瘤直徑為1.2 mm，下列之小鼠腫瘤直徑為12.6 mm。比較圖(b)右側參數影像，右上小腫瘤的生物洗出率快，而右下腫瘤生物洗出率變慢，尤其是在腫瘤核心區域；相較外圍區生物洗出較快。此與既知的腫瘤核心缺氧，外圍血管增生的現象一致。

圖12(b)之上、下列影像分別來自兩隻不同的小鼠。上列小鼠腫瘤直徑1.2 mm，實驗當時為腫瘤細胞殖入第7天。下列小鼠腫瘤直徑為12.6 mm，為腫瘤細胞殖入第17天。觀察比較圖12(b)右側的生物洗出率參數影像，右上小鼠的腫瘤生物洗出率較快，右下小鼠的腫瘤生物洗出率較慢，尤其是腫瘤的核心區域。根據合作團隊的TRAMP-C1腫瘤小鼠的病理組織切片研究結果，在腫瘤生長天數超過12天後腫瘤出現缺氧現象，並隨著生長天數增加腫瘤缺氧比率則愈高。究其原因是腫瘤生長體積愈大，腫瘤內部已有壞死現象，此時微血管密度低且腫瘤缺氧程度也愈高(Chen et al., 2016)。圖12(b)右下小鼠腫瘤已成長至第17天，由in-situ DH-qPET取得的生物洗出率參數影像可知，該腫瘤核心區域生物洗出特別慢，可能是腫瘤核心缺氧機率大。至於腫瘤外圍區域生物洗出率較快，可能是外圍有血管增生。而圖12(b)右上小鼠腫瘤尚在快速生長期，腫瘤血管增生密度高，所以由PET影像估算的生物洗出速率較高，也就是缺氧機率低。這個初步小鼠活體實驗結果與合作團隊先前的病理組織切片研究（Chen et al., 2016）所得之現象一致，這也初步驗證了以 in-situ DH-qPET應用於質子治療過程中即時提供生物影像之可行性。後續實驗將擴充小鼠的樣本數，並規劃導入功能性磁振造影進行比對，以進一步確認在線原位PET提供之腫瘤生物洗出率與缺氧狀態的相關性。

未來展望

隨著輻射生物學和腫瘤微環境相關研究的日益深入，腫瘤對輻射的生物反應機制逐步被揭示，並說明其輻射抗性如何影響放射治療的效果。因應放射治療逐漸邁向個人化與精準化，即時掌握腫瘤的生物反應將成為導引放射治療策略的關鍵。在影像導引放射治療上，目前臨床常規仍以提供物理幾何資訊的解剖影像為大宗。這類物理影像在技術上較為成熟，其應用重點在於輔助確保治療過程中的病患擺位準確性與輻射劑量的精確投予。然而，僅提供幾何資訊的物理影像，已無法滿足掌握腫瘤的生物學特性與其對放射治療反應的臨床需求。因此，能夠以非侵入性評估腫瘤缺氧狀態、分佈情形及其對輻射抗性的生物影像技術，結合劑量強化策略，為影像導引放射治療開啟了嶄新的方向與思維模式。

未來的尖端Bio-IGRT放射治療將不僅侷限於單一生物影像模態，而是朝向物理與生物影像多模態融合的方向發展。期望能最大限度地挖掘影像資訊，獲得更全面的腫瘤資訊來更導引治療計劃的設計或調整，從而提升放射治療的精準性。特別是在質子與重粒子治療中應用Bio-IGRT，由於粒子束本身可自然產生生物影像所需的自發性訊號源，無需額外注射顯影劑，大幅提升了在線生物影像取得的便利性，進而使治療期間得以更頻繁地監測並掌握腫瘤對輻射的反應與狀態變化。因此，進一步結合原位PET與錐形射束CT等儀器裝置，可藉由物理解剖影像在空間解析度的優勢，更為強化生物影像導引的精確性，實現以生物效應為核心的個人化精準粒子治療之願景。

附註

註1：本動物實驗通過長庚大學動物實驗委員會許可進行(IACUC:CGU110-139)

參考資料

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「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

星期三 , 4, 6 月 2025 編輯助理本期專題, 第六十期/2025年6月留言功能已關閉

「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., 2006)。

超極化技術

一、超極化技術簡介

目前已有多種產生超極化分子的方法，包括粗暴強迫法（需要極低溫度和高磁場）以及對氫誘導極化（PHIP）（Eisenschmid et al., 1987）。然而，為了製備可注射的生物相關¹³C標記代謝物溶液，溶解動態核極化（DNP）已成為最成熟且多功能的技術。此方法由（Ardenkjær-Larsen et al., 2003）首創，將固態 DNP 與快速溶解相結合，使得體內代謝成像成為可能。

二、溶解動態核極化（DNP）：原理與臨床流程

溶解 DNP 流程可生成高度極化的液體樣本，準備注射及後續 MR 偵測。該流程透過專用硬體（極化儀）執行以下關鍵步驟：

(一)樣品準備：將 ¹³C 富集底物與電子順磁劑（EPA）混合，常用的穩定有機自由基包括 trityl OX063 或 BDPA，以提供必需的未成對電子自旋進行極化傳遞。為確保高效率 DNP極化過程，混合物在冷卻後必須形成均勻的無定形玻璃，防止結晶並確保 EPA 均勻分布。通常透過使用純底物（例如丙酮酸）或將底物溶解於成玻璃溶劑（如 DMSO、甘油/水混合物）來達成此目的；亦可加入少量 Gd³⁺ 螯合物，可以在某些自由基作用下加速對¹³C的極化累積。

(二)動態核極化：在極化儀內於高磁場（例如35 T、5 T 或 7 T）下將樣品冷卻至低溫（約 1 K絕對溫度），此時電子自旋極化度接近飽和（近 100%）。然後以接近電子自旋共振（ESR）頻率的微波照射，透過固態效應（Solid Effect）與熱混合機制將高度極化的自由基轉移至目標 ¹³C 核。此極化積累通常需時 60–90 分鐘；單純由較低溫度與較高磁場雖可提升極化度，但往往需更長時間（如圖 1 所示）。

圖1此圖說明了動態核極化（DNP）過程中，極化後的自由基（電子）經由微波照射轉移極化到¹³C核的過程。

(三)快速溶解：至極化飽和後，利用預熱、加壓且經過無菌過濾的溶劑（如水性緩衝液）在極化儀高磁場內迅速溶解冷凍樣品（約 5 秒內），以將樣品通過 T₁ 鬆弛極快的溫度區間時的極化損失降至最低。溶解後即可獲得含超極化底物的可注射液體，濃度通常為數十至數百 mM，適合體內研究。

(四)轉移、品質檢測與注射：必須在最短時間內將超極化液體從極化儀轉移至 MR 掃描儀中的受試者體內，以因應 ¹³C 位點 T₁（通常 < 1 分鐘）不可逆的極化衰減。臨床應用多採用具整合品質檢測（濃度、pH、溫度、無菌性等）的自動化系統，確保注射溶液符合安全與效能標準。

(五)數據分析與臨床指標：收取訊號後，後端伺服器影像重建丙酮酸及其下游代謝物影像，常用定量指標包括曲線下面積（AUC）或由動力學模型估算的表觀交換速率 (Daniels et al., 2016)。整個 ¹³C 丙酮酸臨床流程如圖 2 所示。

圖2 超極化碳13丙酮酸極化過程顯示在（階段1）；極化飽和後，溶解丙酮酸（階段2）；丙酮酸注射至人體，並在細胞內把丙酮酸轉成下游代謝物（階段3）；收取及重建碳13訊號以及分析過程（階段4）；臨床人員經由生成的下游代謝物來判定疾病的發展（階段5）。

三、丙酮酸作為核心探針

超極化 [1-13C] 丙酮酸 (CH₃CO¹³COO⁻) 是研究最廣且臨床應用最先進的探針。它在代謝中的核心地位與醣解過程樞紐，使其成為探索關鍵能量途徑的理想選擇。經靜脈注射並透過單羧酸轉運蛋白（MCTs）進入細胞後，所呈現的代謝物可提供疾病發展資訊：

(一)丙酮酸 (CH₃CO¹³COO⁻) ↔ 乳酸 (CH₃CH(OH)¹³COO⁻)：由乳酸脫氫酶（LDH）催化。此快速且近平衡的交換對 NADH/NAD⁺ 氧化還原狀態敏感，且常在癌症（Warburg 效應）、發炎及缺血狀態下上調。乳酸／丙酮酸的訊號比為多數研究的主要讀出指標。

(二)丙酮酸 (CH₃CO¹³COO⁻) ↔ 丙氨酸 (CH₃CH(NH₃⁺)¹³COO⁻)：由丙氨酸氨基轉移酶（ALT）催化。此反應將醣類代謝與氨基酸池相連結。

(三)丙酮酸 (CH₃CO¹³COO⁻) → H¹³CO₃⁻：由線粒體內丙酮酸脫氫酶（PDH）複合體催化。生成的 ¹³CO₂ 快速與碳酸氫根（H¹³CO₃⁻）達成平衡。碳酸氫根信號是丙酮酸進入三羧酸循環（TCA）與氧化代謝的前驅，對評估線粒體功能（尤其是心臟）至關重要。

其他標記方式，如 [2-13C] 丙酮酸或 [1,2-13C] 丙酮酸，能追蹤碳骨架進入 TCA 循環（例如生成標記的檸檬酸與穀氨酸），或同時評估 PDH 與 TCA 循環通量 (Comment & Merritt, 2014)。[1-13C] 丙酮酸與 [2-13C] 丙酮酸的代謝途徑如圖 3 所示。

圖3 細胞內 [1-13C] 丙酮酸與 [2-13C] 丙酮酸的代謝途徑。

結語

超極化碳-13磁振造影技術通過顯著提升核自旋極化度，突破了傳統MR對低豐度核種偵測靈敏度不足的瓶頸，實現了體內代謝動力學的即時可視化。以超極化 [1-13C]丙酮酸為代表的分子探針，不僅成功揭示了乳酸脫氫酶、丙氨酸轉氨酶與丙酮酸脫氫酶等關鍵酶促反應的動態變化，並已在腫瘤、心肌缺血和炎症等多種臨床場景中展現出卓越的診斷與監測潛力。此外，隨著[2-13C]丙酮酸新型探針的不斷開發，以及持續提升極化儀性能，該技術未來有望擴展至更多代謝通路的研究，並結合多模態成像與人工智慧分析，推動個體化醫療與治療反應評估。總之，超極化碳-13MRI正引領代謝影像學進入一個前所未有的精準化與動態化時代，為生命科學研究與臨床應用提供了全新視角與工具。

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自製常用的黏合劑並測試其黏合效果／楊水平

星期二 , 3, 6 月 2025 編輯助理家庭化學實驗, 第六十期/2025年6月留言功能已關閉

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

實驗一：製作白色漿糊

初步混合：(1)用量匙量取1大匙（平匙約8公克）的玉米粉，放入一個有把手小鋼杯中，(2)用量杯量取約50毫升的熱自來水，倒入杯中，用冰棒棍攪拌均勻，如圖3所示。〔註1：熱水使玉米粉的澱粉糊化，方便後續溶解。註2：平匙是指用量匙量取細粒或粉末時匙內容物是平的，可用直的木棒除去多餘部分，即得到一平匙。〕

圖3：玉米粉加入熱水中並攪拌

間接加熱：(1)放一個大水盤在電磁爐上，在大水盤中加入約2公分高的自來水。(2)放上述的小鋼杯在大水盤上，(3)在小鋼杯內插入一支廚房用溫度計。(4)打開電磁爐的電源。(5)在沸騰的熱水浴中間接加熱約3分鐘，如圖4所示。〔註1：若溫度高於95℃，關閉電源停止加熱。註2：若無溫度計測量溫度，務必留意大水盤內一定要有水。此時小鋼杯內的溫度不會超過100℃。〕

圖4：放小鋼杯在熱水浴中間接加熱

趁熱攪拌：(1)關閉電源，戴工作手套，取出小鋼杯，如圖5左所示。(2)放小鋼杯在桌上，立即趁熱攪拌內容物直到混合均勻。(3)靜置冷卻後呈現白色糊狀物，如圖5右所示。〔註：若要長期存放黏合劑，可加入5-1.0毫升的防腐劑（如2%苯甲酸鈉溶液）。〕

圖5：戴工作手套取出小鋼杯（左）；趁熱攪拌後呈現白色糊狀物（右）

實驗二：製作甜味膠水

初步混合：(1)用量匙量取1又1/2茶匙（平匙約5公克）的玉米粉，放入一個有把手小鋼杯中。(2)用量杯量取約50毫升的熱自來水，倒入杯中，立即用冰棒棍攪拌均勻。(3)再加入2大匙的（平匙約30公克）蔗糖，攪拌均勻。(4)然後加入1茶匙（平匙約2.0公克）的阿拉伯膠粉，用冰棒棍靠著杯壁擠壓膠狀懸浮物，使之分散並且攪拌直到溶解，如圖6所示。

圖6：在杯中依序加入熱水、玉米粉、蔗糖及阿拉伯膠粉並分別攪拌之

間接加熱：與〖實驗一〗的步驟2相同，小鋼杯中的內容物在熱水浴中加熱約3分鐘，如圖7所示。

圖7：內容物在沸騰水中間接加熱

趁熱攪拌：與〖實驗一〗的步驟3相同，如圖8所示。靜置冷卻後呈現半透明的黏稠液體。

圖8：戴工作手套取下小鋼杯（左）；趁熱攪拌後呈現半透明的黏稠液體（右）

實驗三：製作透明膠水

初步混合：(1)用量匙量取3茶匙（平匙約5公克）的聚乙烯醇（PVA），加入一個有把手的小鋼杯中。(2)用量杯量取約20毫升的室溫水，倒入杯中，用冰棒棍攪拌促使顆粒盡可能分開。(3)再加入約70毫升的熱水，立即用冰棒棍快速攪拌，避免顆粒黏在一起，如圖9所示。〔註1：先用室溫水再用熱水，室溫水使PVA顆粒分開而不易結塊。若直接使用熱水，容易造成顆粒黏在一起。註2：若遇到結塊的情形，可用冰棒棍靠杯壁擠壓結塊促使分散，也可在後續的間接加熱延長加熱時間。註3：不同廠牌的PVA聚合度和解醇度有差異，以致結塊的程度不同且大小不一。〕

圖9：在杯中依序加入聚乙烯醇、室溫水及熱水並攪拌之

間接加熱：與〖實驗一〗的步驟2相同，如圖10所示。〔註：若間接加熱3分鐘後仍有結塊的情形，可延長加熱的時間。〕

圖10：內容物在沸騰水中間接加熱

趁熱攪拌：與〖實驗一〗的步驟3相同，如圖11左和右所示。當攪拌時溶液會發生很多氣泡，但在靜置冷卻後逐漸變成透明澄清液體。〔註1：若仍有結塊或有未完全溶解的情況，可關掉電源，一手握住小鋼杯另一手用冰棒棍靠著杯壁擠壓促使分散，並激烈地快速攪拌（小心避免溶液不慎逸出）直到溶解。註2：當冷卻過程時溶液變得更黏稠時，趁機快速攪拌並擠壓結塊，可加速溶解。註3：若攪拌一段時間後仍未完全溶解，可加入約20毫升的熱水，重複步驟2（間接加熱）。若仍未完全溶解，再重複之。〕

圖11：戴工作手套取出小鋼杯（左）；趁熱攪拌，靜置後呈現透明的黏稠液體（右）

實驗四：測試黏合劑的黏合效果

一、定性測試黏合效果

在桌上放置四種黏合劑，由左而右依序排列：(1)市售透明膠水、(2)自製透明膠水、(3)自製甜味膠水、及(4)自製白色漿糊，如圖12所示。

圖12：排列四種黏合劑，以便測試其黏合效果

定性測試黏合劑對紙張的黏貼效果：(1)取1張A4紙，撕成16等分（每小張大小為A4的1/16）。(2)先取4小張紙，分別用冰棒棍沾濕上述四種黏合劑（市售透明膠水、自製透明膠水、自製甜味膠水及自製白色漿糊），均勻地塗抹在每一小紙張的一面形成約1公釐的薄層（塗抹一次或兩次，看起來濕濕的）。(3)再取4紙小張紙，分別貼在剛剛塗抹黏合劑的小紙張上。(4)再用冰棒棍適度地擠壓多餘的黏合劑並用衛生紙擦掉。(5)依序放置已塗抹黏合劑的小紙張在四種樣品前面，如圖13左的第二排。(6)以自然乾燥（24小時）慢速或用吹風機快速吹乾這些小張紙。(7)用雙手斯開小紙張，定性測試其黏合效果。(8)依序放置在四種樣品前，如圖13右的第二排。〔註：乾燥的小張紙會變硬。〕

圖13：依序放置已塗抹黏合劑的小紙張（左）；依序放置已測試黏合效果的小紙張（右）

定性測試黏合劑沾水後的黏性強弱：(1)取4張小張紙，分別用冰棒棍沾濕四種黏合劑（市售透明膠水、自製透明膠水、自製甜味膠水及自製白色漿糊），均勻地塗抹在每一小紙張的一面形成約1公釐的薄層薄層（塗抹一次或兩次，看起來濕濕的）。(2)依序放置在四種樣品前，如圖14左的第三排。(3)以自然乾燥慢速或用吹風機快速吹乾這四張小張紙。(4)再用手指沾水（或沾口水）塗抹在已乾燥的黏合劑上，用手指感覺其黏性強弱。(5)依序放置在四種樣品前，如圖14右的第三排。

圖14：依序放置塗抹黏合劑的小紙張（左）；依序放置小紙張沾水後測試其黏性強弱（右）

定性測試黏合劑沾水後對紙張的黏合效果：(1)續用步驟3已沾水的四張小張紙。(2)用另外的四張小張紙，黏貼在剛剛沾水的小紙張上（必要時，自然乾燥或吹風機吹乾），如圖15左的第三排。(3)用雙手撕開小紙張，測試其黏合效果。(4)依序放在四種樣品前，如圖15右的第三排。〔註：乾燥的小張紙會變硬。〕

圖15：依序放置小紙張貼上沾水在黏合劑（左）；依序放置貼上紙張測試黏合效果（右）

定性測試黏合劑對木材的黏合效果：(1)取8支冰棒棍，以兩支成對的方式分別沾濕四種不同的黏合劑（市售透明膠水、自製透明膠水、自製甜味膠水及自製白色漿糊）。(2)首先分別塗抹四種黏合劑在成對的冰棒棍一面的一半長度（形成約1公釐的薄層，看起來濕濕的，不要塗抹過多或太少），然後分別合併成對的冰棒棍。(3)分別使用長尾夾夾緊成對合併的冰棒棍。(4)用衛生紙擦去被擠出多餘的部分。(5)放置這四組成對的冰棒棍在四種黏合劑樣品前，如圖16左的第四排的位置。(6)以自然乾燥慢速（24小時）或用吹風機快速吹乾方式，乾燥四組冰棒棍之間的黏合劑。(7)用雙手的手指撥開冰棒棍的黏合端，測試其黏合效果。(8)分別放置已撥開的四組冰棒棍在四種樣品前，如圖16右的第四排。

圖16：依序放置沾黏合劑並夾緊的成對冰棒棍（左）；依序放置已測試黏合效果的成對冰棒棍（右）。

二、定量測試黏合效果

在桌上放置五種黏合劑，由左而右依序排列：(1)市售透明膠水、(2)自製透明膠水、(3)自製甜味膠水、(4)自製白色漿糊、及(5)市售白色漿糊，如圖17所示。

圖17：排列放置五種黏合劑，以便測試其黏合效果

取10支冰棒棍，分別在一端0公分處和在另一端0.5公分處，用筆畫一條直線，如圖圖18左所示。然後，在2.0公分處的中間位置，用迷你螺絲起子盒鑽一小孔，如圖18右所示。〔註1：鑽孔的大小約與長尾夾尾柄的鋼絲粗細相同，孔洞不宜過大而造成在後續測試時冰棒棍裂開。註2：鑽孔時宜先用最細的螺絲起子，再逐次使用次大者。〕

圖18：在冰棒棍的兩端畫線（左）；在冰棒棍的一端2.0公分處鑽孔（右）

取下長尾夾的一條尾柄鋼絲，插入冰棒棍的孔洞，此鋼絲再套入長尾夾的夾體鋼片，形成一個掛勾。然後兩兩成對排列在一起，如圖19左所示。在冰棒棍靠近鑽孔旁，用橡皮筋以繞圈方式綁緊冰棒棍。然後兩兩成對排列在一起，如圖19右所示。〔註：綁緊冰棒棍的用意是在後續試時防止冰棒棍在孔洞處裂開。〕

圖19：在冰棒棍的孔洞套上長尾夾（左）；在冰棒棍的鑽孔旁用橡皮筋纏繞綁緊（右）

塗抹黏合劑並乾燥：(1)取五組成對的冰棒棍，在5公分畫線端的一面，分別塗抹五種黏合劑（市售透明膠水、自製透明膠水、自製甜味膠水、自製白色漿糊、及市售白色漿糊），使之形成約1公釐的薄層。(2)然後黏貼成對冰棒棍的兩端在一起，黏貼長度剛好為0.5公分，用長尾夾夾緊。用衛生紙，擦掉多餘的膠水，如圖20左所示。(3)為使兩支冰棒黏貼成一條直線，先放置成對的冰棒棍在桌角邊的桌面上（長尾夾不可接觸在桌面上），再稍微鬆開長尾夾，壓下冰棒棍使之成直線，然後夾緊（夾的位置務必在中間位置），如圖20中所示。(4)依序放置這五組待測試冰棒棍在樣品前，如圖20右所示。(5)長時間（24小時）自然乾燥這五組冰棒棍的黏合劑。〔註1：在後續測試黏合效果後，在畫線端0.5公分的另一面，重複塗抹黏合劑並乾燥，進行第二次測試。註2：若欲重複使用這些冰棒棍，用砂布或刀片刮除殘留的乾固黏合劑。註3：若欲節省實驗的時間，可增加製作五組冰棒棍，每種黏合劑有兩套。〕

圖20：成對的冰棒棍塗抹黏合劑後用長尾夾夾緊（左）；黏合成對的冰棒棍成為一條直線（中）；五組測試冰棒棍排列在黏合劑樣品前（右）

組裝定量測試裝置：(1)用粗塑膠線（或粗棉線），以纏繞多圈方式綁緊1台數位電子拉力秤在支撐架（如雙A鋁梯）的上方，如圖21左所示。(2)在拉力秤的掛勾上，掛住待測冰棒棍一端的長尾夾，如圖21中所示。(3)在冰棒棍下方的長尾夾，放置一個S型金屬掛勾，如圖21右所示。(4)在S型掛勾的下方，放置一支粗木棍，如圖22左所示；(5)在粗木棍的一端，放置在重物（如重的椅子加上裝水的保特瓶）的下方，如圖22右所示。

圖21：拉力秤綁緊在支撐架上（左）；拉力秤的掛勾掛上待測冰棒棍的長尾夾（中）；在下方的長尾夾上，放置S型掛勾（右）

圖22：放置一支粗木棍在掛勾的下方（左）；粗木棍的一端放在重物的下方（右）

測試剪切力和剪切強度：(1)歸零電子拉力秤，並關閉秤重鎖定的功能；(1)放置粗木棍在S型掛勾上（作為槓桿的支點），如圖23左所示；(2)用手握住粗木棍的一端，首先稍加下壓（作為槓桿的施力點），如圖23中所示，此時粗木棍的另一端（重物端）會向上頂住重物（作為槓桿的抗力點）；(3)然後，逐漸增加下壓施力，同時注視拉力秤顯示的重量變化，直到成對冰棒棍的黏合處斷掉，並記錄斷掉時的重量，如圖23右所示；(4)計算此黏合劑的剪切力和剪切強度。

圖23：粗木棍放在S型掛勾上（左）；手握住壓粗木棍並下壓施力（中）；同時注視拉力秤顯示的重量變化（右）

實驗結果與討論

一、黏合劑的液滴形狀

五種黏合劑在滴落前的液滴形狀：市售透明膠水呈現鳥蛋形，自製透明膠水呈現細長形，而自製甜味膠水、自製白色漿糊及市售白色漿糊呈現半固體且形狀不固定，黏住冰棒棍而不滴落，如圖24所示。

圖24：五種黏合劑在滴落前的液滴形狀，由左而右排列順序如前所述

五種黏合劑的滴落頻率：市售透明膠水的滴落頻率較低，自製透明膠水的頻率較高，而自製甜味膠水、自製白色漿糊及市售白色漿糊黏住冰棒棍以致滴落頻率極低。由此可見，自製透明膠水比市售透明膠水具有較高的黏性（液滴滴落前形成明顯的細長液絲），其它三種黏合劑的黏度比液體狀的透明膠水大很多。

二、定性測試黏合劑的黏合效果

定性比較四種黏合劑與紙張的黏合效果以及其與木材的黏性強弱，如表1所示。黏性強弱和黏合效果分為五等級描述：很好、好、普通、差及很差。

表1：定性測試黏合劑的黏性強弱和黏合效果

測試項目	市售透明膠水	自製透明膠水	自製甜味膠水	自製白色漿糊
1.與紙張的黏合效果	很好	很好	好	很好
2.先乾燥再沾水的黏性強弱	很好	很好	好	很好
3.沾水後再黏貼的黏合效果	很好	很好	好	很好
4.與木材的黏合效果	很好	很好	好	好

由表1得知，(1)四種黏合劑與紙張的黏合效果：市售透明膠水、自製透明膠水及自製白色漿糊呈現很好，而自製甜味膠水呈現為好。(2)在黏合劑塗抹在紙張上之後，先乾燥再用手指沾水，用手指感受黏性強弱（類似郵票用手指沾口水）：市售透明膠水、自製透明膠水及自製白色漿糊比自製甜味膠水為佳。(3)接續(2)之後，黏貼另一紙張再乾燥，撕開紙張，測試黏合效果（類似郵票沾口水黏貼在信封上）：市售透明膠水、自製透明膠水及自製白色漿糊比自製甜味膠水為佳。(4)黏合劑與木材的黏合效果：市售透明膠水和自製透明膠水比自製白色漿糊和自製甜味膠水更好。

三、定量測試黏合劑的剪切力和剪切強度

本實驗的定量測試採用剝離黏合力測試（peel adhesion test），剝離黏合力是指黏合的物件被破壞時所能承受的應力。剝離黏合力有90°和180°之分，本實驗採用180°剝離力，亦稱剪切力（shear force），其單位以公斤（kg）表示，亦即當黏合接觸面經過一定時間後在外力作用下黏合劑被破壞所受到的應力，此時上下兩外力大小相等且方向相反，與黏合面平行。剪切強度（Shear strength）是指黏合的物件被破壞時，單位黏合面積所能承受的剪切力，其單位以兆帕（MPa, kg/cm²）表示（Shen et al., 2001; da Silva et al., 2006）。

本實驗測試的樣本有五種：市售透明膠水、自製透明膠水、自製甜味膠水、自製白色漿糊及市售白色漿糊，沒有找到市售甜味膠水。本實驗用黏合劑黏合兩支冰棒棍的長度為0.50 cm，冰棒棍的寬度為0.95 cm，黏貼面積為0.95 cm × 0.50 cm = 0.48 cm²。定量測試五種黏合劑的剪切力，如表2a所示。定量測試五種黏合劑的剪切強度，如表2b所示。在此兩表中，試驗1和2為塗抹黏合劑均在冰棒棍畫線面，而試驗3和4為均塗抹在非畫線面。

表2a：定量測試五種黏合劑的剪切力（單位：kg）

試驗	市售透明膠水	自製透明膠水	自製甜味膠水	自製白色漿糊	市售白色漿糊	M	SD	CV
1	10.2	13.6	0.0	8.5	9.2	8.3	5.0	61%
2	15.1	17.6	0.0	15.5	10.6	11.8	7.1	60%
3	8.4	9.1	0.0	7.6	11.1	7.2	4.3	59%
4	10.9	10.1	0.05	9.2	9.0	7.9	4.4	56%
M	11.2	12.6	0.025	10.2	10.0	—	—	—
SD	2.8	3.9	0.050	3.6	1.0	—	—	—
CV	25%	31%	200%	35%	10%	—	—	—

註：M（Mean）表示平均值，SD（Standard deviation）表示標準差，CV（coefficient of variation）表示變異係數 = (標準差/平均值)*100%。試驗1-4的剪切力數值：拉力秤的顯示重量扣掉1條橡皮筋、1個長尾夾及1個S金屬型掛的總重（0.3 g + 8.5g + 13.4 g = 22.2 g）。事實上，總重只有0.022 kg，比實際的剪切力差很多，可略而不計。

表2b：定量測試五種黏合劑的剪切強度（單位：MPa, kg/cm²）

試驗	市售透明膠水	自製透明膠水	自製甜味膠水	自製白色漿糊	市售白色漿糊	M	SD	CV
1	21.5	28.6	0.0	17.9	19.4	17.5	10.6	61%
2	31.8	37.1	0.0	32.6	22.3	24.8	14.8	60%
3	17.7	19.2	0.0	16.0	23.4	15.2	8.9	59%
4	22.9	21.3	0.21	19.4	18.9	16.5	9.3	56%
M	23.5	26.5	0.053	21.5	21.0	—	—	—
SD	6.0	8.1	0.105	7.6	2.2	—	—	—
CV	25%	31%	200%	35%	10%	—	—	—

註：M、SD及CV的定義，如表2a所述。

由表2a和2b得知，五種黏合劑對木材的黏合剪切力約在10.0-12.6 kg之間，剪切強度在21.0-26.5 MPa之間，除自製甜味膠水之外。自製甜味膠水幾乎對木材沒有黏合力，其原因可能是它含有易吸水的蔗糖以致不易乾燥。自製透明膠水對木材的黏合力和黏合強度稍均大於市售透明膠水；自製白色漿糊與市售白色漿糊的黏合力和黏合強度大致相同。

由表2a和2b得知，針對不同的試驗（塗抹方式），市售白色漿糊對木材的黏合力和黏合強度的變異係數（CV）較小（10% ≤ CV < 20%），數據中度集中；市售透明膠水的變異係數大（20% ≤ CV < 30%），數據明顯分散；自製透明膠水、自製甜味膠水及自製白色漿糊的變異係數很大（CV ≥ 30%），數據非常分散，顯示塗抹方式對木材的黏合效果有非常明顯的差異。再者，針對不同黏合劑，四種試驗（塗抹方式）對木材的黏合力和黏合強度的變異係數都很大（CV ≥ 30%），數據波動劇烈，顯示不同種類的黏合劑對木材的黏合效果有明顯的差異。文獻（Kinloch, 1987; Dillard & Pocius, 2002）指出：影響黏合強度的關鍵因素有五項：黏合劑性質（類型、黏度、化學鍵結能力）、被黏物特性（材質、表面粗糙度、極性）、表面處理（清潔度、預處理、乾燥程度）、加工條件（施膠厚度、壓力、固化時間與溫度）、黏附力與內聚力（接觸緊密度與膠體本身結構），其中有多項影響黏合強度的因素造成實驗的控制變因（操作條件一致）不易，導致數據分散程度很高。此外，本實驗以吹風機吹乾塗抹的黏合劑，定量測試五種黏合劑的剪切力分別為21.8、7.5、2.1、17.6及23.3 kg（依表2a的順序），與自然乾燥有很大的差異。

實驗注意和廢棄物處理

在操作實驗時應該注意安全防護，務必戴安全眼鏡和工作手套。
使用的器材和材料沒有危險性，藥品沒有危害性，但仍須小心使用。
國小學生避免獨自使用加熱裝置。
國小學生動手做家庭實驗時需要家長或教師的監督。
所有固體廢棄物可丟棄於一般垃圾桶，所有液體廢棄物可用水沖掉。

原理和概念

一、黏合劑和被黏物

黏合劑（Adhesive）又稱為黏著劑、膠水及糊劑等，是指塗在兩個物體的表面上的任何非金屬物質，用於黏合被黏物在一起並防止它們分離。黏合劑可以是天然的，也可以是合成的（Ebnesajjad., 2008）。事實上，有數百種製作黏合劑的配方，例如：用於細木鑲嵌的膠原蛋白膠，用於標籤紙粘貼的特殊配方。黏合劑的成分有很多種，例如：由麵粉、明膠、蛋白、牛奶或樹脂製成的（Ebnesajjad, 2008; Pizzi & Mittal, 2011）。以下僅就本實驗所用黏合劑的材料，描述其成分和性質。

(一)玉米粉的成分和性質

玉米粉（Corn Flour）和玉米澱粉（Corn Starch）不同，兩者都來自玉米。玉米粉是由整顆玉米粒研磨而成的，其主要成分有碳水化合物（約70-80%，主要是澱粉）、蛋白質（約7-9%）、脂肪（約1-3%）、維生素與礦物質（少量），其用途有玉米餅、烘焙、濃湯的製作。而玉米澱粉是從穀粒的胚乳中獲得的，其用途有勾芡、增稠、炸物的製作。

一般而言，玉米籽粒中含有25-30%直鏈澱粉（amylose）和70-75%支鏈澱粉（amylopectin）。高直鏈澱粉的玉米含有50%以上的直鏈澱粉。直鏈澱粉加熱後可形成較硬的凝膠，適合增強食品的結構，如玉米餅或麵包。高支鏈澱粉加熱後形成較黏稠、柔軟的質地，適用於勾芡和糊化，如製作濃湯、醬料或糯米類點心。若使用糯玉米（waxy Corn）製成的玉米粉，支鏈澱粉含量可達100%，適合製作更黏稠的食品，如湯品增稠劑（Bertoft, 2017; Luo, 2022）。

玉米澱粉在冷水中不溶解。當玉米澱粉加入冷水時，它會形成顆粒懸浮在水中，並且會沉澱到底部。這是為什麼在加熱之前，通常會先混合玉米澱粉和冷水，形成澱粉漿，這樣可以避免結塊。當玉米澱粉漿在熱水中加熱時，它會吸水溶脹（swelling），並會開始膠化（gelatinization），形成濃稠的糊狀物或漿狀液體（Altay & Gunasekaran, 2006）。澱粉糊化是在水和熱的作用下，澱粉分子間的氫鍵（hydrogen bonding）斷裂，使氫鍵位置（羥基氫和氧）與更多的水結合。這使得澱粉顆粒不可逆地溶解在水中。未變性的天然澱粉在55℃時開始溶脹，其他類型則在85℃時開始溶脹（Altay & Gunasekaran, 2006; Tester & Morrison, 1990）。

直鏈澱粉的溶解性：直鏈澱粉在冷水中不會完全溶解，而是形成懸浮液；在熱水中（約70-90°C以上）可部分溶解，加熱時分子鏈開始舒展並分散，形成膠狀液體，其結構式如圖16左所示。支鏈澱粉的溶解性：支鏈澱粉在冷水中幾乎不溶，只能懸浮。由於高度分支結構，它在加熱後比直鏈澱粉更容易吸水溶脹，其結構式如圖16右所示（BYJU’S, 2025; Hoover, 2001; Jane et al., 1999），從結構式觀之，直鏈澱粉和支鏈澱粉分子具有非常多的羥基（–OH），有助於對水的溶解度以及其與紙張和木材的黏合。

圖16：直鏈澱粉（左）和支鏈澱粉（右）的分子結構式。支鏈澱粉具有直鏈和許多的側鏈。葡萄糖單元以線性方式以α（1→4）糖苷鍵連接。在側鏈的起點處，發生的分支帶有α（1→6）糖苷鍵，從而產生可溶性分子。

（圖片來源：Amylose 3Dprojection. https://reurl.cc/WA5qxO 和Amylopectin. https://en.wikipedia.org/wiki/Amylopectin）

(二)蔗糖的性質

蔗糖（Sucrose）是由葡萄糖和果糖組成的一種雙醣。它天然存在於植物中，是白糖、砂糖及冰糖的主要成分。它的分子式為C₁₂H₂₂O₁₁，其分子結構式如圖17所示。蔗糖對水溶解度為2.01 g/mL（20℃），在高溫下不會熔化。相反地，它在186℃時分解形成液態焦糖。從結構式觀之，蔗糖分子具有8個羥基，有助於對水的溶解度和幫助具有極性聚合物溶於水。

圖17：蔗糖的分子結構式，由葡萄糖和果糖組成，兩者以α（1→4）糖苷鍵連接。

（圖片來源：Sucrose. https://reurl.cc/oVnZyQ）

(三)阿拉伯膠的成分和性質

阿拉伯膠（Gum arabic）是從阿拉伯相思樹的樹脂中提取的有機混合物，它的主要成分包含80-90%多醣類（polysaccharides）、1-3%糖蛋白（glycoproteins）及1-2%礦物質（minerals）。多醣類含有阿拉伯半乳聚醣（arabinogalactan）、鼠李糖（rhamnose）及葡萄糖醛酸（glucuronic acid）。阿拉伯半乳聚醣，又稱為半乳阿拉伯聚醣（galactoarabinan），主要由20-30%阿拉伯糖（arabinose）和5-15%半乳糖（galactose）組成（Musa, et at., 2019），其分子結構式如圖18所示。從結構式觀之，這些多醣類和單糖具有非常多的羥基，使得阿拉伯膠能完全溶於冷水和熱水，形成穩定的溶液，並且有助於與紙張和木材的黏合。

圖18：阿拉伯半乳聚醣的結構式，橫向直鏈為半乳糖以β（1→3）糖苷鍵連接，上方連接兩個半乳糖，下方連接兩個阿拉伯糖。

（圖片來源：Arabinogalactan. https://en.wikipedia.org/wiki/Arabinogalactan）

(四)聚乙烯醇的性質和用途

聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol, PVA）是一種由乙烯醇（vinyl alcohol）單體的有機合成聚合物，其單體和聚合物的分子結構式，分別如圖19左和右所示。從結構式觀之，聚乙烯醇分子具有非常多的羥基，提高對水的溶解度以及其與紙張和木材的黏合。聚乙烯醇是無色（白色）且無味的固體物質，因其具有高水溶性和黏性，通常用作木材的黏合劑和密封劑，也用於造紙和紡織經紗上漿、各種塗料和3D列印材料。水溶性較高的PVA（如用於洗滌劑的PVA），可易於生物降解（Chiellini et al., 2003; RawChemicalMart, 2025）。

圖19：聚乙烯醇的分子結構式（右），由聚乙烯醇單體以共價鍵連接形成聚合物（左）。

（圖片來源：Vinyl alcohol. https://en.wikipedia.org/wiki/Vinyl_alcohol 和https://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_alcohol）

聚乙烯醇的玻璃轉化溫度在60-85°C之間。聚乙烯醇的聚合度（polymerization degree）是指分子鏈中乙烯醇單元數目佔整個分子結構單元總數的百分比，分為四種：超高聚合度（分子量250,000-300,000 g/mol）、高聚合度（170,000-220,000 g/mol），中聚合度（120,000-150,000 g/mol）及低聚合度（25,000-35,000 g/mol）（ChemicalBook, 2025）。較低聚合度PVA（DP 200-500，分子量10,000-25,000 g/mol）具有好的水溶解性，適用於製作膠水、紡織上漿（RawChemicalMart, 2025）。而聚乙烯醇的醇解度（alcoholysis degree）是指分子鏈中重複單元的數目，分為三種：完全醇解（98-100%）、部分醇解（87-89%）及醇解度78%（ChemicalBook, 2025）。在聚乙烯醇的產品牌號中，前面數字為聚合度的千或百位數字，而後面數字為醇解度，例如：聚乙烯醇17-99表示聚合度為分子量1.7k，醇解度為99%（ElephChem, 2025）。

(五)被黏物的成分和性質

木材是造紙的基本材料，其成分是由約50%纖維素（cellulose）、約25%木質素（lignin）及20%半纖維素（hemicellulose）以及少量的蛋白質、樹脂、脂肪等組成。紙張可直接由原始木纖維製成或經過化學精煉以去除木質素和其他可溶成分的木纖維製成（Netramai et al., 2016）。纖維素是一種有機化合物，其分子式為(C₆H₁₀O₅)n，其分子結構式如圖20所示。纖維素是地球上最豐富的有機聚合物，木材含有40-50%纖維素。從結構式觀之，纖維素具有非常多的羥基，增加對水的親水性，能與水很好地相互作用（Etale, 2023）。但是纖維素分子結構特殊不易糊化，以致不溶於水。

圖20：纖維素的分子結構式，由數以百計到數以千計的葡萄糖以β(1→4)連接的直鏈組成的多醣（圖片來源：Cellulose. https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose）

半纖維素（Hemicellulose）是多種雜聚物（heteropolymers）之一，由包括木糖（xylose）、阿拉伯糖（arabinose）、葡萄糖（glucose）、甘露糖（mannose）及半乳糖（galactose）單體組成，例如：阿拉伯木聚醣（arabinoxylan），其分子結構式如圖21所示。半纖維素與纖維素一起存在於幾乎所有陸生植物的細胞壁中。半纖維素的支鏈長度比纖維素短。從結構式觀之，半纖維素具有非常多的羥基，對水的親水性良好（Ebringerová & Heinze, 2000）。

圖21：阿拉伯木聚醣（一種半纖維素）的分子結構式，橫向直鏈為木糖之間以β（1→4）糖苷鍵連接，在直鏈的上方和下方的阿拉伯糖與直鏈的木聚以α（1→2）或α（1→3）方式的糖苷鍵連接。（圖片來源：Hemicellulose. https://reurl.cc/NbkGbe）

二、黏合原理

黏合劑的黏合原理基於多種機制，主要機制有四種：黏附（adhesion）、內聚（cohesion）、潤濕性與表面能（wetting and surface energy）及固化與硬化（curing and setting）。詳述如下：(一)黏附：是指黏合劑與被黏物之間的作用力，主要有三：(1)機械嵌鎖：黏合劑滲入被黏物表面的微細孔隙或凹凸結構；(2)化學鍵結：黏合劑與被黏物之間形成共價鍵或離子鍵；以及(3)靜電吸引力：兩者之間產生靜電吸引力，如氫鍵和凡得瓦力（3M, 2025）。(二)內聚力：指黏合劑本身的內部強度，確保本身不易分裂，主要有三：(1)聚合物鏈纏繞：黏合劑中的高分子長鏈相互纏繞；(2)交聯作用：某些黏合劑在固化過程中會形成交聯結構；以及(3)黏彈性（viscoelasticity）：許多黏合劑具有黏性與彈性的雙重特性，使其能夠吸收應力而不易破裂（Caltagirone et al., 2024）。(三)表面能與潤濕性，主要有三：(1)表面能：被黏物的表面能越高，黏合劑越容易附著；(2)潤濕性：潤濕性越好，黏合效果越佳；以及(3)表面處理：清潔、粗化或塗佈底漆可提高黏附效果（Mapari et al., 2021）。(四)固化與硬化，主要有三：(1)黏合劑內的溶劑揮發使之乾燥並固定；(2)熔融的熱熔膠冷卻後凝固形成黏結力；以及(3)某些黏合劑透過聚合、交聯或吸收水分等方式固化（Pizzi & Mittal, 2003）。

三、熱水浴間接加熱

熱水浴（Hot water bath）是一種用於間接加熱物質的實驗室或烹飪技術。它的裝置是由一個裝有要加熱的敏感物質的較小容器放置在一個裝著熱水的較大容器中。熱水浴的運作方式是利用熱水包圍待加熱的物質，使其間接受熱，而不是直接接觸熱源，以避免過熱或燒焦（Inter-Fridge, 2025）。熱水浴的原理是透過對流傳熱來提供均勻且溫和的加熱，熱水浴溫度最高可達100°C，若溫度高達100°C或更高時，使用油浴或沙浴（Furniss et al., 1996）。

四、影響溶解速率的因素

影響物質的溶解速率的因素有六：(1)溫度：通常較高的溫度會增加固體和液體的溶解速度；(2)攪拌：攪拌有助於分散溶質顆粒，防止表面形成飽和溶液，進而提高溶解速率；(3)溶質的表面積：粒徑越小，表面積越大，溶解速度越快；(4)溶質和溶劑的性質：極性溶質在極性溶劑中溶解得更快，非極性溶質在非極性溶劑中溶解得更快；(5)溶劑黏度：較低的黏度可以實現更快的擴散和溶解，較高的黏度會減慢溶解過程；以及(6)濃度差異：溶質和溶劑之間的濃度差異越大，溶解速率越快。

影響澱粉和聚乙烯醇溶解速率的主要因素有五：溫度、攪拌、顆粒大小、分子結構及溶劑特性。詳細說明如下：(一)溫度：(1)澱粉和PVA在低溫時溶解速率較慢，其原因是氫鍵作用限制分子鏈的展開；(2)澱粉顆粒結構加熱在60-80℃進行糊化後才能溶解；PVA在80-95℃才能完全溶解，其原因是較強的氫鍵難以在低溫下分散。(二)攪拌：增加攪拌可提高水與澱粉顆粒之間（或PVA顆粒之間）的接觸，促進溶解速率。(三)顆粒大小：(1)澱粉和PVA的顆粒越小表面積越大，溶解速率越快；(2)超音波可破壞澱粉或PVA分子顆粒聚集，使其更快分散於溶劑中，加速其溶解。(四)聚合物分子結構：(1)直鏈澱粉具有線性結構，較快溶解；支鏈澱粉結構較緊密，分子間氫鍵作用較強，較慢溶解；(2)高分子量聚乙烯醇具有較強的分子鏈纏結，溶解速率較慢；低分子量，溶解速率較快。以及(五)溶劑特性：(1)澱粉在酸性或鹼性環境下可能發生降解，提高溶解速率；PVA在中性或弱酸環境溶解較快；(2)澱粉不易溶於一般有機溶劑；PVA可溶於乙醇等極性有機溶劑，這些溶劑能削弱PVA分子間的氫鍵（HongRen, 2025; Kodama et al., 2011; Polyva, 2025）。

呼應自科學領域課綱

透過本實驗「自製常用黏合劑並測試其黏合效果」的教學活動，得以呼應《十二年國民基本教育課程綱要－國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域課程綱要》（教育部，2018）中的若干學習重點。本實驗所涵蓋的內容，與各教育階段自然科學領域之學習內容（含其學習說明）部分或完全相符，具高度契合度。以下僅摘要列出對應的學習內容條目，至於完整對應之學習表現與學習內容，詳列於附錄一。

一、國小（第二和三學習階段）學習內容

1. 課題1：自然界的組成與特性；跨科概念：物質與能量（INa）

Ina-III-8 熱由高溫處往低溫處傳播，傳播的方式有傳導、對流和輻射，生活中可運用不同的方法保溫與散熱。

課題2：自然界的現象、規律及作用；跨科概念：交互作用（Ine）

Ine-II-2 溫度會影響物質在水中溶解的程度（定性）及物質燃燒、生鏽、發酵等現象。

Ine-II-3 有些物質溶於水中，有些物質不容易溶於水中。

二、國中（第四學習階段）學習內容

主題：能量的形式、轉換及流動（B）；次主題：溫度與熱量（Bb）

Bb-IV-1 熱具有從高溫處傳到低溫處的趨勢。

主題：物質的反應、平衡及製造（J）；次主題：水溶液中的變化（Jb），化學反應速率與平衡（Je）

Jb–IV-4 溶液的概念及重量百分濃度（P%）、百萬分點的表示法（ppm）。

Je–IV-1 實驗認識化學反應速率及影響反應速率的因素，例如：本性、溫度、濃度、接觸面積及催化劑。

主題：科學、科技、社會及人文（M）；次主題：科學、技術及社會的互動關係（Ma），科學在生活中的應用（Mc）

Ma–IV-3 不同的材料對生活及社會的影響。

Mc-IV-4 常見人造材料的特性、簡單的製造過程及在生活上的應用。

三、高中必修（第五學習階段必修）學習內容

主題：物質的反應、平衡及製造（J）；次主題：水溶液中的變化（Jb），化學反應速率與平衡（Je）

CJb-Vc-2 定量說明物質在水中溶解的程度會受到水溫的影響。

CJe-Vc-2 物質的接觸面積大小對反應速率之影響。

四、高中加深加廣選修（第五學習階段選修）學習內容

主題：物質的組成與特性（A）；次主題：物質的形態、性質及分類（Ab）

Cab-Va-2 不同的官能基會影響有機化合物的性質。

CJf-Va-2 有機化合物的命名、結構及官能基的檢驗與其用途烴、鹵化烴、醇、酚、醚、酮、醛、有機酸、酯、胺及醯胺。

主題：物質的反應、平衡及製造（J）；次主題：有機化合物的性質、製備及反應（Jf）

CJf-Va-4 常見聚合物的一般性質與分類。

CJf-Va-5 常見聚合物的結構及製備。

主題：科學、科技、社會及人文（M）；次主題：科學在生活中的應用（Mc），

CMc-Va-5 生活中常見之合成纖維、合成塑膠及合成橡膠之性質與應用。

教學指引和延伸問題

一、教學指引和建議

作者設計「自製黏合劑及測試其黏合效果」的實驗，期望達成三項學習目標：(1)從動手做實驗中，學會三種黏合劑的製作過程和測試黏合效果的操作技巧；(2)在動手做實驗後，理解黏合劑及其黏合原理和概念；以及(3) 樂於動手操作實驗，從中獲得成就感，並進一步激發持續探究與實作的興趣。。
強烈地建議本實驗的教學採用「先動手做實驗再理解科學原理」，讓學習者先動手做實驗觀察現象，激發學生對自製黏合劑的好奇心，再回過頭來理解其背後的理論，培養學生對概念的直覺理解，而不是被動接受原理。美國教育家John Dewey強調「從做中學」，認為學習應該建立在直接經驗的基礎上，透過反思將經驗轉化為知識，強調在實踐中學習和反思的重要性（Cloke, 2025）。在巴黎一所大學的幾何光學課程中，採用以實驗為主的教學方法。學生在缺乏理論知識的情況下，透過實驗主導的學習，培養更深的理解和自主性（Even et al., 2016）。
本實驗在「測試黏合劑的黏合效果」方面，操作難易程度不一，分為定性測試和定量測試兩部分。作者設計兩份學生動手做學習單，一份學習單包含定性測試適用於國小，另一份包含定性和定量測試適用於國高中，提供給教師教學的參考，分別詳見附錄二和附錄三。
作者提供一些課堂討論的問題和一些延伸探究與實作的問題，這些問題難易程度不一，教師可依照學生的教育學習階段或學生的知識背景作適當的選用。
本文描述「原理和概念」的內容知識難易程度不一，教師在教學時可依照學生的教育程度或背景知識，斟酌選用合適的內容。
教師與學生共同討論影響聚合物溶解速率的因素：分子結構、溶劑特性、溫度、攪拌條件、顆粒大小以及化學添加劑等，促進學生對物質溶解速率的理解。
教學建議：在討論黏合劑成分（澱粉、阿拉伯膠及聚乙烯醇）的分子結構式中的官能基與性質之間的關連之前後，讓高中程度的學生以分子結構的微觀層次，畫出黏合劑成分與水之間的物理靜電力，以比較學生對於黏合劑成分溶於水的微觀世界的理解。
教學建議：以分子結構的微觀層次，在討論黏合劑成分（澱粉、阿拉伯半乳聚醣及聚乙烯醇）與紙張和木材成分（纖維素和半纖維素）之間的作用力後，讓高中程度學生以分子結構的微觀層次畫出黏合劑成分與紙張成分之間的物理靜電力，以評量學生對於黏合原理微觀層次的理解。

二、課堂討論的問題

在初步混合時，在實驗一（製作白色漿糊）和在實驗二（製作甜味膠水）中，為何使用熱水而不使用室溫水？而在實驗三（製作透明膠水）中，為何先使用室溫水再使用熱水而不直接使用熱水？
在實驗二（製作甜味膠水）中，在初步混合時為何在熱水中依序添加並攪拌玉米粉、蔗糖及阿拉伯膠粉？為什麼添加順序不宜相反？
在製作黏合劑的過程中，假如出現結塊的情形，需要如何處理使結塊快速消失？
在製作黏合劑的過程中，在間接加熱之後為何要趁熱攪拌？
在製作黏合劑的過程中，為何使用間接加熱（熱水浴）而不使用直接加熱？
哪些因素影響聚合物的溶解速率？在本實驗中運用哪些作法來加速聚合物的溶解速率？
以分子結構的微觀層次，黏合劑成分（玉米粉的澱粉、阿拉伯膠的阿拉伯半乳聚醣及聚乙烯醇）的分子結構式中的官能基與其性質之間的關連是什麼？
以分子結構的微觀層次，被黏物成分（木材和紙張含纖維素和半纖維素）的分子結構式中的官能基與其性質之間的關連是什麼？
以分子結構的微觀層次，黏合劑成分（玉米粉的澱粉、阿拉伯膠的阿拉伯半乳聚醣及聚乙烯醇）與木材和紙張成分（纖維素和半纖維素）的官能基之間主要的作用力是什麼？
舉出在日常生活中運用黏合劑和黏合原理的實例。

三、探究與實作的問題

探究實驗一（製作白色漿糊）玉米粉與水的混合比例（玉米粉濃度）對黏合效果有何影響？
探究實驗二（製作甜味膠水）阿拉伯膠粉與水的混合比例（阿拉伯膠濃度）對黏合效果有何影響？
探究實驗三（製作透明膠水）聚乙烯醇與水的混合比例（聚乙烯醇濃度）對黏合效果有何影響？
探究實驗二（製作甜味膠水）添加蔗糖的量對黏合效果有何影響？
探究實驗三（製作透明膠水）控制溫度對聚乙烯醇在水的溶解度和溶解速率有何影響？
找出影響聚合物（玉米粉、阿拉伯膠粉及聚乙烯醇）溶於水最關鍵的因素。〔影響因素有：分子結構、溶劑特性、溫度、攪拌條件、顆粒大小以及化學添加劑等。〕
設計並製作一項新的「製作黏合劑」實驗，並在測試後得到很好的黏合效果。〔取自日常生活材料，除本實驗三種黏合劑之外。〕
設計並製作一項新的「測試黏合劑的黏合效果」定量實驗，並試驗其可行性。
改善實驗三（製作透明膠水）在製作過程中的結塊問題，以加速聚乙烯醇的溶解速率。

附錄

附錄一：呼應自然科課綱：自製常用的黏合劑並測試其黏合效果，下載檔案。

附錄二：適用於國小的學習單：自製常用的黏合劑並測試其黏合效果，下載檔案。

附錄三：適用於國高中的學習單：自製常用的黏合劑並測試其黏合效果，下載檔案。

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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

星期一 , 2, 6 月 2025 編輯助理化學課程與教材, 本期專題, 第六十期/2025年6月留言功能已關閉

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⁺ + 2CO₃^2-

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	137.13	99.5	72.56%
250mL	137.13	71	51.78%

圖 2 室溫下不同水量與1公克過碳酸鈉反應之氧氣產量變化3小時內連續紀錄

過碳酸鈉1公克與1mL、2mL、3mL水量於3小時後產生氧氣量的比較

延續先前實驗結果顯示1公克過碳酸鈉與10 mL水反應可獲得較高氧氣產率，本研究進一步探討在更低水量條件下的產氧效果。實驗設計將1公克過碳酸鈉分別加入1 mL、2 mL與3 mL水中進行反應，並於3小時內以排水集氣法持續記錄氧氣產生量(表2)。本實驗結果顯示，當水量過少時，過碳酸鈉無法充分溶解，進而限制其釋放過氧化氫並影響產氧反應的進行。根據文獻PubChem (n.d.-a)，在25°C時過碳酸鈉的溶解度約為15g/100mL水，換算可知，在1至3毫升水中1公克過碳酸鈉均無法完全溶解，造成反應效率降低。因此，氧氣產生效率呈現3 mL > 2 mL > 1 mL的趨勢，符合反應物溶解度與分解效率之理論推論。目前可推論，1公克過碳酸鈉對應約10 mL水為較適合的反應比例，但是否為最佳條件仍需進一步實驗驗證。

表2 過碳酸鈉1公克的與1mL、2mL、3mL水量產生的總氧氣量比較

1公克過碳酸鈉加入水量 (mL)	3小後測得氧氣量 (mL)
1	4
2	18
3	22

過碳酸鈉1公克與5mL、10mL、15mL水量於3小時後產生氧氣量的比較

由前述實驗的結果可知，過碳酸鈉與水的比例對氧氣產生速率有顯著影響。水量過少會限制過碳酸鈉的溶解度，導致分解反應受限、氧氣產生速率降低；而水量過多則可能稀釋反應物濃度，同樣降低反應速率。本研究進一步設計實驗，將1公克過碳酸鈉分別加入5 mL、10 mL與15 mL水中，透過排水集氣法於3小時內每5分鐘記錄氧氣產生量。結果顯示，加入15 mL水時的氧氣產生速率略優於10 mL水組，但差異不大，兩者皆明顯優於5 mL水組。依據文獻，25°C時過碳酸鈉在水中的溶解度為15 g/100 mL，故10 mL水可溶解約1.5克過碳酸鈉，尚未達飽和。綜合分析，目前觀察顯示1公克過碳酸鈉配合10~15 mL水為較佳比例，可有效促進氧氣產生反應。

表3 過碳酸鈉1公克的與5mL、10mL、15mL水量產生的總氧氣量比較

1公克過碳酸鈉加入水量 (mL)	3小後測得氧氣量 (mL)
5	46
10	51
15	55

水溫高低對過碳酸鈉分解產生氧氣速率的影響

為探討溫度對過碳酸鈉釋放氧氣速率的影響，本研究設計兩組實驗。第一組實驗以恆溫水槽控制水溫，於錐形瓶中加入100 mL水，分別設定30℃、40℃與50℃，當水溫達設定值時立即加入10公克過碳酸鈉，並透過排水集氣法觀察產生100 mL氧氣所需的時間(表4)。實驗結果顯示，水溫越高，氧氣產生速度越快。

表4 過碳酸鈉與不同水溫產生100mL氧氣的時間記錄

	恆溫水槽溫度30℃	恆溫水槽溫度40℃	恆溫水槽溫度50℃
產生100mL氧氣所需的時間	47分01秒	15分14秒	2分31秒

考量恆溫水槽設備在一般國中小不常見，我們設計第二組較具操作彈性的實驗。在三個錐形瓶中先加入熱水100 mL，當熱水分別冷卻到60℃、50℃或40℃水溫時，立即加入10公克過碳酸鈉，並以排水集氣法記錄30分鐘內的氧氣產生情形。我們可以觀察到隨著水溫升高，氧氣產生速率越快(見表5)。此法雖無法精準控制恆溫，但能有效模擬實際教學場域的操作條件，同樣可觀察水溫對氧氣釋放速率的影響，進一步驗證溫度與反應速率之間的正向關聯。

在錐形瓶中裝100mL水，先放在恆溫水槽中並設定30℃水溫，當水溫達30℃便加入10g過碳酸鈉，透過排水集氣法，觀察產生100mL氧氣所需的時間，同樣步驟進行40℃、50℃水溫的實驗觀察。實驗記錄如表5。

表5 過碳酸鈉與不同水溫於30分鐘所產生氧氣量

開始水溫40℃

自然降溫30分鐘後水溫33℃

開始水溫50℃

自然降溫30分鐘後水溫34℃

開始水溫60℃

自然降溫30分鐘後水溫35℃

30分鐘所產生氧氣量(mL)

187

349

探討加入哪些物質能讓過碳酸鈉加速氧氣生成

Wikipedia (n.d.)提及雙氧水加入白金可以催化雙氧水的分解，PubChem (n.d.-b)則提到雙氧水與大多數常見金屬及其化合物接觸可能導致劇烈分解，尤其是在高濃度下。此外根據百度百科(無日期) 的資料提到過碳酸鈉與Cu、Fe、Co、Mn等固體物混合加水，可以加速氧氣的產生。前面的實驗設計裡，我們發現溫度升高能增加過碳酸鈉產生氧氣的速率，除了提高水溫，加入哪些物質能讓過碳酸鈉加速氧氣生成呢？此外，在小學實驗中，製造氧氣會使用雙氧水加金針菇，過去科展得獎作品中，有找到金針菇可以加速雙氧水的分解的報告，因此我們也很好奇過碳酸鈉加入金針菇是否也可以加速氧氣的產生，故進行本實驗設計。

在室溫下進行實驗，將10公克過碳酸鈉與100 mL水混合，觀察在不同條件下產生100 mL氧氣所需的時間。結果顯示，未添加任何物質時需時96分12秒；若加入表面積約2.69 cm²的白金線，反應時間明顯縮短為67分32秒；加入表面積約3.17 cm²的鐵線，所需時間為77分40秒；加入銅片（表面積約11 cm²）時為79分05秒；而添加10公克金針菇則大幅縮短至僅需21分32秒。實驗結果顯示，不同物質會影響氧氣釋放速率，其中金針菇的催化效果最為顯著(見表6)。

表6 在室溫下10公克過碳酸鈉與100mL水於不同條件下產生100mL氧氣所需時間

反應條件	產生100mL氧氣時間
無加任何物質	96分12秒
白金線(長度5.0cm，表面積約2.69 cm²)	67分32秒
鐵線(長度7.0cm，表面積約3.17cm²)	77分40秒
銅片(長度9.9cm，表面積約11cm²)	79分05秒
鋅片(長度9.9cm，表面積約11cm²)	89分13秒
鋁片(長度9.9cm，表面積約11cm²)	85分35秒
10公克金針菇剪碎	21分32秒

雖然表6的金屬材料來自不同來源，導致其長度與表面積有所差異，但在這些條件下仍可合理比較其加速反應生成氧氣的效果。即使白金線的表面積最小（2.69 cm²），卻明顯具有最強的催化能力，反應時間最短（67分32秒），顯示其單位表面積的活性極高，其金屬排序為白金>鐵>銅>鋁>鋅。10公克金針菇剪碎，在室溫下催化過碳酸鈉的效果也很好。

我們進一步延伸實驗，將10公克過碳酸鈉與100 mL水混合後，分別在初始水溫為26℃（室溫）與40℃的條件下，加入10公克金針菇，比較兩種溫度下的氧氣產生量。結果顯示，在26℃下產生氧氣124 mL，而在40℃下則為114 mL，反而略有減少。這與前述實驗中溫度升高會促進反應速率的結果不同，推測可能是因為溫度過高不利於金針菇中過氧化氫酶的活性，導致其催化過氧化氫分解的效果下降，從而減少氧氣的產生。

表7 在室溫下10克過碳酸鈉+100mL水+10克金針菇不同水溫下30分鐘產生的氧氣量比較

10克過碳酸鈉+100mL水+10克金針菇	初始水溫26℃(室溫)	初始水溫40℃
產生的氧氣量(mL)	124	114

探究在學校實驗中，過碳酸鈉產生氧氣的簡易與有效的組合條件

綜合本研究多項實驗結果，可探究出在學校實驗環境中，使用過碳酸鈉產生氧氣的簡易且有效組合條件。實驗顯示，提高水溫可明顯加快過碳酸鈉分解並釋放氧氣的速率，其中水溫達50℃時，氧氣產生速率遠高於30℃與40℃。此外，雖然金針菇中含有過氧化氫酶，能大幅提升氧氣產生速率，但因其不易取得與保存，在學校操作上較為不便。相比之下，銅金屬雖催化效果不如金針菇明顯，但其材料取得容易、操作安全且可重複使用，是較適合於學校教學實驗的催化輔助選項。因此，建議在學校中進行此類產氧實驗時，可選擇將過碳酸鈉加入溫熱水（如50℃）並搭配鐵片或銅片使用，作為兼具簡易性與效果的最佳組合。但因為鐵反應後會嚴重氧化變黑，但是銅片表面變化情況尚可，因此可以有先考慮使用銅片。

生活中最易取的銅製品是硬幣，新臺幣硬幣的材質組成各有不同，其中壹圓硬幣主要由銅92%、鎳6%及鋁2%組成；拾圓與伍圓硬幣則成分相同，皆為銅75%與鎳25%的合金。各取10公克的過碳酸鈉與100 mL的熱水於兩錐形瓶中，水溫降至60℃，分別加入1元硬幣兩枚或四枚，以及10克過碳酸鈉，測量與紀錄30分鐘內所產生的氧氣量。

表8 過碳酸鈉10公克與100 mL 60℃的水加入不同的一元硬幣產生氧氣之比較

時間(分鐘)	1元硬幣兩枚氧氣產生體積(mL)	1元硬幣4枚氧氣產生體積(mL)
0	0.0	0.0
1	10.0	13.0
2	28.0	39.0
3	52.0	72.0
4	80.0	107.0
5	108.0	145.0
6	139.0	187.0
7	173.0	225.0
8	205.0	267.0
9	241.0	305.0
10	276.0	340.0
11	309.0	380.0
12	342.0	414.0
13	376.0	453.0
14	407.0	486.0
15	440.0	520.0
16	472.0	552.0
17	503.0	582.0
18	531.0	610.0
19	560.0	636.0
20	585.0	664.0
21	611.0	688.0
22	637.0	709.0
23	662.0	731.0
24	684.0	751.0
25	705.0	770.0
26	724.0	788.0
27	744.0	805.0
28	762.0	822.0
29	779.0	836.0
30	795.0	851.0

根據實驗結果，我們知道10公克過碳酸鈉、100mL 60℃水與壹元硬幣4 枚一起反應，在30分鐘內可以產生氧氣851mL，8分鐘就可以產生267 mL氧氣，可以將一個250mL錐型瓶裝滿氧氣。15分鐘就可以產生520 mL氧氣，可以將一個500 mL錐型瓶裝滿氧氣。這樣的反應時間，已經能符合在中小學實驗所需的氧氣量。

結論

在妥善保存條件下，過碳酸鈉在室溫中若無與水作用，可穩定保存而不分解。固定過碳酸鈉的重量，加水量太多或太少，產生氧氣的反應速率都會變慢。目前測試結果顯示，1 克過碳酸鈉加入 15mL 水為較佳的反應比例，其分解產生氧氣的速率略優於10mL 水。當水溫越高，產生 100mL 氧氣的時間會大幅縮短，顯示溫度升高本身即有助於氧氣的生成。在室溫中加入金針菇，過碳酸鈉分解產生氧氣會變快，其催化效果顯著。但金針菇在較高溫水中（如 40℃）時，其加速氧氣生成的效用會略為降低（與室溫 26.1℃相比），推測可能因高溫不利於其過氧化氫酶的活性。60℃水 100mL 加入 10 克過碳酸鈉再加入 4 枚 1 元硬幣，就可以在 15 分鐘內產生520mL的氧氣。本研究結果顯示，使用容易在室溫保存的過碳酸鈉粉末，搭配容易取得的壹元硬幣（例如在 60℃水溫下可實現高效產氧），相較於雙氧水與金針菇或胡蘿蔔的傳統製氧實驗，此方法在安全性與器材準備上更具優勢，深具未來推廣應用潛力，並有望改變教科書中製氧實驗的設計，使其更便捷實用。

附註

本文部分資料改寫自周佳誼與周欣誼(2024)之未出版112 學年度臺中市中小學科學展覽會作品說明書-化學科高中組作品說明書。

參考文獻

百度百科(無日期)。過碳酸鈉。https://baike.baidu.com/item/过碳酸钠/1238735

周佳誼、周欣誼(2024)。探究過碳酸鈉分解產生氧氣速率及其應用(未出版之作品說明書)。112 學年度臺中市中小學科學展覽會作品說明書-化學科高中組佳作。https://reurl.cc/knx2Kx

Dideriksen, K. (2007). Sodium percarbonate. In I. Johansson & P. Somasundaran (Eds.), Handbook for cleaning/decontamination of surfaces (Vol. 2, pp. 721–746). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-044451664-0/50022-X

PubChem (n.d.-a). Sodium percarbonate (CID 159762). In PubChem Compound Database. National Center for Biotechnology Information. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Sodium-percarbonate

PubChem (n.d.-b). Hydrogen peroxide. National Center for Biotechnology Information. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/784

Wikipedia (n.d.). Hydrogen peroxide. Wikipedia. Retrieved June 23, 2025, from https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_peroxide

《臺灣化學教育》第五十九期／目錄

星期一 , 10, 3 月 2025 編輯助理第五十九期/2025年3月留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第五十九期（2025年3月）

主編的話
第五十九期主編的話／周金城〔HTML｜PDF〕
本期專題【專題編輯／周金城】
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〔HTML｜PDF〕
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〔HTML｜PDF〕
二氧化碳教學探究：氣候變遷與環境教育：二氧化碳的溫室效應實驗探究 ∕ 張詩敏〔HTML｜PDF〕
二氧化碳教學探究：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 ∕ 邱麗綺〔HTML｜PDF〕
二氧化碳教學探究：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 ∕ 周金城〔HTML｜PDF〕
教學教法／化學課程與教材【專欄編輯／陳英智】
雙語「熱」—小學自然科學課堂中的實踐 ∕ 陳英智〔HTML｜PDF〕

第五十九期主編的話／周金城

星期日 , 9, 3 月 2025 編輯助理主編的話, 第五十九期/2025年3月留言功能已關閉

第五十九期主編的話

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

最近又到了各縣市中小學科學展覽會的時節。每當在科展報告中看到引用「臺灣化學教育」網站上的資料，總讓人感到欣慰與鼓舞。雖然擔任臺灣化學教育網路期刊的出版工作確實壓力不小，但想到有許多師生讀者的支持與肯定，總能成為我們持續努力的動力。

在此也誠摯邀請參與科展製作的師生們，將您的科展作品加以改寫，結合化學教育的相關內容與應用，投稿至本期刊。這不僅能讓更多讀者深入了解科展的精華與價值，也能促進化學教育的推廣與交流。

本期專題主題「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」

行政院於2022年3月正式公布「2050淨零排放路徑及策略總說明」，同年12月公布「12項關鍵戰略行動計畫」。確立在2050年達成淨零排放的目標（國家發展委員會等，2022）。該策略以「能源轉型」、「產業轉型」、「生活轉型」和「社會轉型」四大轉型為核心，並在「科技研發」與「氣候法制」兩大治理基礎上推動。而其中12項關鍵戰略之一就是「碳捕捉利用及封存(Carbon Capture, Utilization, and Storage ，簡稱CCUS)」(國家發展委員會，2022）。科技研發基礎中的＂產業技術精進落實＂項目，有1.開發低成本的二氧化碳捕捉創新技術、2.推動二氧化碳捕捉利用轉化為低碳化學品的創新技術、3.建立可運行的二氧化碳封存場域、4.推動CCUS成功經驗複製擴散。其中CCUS內容中，最重要的就是如何減少大氣中的二氧化碳，為了將此概念落實到小學教育中，加強學生對於二氧化碳性質的認識，就需要設計更多的教學與實驗內容。因此，由我邀請幾位專家學者與國小老師共同針對此主題撰文。

本期專題主要有四篇文章，這四篇文章以「碳」為核心，從不同角度引導中小學生認識氣候變遷與科學探究的關聯，並強化實作與科技應用能力。首篇由中央大學莊佩娟教授撰寫，介紹紅樹林、海草床等藍碳生態系的碳封存潛力與風險，引導學生思考自然解方在氣候危機中的角色。第二篇由國光國小張詩敏老師撰寫，透過簡易實驗讓學生觀察二氧化碳的溫室效應，認識碳排放與氣候變遷的關聯。第三篇由永安國小邱麗綺老師撰寫，運用紅外線熱像儀偵測氣體洩漏，讓學生從儀器操作中了解二氧氣體氣體壓力與溫度的關係及科技應用。第四篇則由北教大周金城教授撰寫，以實驗探究二氧化碳溶於水後的酸鹼變化，深化學生對碳循環與海洋酸化等議題的科學理解。整體內容兼顧科學原理、實驗設計與永續議題，是兼具知識性與操作性的優質教材。

化學教學主題

由2017年起，台北市推動開始推動國小雙語教育政策，包含國小自然領域，在不少老師的持續耕耘下，逐步跳脫出全英語教學模式，發展出適合目前我們國小學生的雙語自然教學方式。臺北市萬華區西園國小陳英智老師投稿的《雙語「熱」—小學自然科學課堂中的實踐》，以臺北市國小六年級自然課為場域，運用5E探究式教學法結合CLIL(Content and Language Integrated Learning)理念，設計出兼顧自然科學與英語學習的雙語課程，主題聚焦於「熱的影響與傳播」。課程以英語繪本導入，搭配熱現象實驗與生活應用討論，提升學生對熱傳導、三態變化等科學概念的理解，同時培養其英語詞彙與表達能力。透過Google表單調查，約六成學生對雙語自然課持正向態度，亦顯示語言難度與理解負荷仍為挑戰。研究建議運用動畫、圖示、實作與鷹架設計，協助學生跨越語言與科學的雙重門檻。雖然考量多方因素，自113學年度起，臺北市「公立國民中小學雙語教育實施計畫」中，已將自然科學課程從國小雙語課程建議科目中移除，但仍有一群認同並致力推動雙語自然教學的教師持續努力。長遠而言，發展自然科學的雙語教學確具其必要性，但在實施策略上需更具彈性與節奏，方能穩健推進。

結語

本期專題聚焦二氧化碳教學探究，結合氣候變遷、碳封存與環境永續等議題，從實驗設計到科技應用，展現化學教育的多元面向。此外，自製黏合劑的實驗設計讓學生從生活中體驗化學，強化實作與探究能力；而雙語自然教學的實踐，也反映教師們在科學與語言整合上的創新與努力。我們誠摯邀請更多教育現場的師生將實作經驗與教學成果分享投稿，讓化學教育與社會議題連結得更緊密，持續在孩子心中種下科學探究的種子。

最後，再次宣傳第十屆亞洲化學教育研討會訊息(https://www.nice2025.jp/)，研討會將於2025年7月26日至28日在日本的Yamagata Kokusai Hotel舉行(見圖1)。 NICE（Network of Inter-Asian Chemical Educators）成立於2005年，旨在促進亞洲地區化學教育專業人士之間的交流與合作。該會議的目標是比較亞洲各國化學教育的現狀，討論共同面臨的挑戰，並從國際視角為各國特定問題提供建議。NICE研討會與典型的國際研討會有所不同，強調包括中學和大學教育者參與，許多報告以海報展示或小組研討的形式進行，透過面對面的交流和實驗操作來理解彼此的想法。目前，研討會的摘要投稿和註冊已經開始，摘要投稿期限為2025年5月31日，歡迎大家踴躍投稿。

圖1 2025第十屆亞洲化學教育研討會徵稿海報

參考文獻

國家發展委員會、行政院環境保護署、經濟部、科技部、交通部、內政部、行政院農業委員會、金融監督管理委員會（2022）。臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明。20250329取自https://ncsd.ndc.gov.tw/Fore/nsdn/about0/2050Path

國家發展委員會（2022）。十二項關鍵戰略。20250329取自https://www.ndc.gov.tw/Content_List.aspx?n=6BA5CC3D71A1BF6F

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

星期六 , 8, 3 月 2025 編輯助理本期專題, 第五十九期/2025年3月留言功能已關閉

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

星期五 , 7, 3 月 2025 編輯助理本期專題, 第五十九期/2025年3月留言功能已關閉

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 Blue Carbon Ecosystems）。沿岸藍碳生態系包含鹽沼、紅樹林和海草床構成濱海碳循環熱點，是地球生物圈最大碳匯之一。鹽沼、海草床、紅樹林，僅占海洋和海岸面積不到1％，但它們儲存了海床中大部分自然生成的碳且具許多生態系統功能，它們的碳埋藏速率比熱帶雨林高出40倍，並且佔海洋沉積物中碳埋藏量的一半以上（Duarte et al., 2005; Macreadie et al., 2021）。

鹽沼、海草床和紅樹林等藍碳所具有的生態系統功能包含：產生氧氣、過濾病原體、懸浮物、污垢和污染物質以及減緩海洋流動、波浪和風暴潮，因此面對海平面上升問題，藍碳系統能保護海岸免受侵蝕和積聚沉積物（Krause-Jensen et al., 2018; Macreadie et al., 2019）。同時，它們還可提供食物（魚、貝類、螃蟹），有助於人們的休息和健康，吸引了眾多遊客，從而為沿海居民創造了額外的工作機會和收入來源。健康的植被，豐富的海岸生態系統有助於沿海居民最好地適應氣候變化（Arkema et al., 2023; Macreadie et al., 2021）。因此，對現有的鹽沼、海草床、紅樹林進行恢復和擴建的投資具有多重好處。它們有助於降低大氣中的二氧化碳濃度（減緩氣候變化），在正確的方法下增強生物多樣性，並有助於降低氣候風險（氣候適應）（Macreadie et al., 2019）。

藍碳的紅樹林生態系統為重要大氣碳匯

藍碳的紅樹林生態系統在自然碳循環中扮演著關鍵角色，被視為一種高效的天然碳匯，在理想情況下，它們可以保存碳的時間長達數個世紀，甚至數千年（Choudhary et al., 2024; Serrano et al., 2019）。這些生態系統位於陸地與海洋的交界區域，與周邊生態系統之間持續交換著營養鹽和有機物質，使它們成為生物圈中生物地球化學活動最為活躍的區域之一（Mcleod et al., 2011; Duarte et al., 2005）。儘管紅樹林森林僅佔全球沿海地區的一小部分，但它們生產力很高，淨初級生產率為每年92至280 億公噸碳（Jennerjahn & Ittekkot, 2002; Bouillon et al., 2008; Alongi and Mukhopadhyay, 2015），在紅樹林生態系統中，植物、生物量（Biomass）和沉積物共同儲存了大量的有機碳，也使其成為熱帶地區碳含量最高的生態系統之一（Donato et al., 2011），特別是在沉積物中，全球紅樹林的平均碳儲存量估計為每公頃高達 956 公噸碳，遠高於熱帶雨林、泥炭沼澤、鹽沼和海草床（Alongi, 2014）。與陸上森林相比，紅樹林在沉積物和土壤中的碳積累量更為顯著，這主要歸因於自生和異源輸入的量大，以及缺氧條件下有機物分解速率較低的特點（Donato et al., 2011; Kristensen, 2008）。目前估計紅樹林生態系統中有機碳累積的速率估計為每年18.4至34.4 億公噸碳（Jennerjahn & Ittekkot, 2002; Duarte et al., 2005），貢獻了高達15％的海洋沉積物中的總碳累積量（Jennerjahn & Ittekkot, 2002）。

藍碳的紅樹林生態系統也可能是重要大氣碳源

紅樹林生態系統中的生物體死亡後，會以有機物質形式埋藏至沉積物中，有機物質是否能成為藍碳被保存或是被分解產生二氧化碳或甲烷流失(此為大氣碳源)，與沉積物所在環境的氧化還原條件有關，主要是因有機物質在沉積物中會經由微生物活動被分解，微生物分解有機物質將氧氣消耗後，沉積環境由有氧轉為厭氧狀態，在厭氧條件下，發酵或水解作用會將有機物質由大分子分解為小分子，之後由一系列厭氧微生物將它們氧化成二氧化碳，這些厭氧微生物根據能量產出依次利用以下電子接收者：Mn⁴⁺、NO₃^–、Fe³⁺和SO₄^2-，電子接收者用盡後，才有機會生成甲烷，因此這一系列的氧化還原反應，也驅動著碳、錳、鐵、硫、氮、磷、氧等元素循環（圖1）（Froelich et al., 1979; Burdige, 2006; Kristensen et al., 2008）。硫酸鹽還原反應（sulfate reduction; 圖1），無論是在有氧還是無氧條件下，通常被認為是紅樹林沉積物中微生物分解有機物質最重要的反應（Kristensen et al., 2008），佔總有機碳分解量的75至125%（Alongi et al., 1998），然而硫酸鹽還原反應卻產生大量危害紅樹林生態系統的有毒物質-硫化氫（Jacotot et al., 2023）。

因此近期的研究發現，在紅樹林生態系統中，儘管有機物質的埋藏可以移除大氣中的二氧化碳，並將其長期儲存，但因這一過程也伴隨著上述微生物活動的分解作用，導致固定的碳以其他形式流失（Bouillon et al., 2008; Alongi & Mukhopadhyay, 2015）。若用每年200 億公噸碳估算紅樹林的淨初級生產量（NPP），有一部分的碳會透過二氧化碳通量流失或再次循環回到大氣中（每年約34.1 億公噸碳，約占20%）或以顆粒有機碳（POC）、溶解有機碳（DOC）和溶解無機碳（DIC）等形式輸出至海洋（每年約117.9 億公噸碳；約占60%）（Alongi and Mukhopadhyay, 2015; Rosentreter et al., 2018）。因此，真正作為藍碳埋藏的量為每年18.4至34.4 億公噸碳（Bouillon et al., 2008; Mcleod et al., 2011; Alongi, 2014; Rosentreter et al., 2018）（圖1）。更有研究指出，在紅樹林生態系統中的甲烷古菌在缺氧的沉積物中產生甲烷（CH₄），將有機物轉化為甲烷後排放至大氣中（Methanogenesis; 圖1）。考慮到甲烷的全球暖化潛能遠高於二氧化碳，這種排放可能會抵消一部分透過碳埋藏移除的二氧化碳效果。如果考慮20年的全球暖化潛能，較高的甲烷排放率可能平均抵消紅樹林沉積物中藍碳埋藏率的20%（Rosentreter et al., 2018）。

圖1: 沉積物中微生物所驅動的有機物質分解，呈現出與深度相關的氧化還原序列，這反映了微生物分解有機物質依所獲得能量高低，會使用不同電子接收者，並可見隨深度釋放相關溶解有機基質 (修改自Jørgensen et al., 2022)。

結語

本文作者過去也定量討論了墨西哥（Yucatán, Mexico）鄰近紅樹林的潟湖生態系統中，甲烷生成機制及通量與其他微生物所驅動之生物地球化學反應的關係（Chuang et al., 2016），該區沿海潟湖中的甲烷生成與消耗受不同作用所控制，包括物理作用如與海水或地下水混合和潮汐，以及生物地球化學作用如硫酸鹽還原、甲烷生成和氧化等。這些因素也造成了甲烷濃度和通量在時間和空間上的顯著變化。儘管鹽度和硫酸鹽濃度高，Yucatán紅樹林沉積物中的甲烷不但沒被硫酸鹽消耗殆盡（甲烷厭氧氧化反應; AOM; CH₄ + SO₄^2– + 2H⁺ → H₂S + TCO₂ + 2H₂O），還能在沉積物表層與硫酸鹽共存，且甲烷產生率仍然很高，這是因為沉積物中有機質含量高以及甲烷生成菌利用非競爭性基質，甲烷可在淺層孔隙水中累積。加上潟湖水淺以及潮汐調節的壓力變化，促成非常高的甲烷通量逸氣至水層與大氣（Chuang et al., 2017）。如果這些地點的通量能代表其他與紅樹林相關的水體，這些系統的通量可能佔全球濕地排放到大氣中總量的相當大一部分。Chuang等人（2017）的研究也顯示在Yucatán紅樹林潟湖生態系統，受人類活動和汙染影響的濕地環境會使甲烷通量相較自然濕地環境增加10至100倍，這項研究對碳循環在紅樹林生態系帶來重要意義，也讓我們深入了解自然與人類活動因素所造成的環境變遷會對紅樹林潟湖生態系統碳循環產生顯著差異。然而，目前只有少數研究同時考慮到了紅樹林生態系統中沉積物和水體的甲烷排放（Chuang et al., 2017）。未來對藍碳的評估中，各地紅樹林生態系統無論是自然和受人類活動汙染的環境，甲烷逸散至大氣通量，也需深入調查。淺水海洋環境（即海灣、河口、潟湖、沙洲和大陸棚）占海洋初級生產力的14-30％以及有機物質埋藏量的80％（Gattuso et al., 1998）。目前尚未有研究定量估算紅樹林生態系統，有機物分解所驅動的各項主要以及二級氧化還原反應的反應速率，以及所參與沉積物生物地球化學循環的主要元素如碳、錳、鐵、硫、氮、磷、氧等元素進出沉積物的通量。建議未來可在台灣投入相關研究。

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二氧化碳教學探究：氣候變遷與環境教育：二氧化碳的溫室效應實驗探究／張詩敏

星期四 , 6, 3 月 2025 編輯助理本期專題, 第五十九期/2025年3月留言功能已關閉

二氧化碳教學探究：

氣候變遷與環境教育：二氧化碳的溫室效應實驗探究

張詩敏¹^、²

¹新北市國光國小

²國立臺北教育大學自然科學教育學系

Email: nice1040802@gmail.com

摘要：本教學內容結合氣候變遷議題與自然科學課程，旨在提升學生對溫室氣體與全球暖化影響的理解，並認識「淨零排放」及CCUS技術。透過課程設計，引導學生了解氣候變遷對臺灣造成的多重影響，包括氣溫升高、農漁業減產、生態破壞、水資源分配不均與極端氣候事件頻繁等問題，強化學生環境永續意識。同時，配合「溫室氣體實驗」，比較空氣、二氧化碳與丁烷在日照下的溫度變化，結果顯示二氧化碳升溫最明顯，佐證其為主要溫室氣體，有助於學生建立科學概念與實證能力。實驗不僅提升學生對氣候變遷議題的關注，也培養其動手實作與觀察能力。整體課程銜接108課綱精神，結合理論與實作，促進學生對環境議題的理解與行動力，期望透過教學引導，激發學生思考自身行為對氣候的影響，進而實踐減碳行動，邁向永續發展目標。

前言

我們的地球只有一個，維護環境永續是全球共同的責任。近年來，氣候變遷問題日益嚴峻，聯合國氣候峰會 COP29（Bhatti, 2024）警告，2023 年為有紀錄以來最熱的一年，全球平均地表溫度較工業化前上升約 1.4°C。若要將升溫控制在 1.5°C 內，必須在 2030 年前將全球碳排放量減少約 50%，然而，2023 年全球碳排放仍上升 1.1%，距離目標仍有明顯落差，科學界估計，每年碳排放至少需減少 7% 才有機會達標。

在臺灣，因應氣候變遷的挑戰，108 課綱自然科學領域第三階段特別納入「自然界的永續發展」相關學習內容，強調學生對環境變遷的認識與行動能力，包括：

INg-Ⅲ-1自然景觀和環境一旦被改變或破壞，極難恢復。
INg-Ⅲ-3生物多樣性對人類的重要性，而氣候變遷將對生物生存造成影響。
INg-Ⅲ-4人類的活動會造成氣候變遷，加劇對生態與環境的影響。
INg-Ⅲ-7人類行為的改變可以減緩氣候變遷所造成的衝擊與影響。

康軒版(王美芬，2025）、南一版（盧秀琴，2025）與翰林版(賴信志，2025)六年級自然科學課本，三個版本皆提到「INg-Ⅲ-1自然景觀和環境一旦被改變或破壞，極難恢復。」。翰林版和南一版皆有提到自然界、人類和氣候變遷之間的關係，並說明臺灣為因應全球氣候變遷2023年通過《氣候變遷因應法》，希望能降低與管理排放溫室氣體，明定於2050年達到「溫室氣體淨零排放」的目標。而法規中所謂溫室氣體是指二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF₆）、三氟化氮（NF₃）及其他經中央主管機關公告者。

氣候變遷對臺灣的影響已逐步顯現，若無法有效減少溫室氣體排放，將帶來一系列環境與社會挑戰。夏季可能延長，高溫與酷熱日數增加，影響公共健康並加劇都市熱島效應。農作物如水稻、玉米及畜牧產量將因高溫而下降，海水升溫亦將衝擊漁業生產。生態方面，森林適生海拔上升，棲地面積縮減，導致物種生存受到威脅。水資源方面，春季降雨減少，乾旱加劇，豐枯水期差距擴大，影響農業與供水安全。此外，極端氣候事件發生頻率增加，颱風與豪雨的強度更甚以往，使災害應變與水資源管理面臨更大挑戰（許晃雄等，2024）。即便堤防可因應海平面上升，颱風暴潮仍可能提高沿海地區的淹水風險。

面對這些變遷，透過環境教育培養下一代的氣候意識與行動力，將是因應未來挑戰的關鍵。本研究希望透過溫室氣體科學實驗，讓學生親身觀察不同氣體對環境溫度的影響，深化對氣候變遷、淨零排放與 CCUS 減碳技術的認識，並進一步思考如何在日常生活中落實減碳行動，為永續未來盡一份心力。

認識淨零排放與CCUS的關係

根據聯合國政府間氣候變遷專門委員會（IPCC, 2021），「淨零排放」是指在人為排放的二氧化碳（CO₂）與人為移除的 CO₂ 之間達到平衡，使大氣中 CO₂ 濃度不再上升，以穩定氣候變遷。目前全球多國已承諾在 2050 至 2060 年間實現碳中和，其中臺灣於 2023 年通過《氣候變遷因應法》，規劃 2050 年達成淨零排放目標。

CCUS（Carbon Capture Utilization Storage）被視為減少碳排放的關鍵技術，主要分為三個步驟：碳捕集（Carbon Capture）、碳利用（Utilization）、碳封存（Storage）。目前 CCUS 技術已應用於火力發電廠、高碳排工業（如水泥、鋼鐵、石化業），甚至與生質能結合（Bio-Energy CO2 Capture and Storage, BECCS），以實現負碳排放。然而，CCUS 仍面臨高成本與技術發展的挑戰，未來需要透過碳稅優惠、碳權交易與政策支持，提升其經濟可行性。

除了政府與企業推動淨零技術，個人也能透過節能減碳、支持低碳產品、參與碳補償計畫來減少碳足跡，為全球氣候行動盡一份力。當政府、企業與個人共同努力，我們才能真正邁向 2050 年的淨零排放目標，共同打造永續未來。

動手做觀察溫室氣體實驗

我們希望能透過簡單的溫室氣體實驗，讓學生能更深入理解溫室氣體對環境溫度上升的影響。教學時，可以參考由作者協助拍攝上傳到國教署CIRN網站讓小學方便操作觀察溫室氣體與溫度上升之間關係的「溫室氣體實驗」(周金城，2025)，我們準備三個寬口的透明罐、三個溫溼度計、棉線、小蘇打粉、醋酸、瓦斯罐，分別製備二氧化碳氣體和瓦斯瓶中的丁烷氣體當作實驗組，空氣當作對照組。首先，將透明罐中放入溫溼度計，並將溫溼度計用棉線吊在罐子中間，溫溼度計盡量不要碰到瓶子側邊或底部，因為可能會有熱傳導或對流產生，造成溫度誤差。

此進行實驗時，我們特別注意水蒸氣的影響，因為水蒸氣本身也是重要的溫室氣體，能吸收與儲存熱能，進而影響實驗結果。不同罐內的濕度可能會有所差異，若未加以控制，可能導致測量誤差。因此，我們使用乾燥劑來調整濕度，使三個罐內的水蒸氣含量相近，讓濕度值相似，以確保實驗能專注於二氧化碳與丁烷的影響。

該實驗探討不同氣體對環境溫度的影響，以驗證溫室氣體的熱吸收能力。我們選擇二氧化碳（CO₂）與丁烷（C₄H₁₀）作為實驗組，並以空氣作為對照組，觀察它們在陽光照射下的溫度變化。實驗中使用三個透明罐、溫溼度計、棉線、乾燥劑等設備，確保變因控制，避免因水蒸氣或熱傳導影響測量準確性。此外，透過向上排空氣法填充二氧化碳與丁烷，以確保氣體的純度與均勻性。

丁烷是本實驗選用的氣體之一，主要因其在日常生活中容易取得且為純氣體，如打火機燃料、露營瓦斯罐等。相較於甲烷、乙烷等工業氣體，丁烷較為常見，且可在控制環境下安全操作。

將三個罐子放置於陽光可直射的窗台上，經過兩小時的照射後，各罐內的溫度皆有上升，但幅度有所差異，二氧化碳的溫度增幅最高，其次為丁烷，空氣的變化最小。完整數據詳見表 1，實驗步驟詳見表2。

表1 太陽光照射2小時前後罐中溫度變化情形

°C	空氣	氧化碳	丁烷
開始時溫度	26.2	26.3	26.1
2小時後溫度	36.9	37.4	37.2
溫度差異	+10.7	+11.7	+11.1

表2 溫室氣體實驗之實驗步驟


1.取出瓦斯罐，並在前端接上粗吸管，再將粗吸管深入罐子內，這樣可以使丁烷更順利地灌入罐子中。	2.將小蘇打粉和醋加入夾鏈袋中，靜置以產生二氧化碳。接著，將管子插入罐子內，並在管內塞入棉花以降低濕度，再將產生的二氧化碳灌入罐中。

3.將裝好丁烷、二氧化碳和空氣的三個罐子同時置於陽光下的情形。	4.三個罐子在陽光下晒2個小時後的情形

實驗結果顯示，二氧化碳對熱能的吸收與保留能力最強，證實其為主要的溫室氣體，能有效提升環境溫度。丁烷雖非主要溫室氣體，但仍具有一定的熱效應，且燃燒後會產生二氧化碳，進一步加劇全球暖化。本次實驗提供了直接觀察溫室氣體影響的證據，幫助學生更直觀地理解氣候變遷與減碳行動的重要性。本次實驗透過科學數據驗證了溫室氣體對地球溫度上升的影響，進一步強化了學生對氣候變遷與減碳行動必要性的認知。

結語

氣候變遷的挑戰已深刻影響全球環境與人類社會，而教育在提升公眾認知與推動行動力方面扮演著關鍵角色。本文說明可透過科學實驗與課程內容的結合，幫助國小學生理解溫室氣體如何影響環境溫度，並進一步認識淨零排放與 CCUS 技術在減緩氣候變遷中的作用。透過親身參與實驗，學生能夠直觀體驗科學原理，培養批判思考能力，並加深對環境永續發展的理解。

然而，減少溫室氣體排放不僅是科學問題，更涉及社會、經濟與政策等層面。因此，我們期望透過未來更多跨領域的探究與實作課程，引導學生建立科學素養、環境意識與行動力，鼓勵他們在日常生活中採取減碳行動，如節能減排、支持再生能源或參與環境保護活動。當每個人都能夠關心氣候變遷並付諸行動，才能真正朝向永續發展與低碳社會邁進，為地球的未來盡一份心力。

參考文獻

王美芬主編（2025）。國民小學自然科學6下。新北市：康軒文教事業股份有限公司。

周金城(2025)。溫室氣體的探究與實作 [影片]。CIRN-國民中小學課程教學資源整合平台。https://cirn.moe.edu.tw/Module/WebFileVideo/index.aspx?sid=1225&mid=16636

教育部。(2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域。臺北市：教育部。

許晃雄、王嘉琪、陳正達、李明旭、詹士樑 (2024)。國家氣候變遷科學報告2024：現象、衝擊與調適 (許晃雄、李明旭主編)。國家科學及技術委員會與環境部聯合出版。

盧秀琴主編（2025）。國民小學自然科學6下。臺南市：南一書局。

賴信志主編 (2025)。國民小學自然科學6下。臺南市：翰林出版事業股份有限公司。

Bhatti, T. T. (2024, June). State of the climate crisis and priorities for COP-29. Spotlight of Regional Affairs, 42(6). https://irs.org.pk/Spotlight/SP06012024.pdf

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2023). Global carbon and other biogeochemical cycles and feedbacks. In Climate change 2021 – The physical science basis: Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 673–816). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009157896.007

二氧化碳教學探究：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／邱麗綺

星期三 , 5, 3 月 2025 編輯助理本期專題, 第五十九期/2025年3月留言功能已關閉

二氧化碳教學探究：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

邱麗綺

臺中市西屯區永安國小

Email:lichi0425@mail.yaes.tc.edu.tw

摘要：本文探討紅外線熱像儀技術在小學科學教育中的應用，我們透過檢測氣泡水瓶中二氧化碳的洩漏，幫助學生理解氣體溶解度、壓力與溫度變化之間的關係。氣泡水中的二氧化碳溶解度受壓力與溫度影響，當瓶蓋打開或瓶身發生洩漏時，氣體逸出會導致局部溫度下降，而這種變化可透過熱像儀進行非接觸式觀察。我們利用熱像儀測量瓶蓋與瓶身的溫度變化，判別是否發生微洩漏，並探討測量距離、環境條件與誤差控制方法。結果顯示，熱像儀能有效檢測高壓氣體洩漏，並可應用於氣體鋼瓶、滅火器、瓦斯罐等設備的安全檢測。此外，透過實驗與視覺化觀察，我們讓學生更直觀地理解二氧化碳的溶解、逸散與固碳概念，進而提升他們對科學學習的興趣。未來，紅外線熱像儀也有機會可作為二氧化碳封存技術的檢測工具。

前言

國小自然科學在高年級教材有認識空氣的相關單元，內容主要是引導學童認識空氣的組成、特性及其在生活中的作用。教材涵蓋氧氣與二氧化碳的特性，探討燃燒、滅火和鐵生鏽等現象與空氣的關係。透過實驗活動，學生將學習氧氣的助燃性、二氧化碳的滅火性，以及影響鐵生鏽的因素。此外，教材也探討有關預防火、防災及逃生避難的知識以及二氧化碳排放過多對環境的影響，還有固碳對減緩全球暖化的作用。

在南一版五年級下學期《認識空氣》單元中為例(盧秀琴，2024)，教材介紹了二氧化碳的排放與固定的概念。植物能透過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，並將其轉化為養分儲存在體內，從而減少大氣中的二氧化碳含量，有助於減緩地球暖化。種植樹木是一種有效的減碳方式，特別是森林植物，由於其吸收與固定二氧化碳的能力較強，因此在調節大氣中的二氧化碳濃度方面發揮重要作用。這個過程稱為「固碳」，對環境保護至關重要。

目前固碳方法可分為自然固碳與人工固碳，主要目的是減少大氣中的二氧化碳含量，減緩全球暖化與氣候變遷的影響。以下是幾種主要的固碳方式(國家科學及技術委員會、經濟部、環境保護署，2023）：

一、自然固碳﹕森林、土壤與海洋碳匯在自然碳封存中扮演重要角色。

（一）森林碳匯（Forest Carbon Sink）透過光合作用將大氣中的二氧化碳固定於植物體內，並將碳儲存在土壤、有機物及木材產品中，減少碳排放對環境的影響。

（二）土壤碳匯（Soil Carbon Sink）是陸域系統中最大的碳儲存庫之一，能夠長期封存碳，並透過適當的農業管理技術有效降低溫室氣體排放。

（三）海洋碳匯（Marine Carbon Sink）則藉由海洋吸收並儲存大氣中的二氧化碳，特別是沿岸生態系（如紅樹林、海草床、鹽沼等）在碳封存方面具有重要作用，能夠穩定調節大氣中的二氧化碳濃度，有助於減緩全球暖化的影響(行政院農業委員會，2023)。

二、人工固碳: 碳捕捉與封存技術（CCUS）是減少二氧化碳排放的重要手段，包括碳捕捉（Carbon Capture）、碳利用（Carbon Utilization）和碳封存（Carbon Storage）三大部分。碳捕捉技術透過燃燒前、燃燒後或富氧燃燒等方式，從燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠、石化廠等大型固定排放源直接攔截二氧化碳，避免其進入大氣。捕捉到的 CO₂ 可進一步碳利用，轉化為燃料（如甲醇、合成氣）、化學品、建材（如碳酸鈣）或透過微生物與藻類吸收轉化為生質產品，提升經濟效益。未被利用的 CO₂ 則透過碳封存技術（CCS），長期儲存於地質構造（如枯竭油田、深層鹽水層）或海洋，以確保其不再釋放回大氣，達到減碳目標。這三者相互配合，形成完整的碳管理技術，為全球減碳與氣候變遷因應提供可行方案。

由於二氧化碳的封存這些概念較為抽象，不容易直接教導學生，因此我們嘗試設計一個能讓學生觀察到具體現象的實驗，幫助他們理解二氧化碳封存的相關概念。在日常生活中，學生最常接觸到的二氧化碳來源之一就是二氧化碳氣體鋼瓶，例如氣泡水機會使用二氧化碳鋼瓶來製造氣泡水，空氣手槍則可能使用較小型的二氧化碳鋼瓶，而二氧化碳滅火器與汽水機則使用更大容量的二氧化碳氣體鋼瓶。我們希望透過這些生活中的實例，讓學生更直觀地認識二氧化碳的封存與應用。

前幾年因為疫情的關係，每個學校都會購置熱顯像儀用來測量學生體溫，我們利用這個被閒置的工具，並拿生活中學生常接觸的「氣泡水」進行實驗觀察，讓學生對於二氧化碳的認識能更視覺化。

高壓增加二氧化碳溶解於水的現象

要認識二氧化碳對小學生來說，碳酸飲料最貼近他們的生活經驗，而近幾年流行的氣泡水主要原理是將二氧化碳（CO₂）溶解於水中形成碳酸（H₂CO₃），其反應式為CO₂+H₂O⇌H₂CO₃。當瓶蓋打開時，溶解的二氧化碳會釋放出來，形成氣泡。在製造過程中，工廠會將純水放入加壓設備，並在高壓環境下注入二氧化碳氣體，使其大量溶解於水中，轉變為碳酸水。二氧化碳的溶解度受溫度與壓力影響，壓力越大，溶解度越高，因此氣泡水在未開封時瓶內壓力較高，而溫度越低，二氧化碳溶解度也越高，這使得冷藏氣泡水比常溫氣泡水保留更多氣體。當二氧化碳溶於水時，會與水分子發生可逆反應，生成少量碳酸（H₂CO₃），使氣泡水帶有微酸性（pH 約 3-4），這也是氣泡水喝起來帶有刺激感的原因。

當瓶蓋打開時，瓶內壓力突然下降，原本溶解在水中的二氧化碳會重新轉變為氣體並逸出，形成上升的氣泡，使氣泡水發出「嘶嘶聲」。如果瓶子在開啟前經過搖晃，氣體釋放的速度會更快，可能會導致氣泡水噴出。這些特性使氣泡水具有獨特的口感與飲用體驗。

二氧化碳氣體對水的溶解度，可以用亨利定律來計算。氣體溶解在水中的量，會隨著氣體的壓力增加而增加。換句話說，壓力越高，二氧化碳溶解得越多，壓力降低時，二氧化碳就會從水中跑出來變成氣泡。這就是為什麼氣泡水在瓶蓋打開時會冒出氣泡的原因。另外，溫度也會影響二氧化碳的溶解度。當水的溫度越低，二氧化碳溶解得越多；當溫度升高，二氧化碳就更容易從水中跑出來。因此，冷藏的氣泡水比常溫氣泡水保留更多氣體，而熱的氣泡水則會變淡，因為二氧化碳比較容易逸出。簡單來說，氣泡水中的二氧化碳會因為壓力與溫度的變化而影響溶解度，這也是為什麼氣泡水需要在高壓、低溫的條件下才能保留最多的氣泡。

瓶裝飲料中灌入二氧化碳的其中一個目的，就是讓打開時飲料的溫度降低。這是因為當瓶蓋打開後，瓶內的壓力下降，溶解在飲料中的二氧化碳迅速逸出並轉變為氣體，在這個過程中會吸收熱量，造成氣體膨脹冷卻效應，使得飲料溫度稍微降低。這種現象與噴霧罐噴出液體時感覺變冷的原理類似，都是因為氣體擴散時會帶走部分熱量。因此，當我們打開氣泡飲料時，會能聽到「嘶嘶聲」，還可能感覺到瓶口附近變得稍微涼爽。

如果寶特瓶裝的氣泡水放久了變得沒有氣，通常是因為瓶蓋沒有鎖緊，導致二氧化碳慢慢逸出。我們可以利用高壓氣體洩漏時需要吸熱的特性來檢測瓶蓋是否有漏氣。當二氧化碳從瓶蓋縫隙洩漏時，周圍的溫度會稍微降低，而這個變化可以透過學校購買的熱顯像儀來觀察。使用熱顯像儀後，瓶蓋有漏氣的部分會顯示出較低的溫度區域，讓這個現象變得清楚可見。

熱像儀使用說明

在前幾年新冠肺炎嚴重時期，學校門口得有使用讓顯像儀來測量進學校的人員是否有發燒的情形。但是，因為疫情緩和後，學校就將讓顯像儀封存起來，因此我們想到可以使用學校採購的顯像儀來進行一些有趣的測量工作。我們使用的紅外線熱像儀，型號是FLIR E5XT紅外線熱像儀，根據網站說明書標示的可偵測溫度範圍為 -20°C 至 +400°C，紅外線解析度 160×120像素。然而，在進行實驗觀察前，仍需先進行儀器溫度校正。為確保測量的準確性，我們需先比對熱像儀偵測到的溫度與電子溫度計測得的溫度之間的差異，確認儀器的準確度後，再進行後續實驗。


圖1 熱像儀-FLIR E5XT	圖2 熱像儀測量溫度的照片

在校正過程中，我們分別設定5 公分至 100 公分的測量距離，並逐步增加熱像儀與待測物之間的距離，以分析測量誤差的變化。結果顯示，當熱像儀與測量物的距離介於 20 至 40 公分時，測量誤差較小。因此，在後續的實驗設計中，我們將熱像儀與偵測物的距離統一設定在 20 至 40 公分之間，以確保測量數據的準確性。

在使用熱像儀進行偵測時，需嚴格控制環境溫度，以確保測量結果的準確性與穩定性。熱像儀可設定並顯示偵測範圍內的最高溫或最低溫，因此在實驗過程中，環境條件需保持一致，以減少外界因素對測量數據的干擾。首先，應避免陽光直射，以防止輻射熱影響測量結果。其次，偵測時應確保測量區域內無人體或其他發熱源，以降低熱輻射干擾。此外，建議在室內環境中開啟空調，以維持恆溫狀態，避免環境溫度波動影響熱像儀的熱場解析。透過有效控制這些變因，可提升熱像儀測量的準確度與可重複性，確保實驗數據的可靠性。

體溫會影響待測物溫度，故手勿直接接觸實驗相關物品。若是直接用手接觸物品，手的熱量會與物品有讓熱量交換作用，造成後續溫度判斷的誤差。因此在實驗過程中需要使用品質較好的隔熱手套或是夾子接觸相關物品，避免因為熱量交換，導致後續要花較多時間等待測物品要降溫到室溫的時間。

圖3 測量時勿以手直接握瓶子會影響測量圖4 手直接握瓶子會造成接觸瓶身處溫度上升

熱像儀顯示的顏色為相對溫度值，而非絕對溫度值。藍色代表相對低溫區域，紅色則表示相對高溫區域，然而顏色本身無法直接對應實際溫度。由於本儀器無法手動設定顏色變化範圍，而是由儀器自動調整並鎖定顯示範圍，因此在進行實驗時，應根據每張熱像圖右側的溫度尺標來判讀各區域的實際溫度，而不可直接以不同熱像圖的顏色進行跨圖比較。這樣可確保溫度判讀的準確性，避免因儀器自動調整顏色範圍而產生誤判。

使用熱像儀來檢測氣泡水加壓二氧化碳氣體的洩漏

我們找了兩瓶氣泡水，可以發現沒有漏氣的氣泡水，整個瓶子的溫度都與環境溫度一樣，但是若是有微漏氣的瓶子，雖然肉眼看不出來氣泡水有在漏氣，但是瓶蓋處的溫度的確比較低，這樣我們就可以知道有在微微的漏氣，相當的方便。

圖5 氣泡水瓶長時間放置室溫下，由熱像儀可看出氣泡水瓶溫度與室溫非常相近

圖6氣泡水瓶長若是有洩漏情形，由熱像儀可看出氣泡水瓶瓶蓋的溫度比環境溫度低

透過熱像儀觀察，有助於讓溫度變化視覺化，學生從實驗觀察中也可以了解到，這種漏氣檢測方式或許也能應用於其他領域，例如卡式瓦斯罐、攜帶式氧氣瓶、液化石油氣等壓縮氣體鋼瓶，以及汽車或自行車輪胎的氣嘴與氣閥。當這些設備發生微漏氣時，洩漏處可能會因氣體擴散導致局部降溫，而透過熱像儀可以快速偵測這些溫度變化，從而判斷是否有氣體洩漏。這項技術適用於任何涉及高壓氣體封存的場景，不僅能提供非接觸式的快速檢測方法，還能在安全維護與設備檢修方面發揮重要作用，具有廣泛的應用潛力。

由於不同類型的氣體洩漏通常需要專門的儀器來檢測其氣體分子，但大多數高壓氣體洩漏時都會吸收熱量並導致局部降溫，因此熱像儀可以作為基礎檢測工具，提供初步的洩漏偵測，幫助快速篩選可能的洩漏位置，再進一步使用專業儀器進行確認。這種方法既高效便捷，又能提升檢測效率，對於氣體設備的安全管理具有極高的實用價值。

結語

本文探討了紅外線熱像儀技術在小學科學教育中的應用，特別是其對加壓氣體（二氧化碳）洩漏的觀察與分析。透過熱像儀，我們能夠即時、非接觸地檢測氣泡水瓶中二氧化碳的微洩漏，並透過溫度變化視覺化該現象。這不僅提升了學生對氣體溶解度、壓力與溫度變化之間關係的理解，也提供了一種創新的教學工具，使抽象的科學概念更具體化。此外，本研究結果顯示，熱像儀能夠有效辨識漏氣位置，具有潛在的應用價值，如應用於其他高壓氣體設備的檢測。未來可進一步擴展至不同類型的氣體與更精確的溫度分析，以強化此技術在教育與工業檢測上的應用。此外，若未來推動二氧化碳高壓封存技術，紅外線熱像儀亦可作為一種簡單且非接觸式的檢測工具，透過偵測封存設備表面的溫度變化，快速辨識可能的洩漏點，提高監測效率並確保封存系統的安全性與穩定性。

參考文獻

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盧秀琴（主編）（2024）。國民小學自然科學5下。臺南市：南一書局。

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