陳昆明++閻桂蘭

理論化學與先進分析方法

根據(jù)歷年《臺灣科技年鑒》、《“國科會”年報》、《中研院化學研究所年報》等資料介紹，在理論化學與先進分析方法領域，臺灣科學家以往取得的成果包括：以理論計算探討取代基對環(huán)糊精結構的影響；解析單分子層在表面結構重排現(xiàn)象，及混合單分子層在表面重排的相分離現(xiàn)象；利用“質子化誘導的分子內電荷轉移”的概念來設計可遠端調控的氫鍵系統(tǒng)，并研究如何設計共軛架橋結構，以增強調控能力；探討氟取代對氟化并五苯分子半導體特性的影響；利用磷橋及硫橋異核雙金屬錯合物研究異核金屬鍵的化學性質；以六氮巨環(huán)配基合成新的三核銅混價含氧錯化物；模擬嗜甲烷菌甲烷單氧化酶的反應中心，進行三價銅錯合物的合成與光譜鑒定分析以及與受質反應機制之研究；用水熱法合成無機固態(tài)化合物；研究金屬錯合物在二氧化碳固定化學上之作用；利用Suzuki耦合反應，成功地耦合帶有氰基或不帶氰基的苯硼酸與帶有氰基或不帶氰基之溴化或碘化苯來制備多種含氰基與不含氰基的三聯(lián)苯；發(fā)展能有效用于合成α-芳香基及α-烯基-N，N-二甲基乙酰胺的耦合反應；設計具有功能性的有機分子，配合動力學的測量，探討其內部的電子及能量轉移的機制，以了解分子內予體與受體軌域間的交互作用，另一方面開發(fā)電子轉移和能量轉移反應的基礎速率的理論預測方法；研發(fā)三維離子速度成像技術，并結合與交叉分子束實驗技術，探測兩個反應產(chǎn)物彼此的關聯(lián)性；發(fā)現(xiàn)手性分子并不是等分布性，而是隨著馬達的移動及轉動的動態(tài)所產(chǎn)生的力場而有所改變，達到辨識、分離手性分子的結果；成功發(fā)展出三維離子速度成像技術，其靈敏度與解析度在全世界首屈一指，并發(fā)現(xiàn)了“反應動態(tài)共振”的成因與性質等。

2006年，臺灣中研院化學所的研究人員發(fā)明一種新質譜游離技術——電噴灑輔助激光脫附游離法，即將適合游離大分子的電噴灑游離法與基質輔助激光脫附游離法的游離源結合起來，可在常溫和常壓下操作，而且不需將樣品和基質混合處理，即可速探測到樣品中所含的各種化學物品的質譜信號，因此可適用于極微量的氣體、液體和固體樣品的快速分析，一舉突破了上述兩種方法在樣品檢測上的限制。

該所納米生醫(yī)研究團隊2007年成功結合磁性納米材料及基質輔助激光吸收脫附質譜儀的優(yōu)勢，發(fā)展功能化磁性納米粒子探針親和力質譜分析平臺，將此分析平臺應用于微量小分子藥物的高通量檢測，可快速純化小分子化合物，如農藥、違禁食品添加劑及毒品，并利用基質輔助激光吸收脫附質譜儀進行精確分子量鑒定。

2009年，臺灣中研院化學所的首次由實驗結果觀察到激發(fā)態(tài)在共軛高分子（或稱導電高分子）的共軛系統(tǒng)中是二維的現(xiàn)象。此項結果乃結合異三并苯的對鄰位鍵結與二維梯狀平面結構達成，前者使得激子可以有效從對位共軛鏈進入到鄰位共軛鏈，后者則使得整個共軛骨架保持共平面，而不會因結構扭曲而使激子定域化，其具體結構為一系列含不同苯環(huán)數(shù)目的星狀結構的梯狀苯聚合物，結果顯示激子可擴及每一個苯環(huán)，且此線性也可與鏈形梯狀聚對苯的線性關系重疊，并進一步利用熒光方向性的測量來確立其分子屬單一發(fā)光團。

該所研究團隊在2011年研發(fā)氣哨音波感測泛用型技術，對于微量分析物進行檢測時，利用氣相層析分離設備內的哨型器，待測氣體流經(jīng)裝置時，空氣柱會發(fā)生振動而形成駐波產(chǎn)生聲音，由高靈敏度麥克風并經(jīng)傅立葉轉換后根據(jù)分析物相對于聲音信號出現(xiàn)的時間與頻率的變化量，便可同步觀測單一譜峰，可用來確認分析物的成分與含量。對于檢驗或監(jiān)測，僅需讀取頻率的改變量，不需要校正曲線的輔助，即可直接估算分析物濃度。此項裝置為學術界及產(chǎn)業(yè)界提供新的氣體快速檢測及定量分析方法，對現(xiàn)行熱導探測器、火焰離子化探測器、半導體感應器及質譜儀等各類儀器不足之處進行補強。

先進材料化學

在先進材料化學領域，臺灣科學家以往取得的成果包括：開發(fā)多種高效率有機發(fā)光分子，包括多種四苯硅烷或四苯甲烷分子玻璃材料及二吡咯吡啶骨架的藍光、綠光材料及含銥金屬的紅光材料；利用開發(fā)的藍光材料搭配紅光材料，制成高亮度的電激發(fā)光材料及白光元件；以三芳香基胺順丁烯亞酰胺所制備的非摻入型發(fā)紅光有機發(fā)光二極管，能夠發(fā)出有效率的紅光；開發(fā)有高熒光量子產(chǎn)率的共軛三吡啶衍生物及其金屬錯合物發(fā)光材料；開發(fā)出具有熒光特性的長方形及籠狀超分子化合物；開發(fā)得到自發(fā)性組合環(huán)形的三次非線性光學化合物、高分子型二次非線性光學化合物；合成供雙光子吸收或雙光子熒光的三次非線性光學材料；制備新穎特殊的有機金屬化學氣相蒸鍍陶瓷薄膜材料；合成含甲硫醇功能基且具有17個苯環(huán)及16個碳-碳雙鍵的納米級有機分子；發(fā)現(xiàn)含有呋喃的多苯化合物是有效的空穴傳遞材料，及利用芴（fluorine）分子及星形化合物，創(chuàng)造一個形態(tài)穩(wěn)定（高Tg）的空穴傳導材料；研究碳納米管的生長機制，可將碳管選區(qū)生長在各種材料表面，并達到高密度、低溫成長、垂直排列等功效；開發(fā)場發(fā)射顯示器；利用推拉電子基取代的茀制作出高效率與亮度的非摻入型紅色有機發(fā)光二極管；合成各種形狀、不同大小的金、銀納米量子點，研發(fā)出一種可以在硅、藍寶石、氮化鎵、磷化鎵、鋁、銅、玻璃等材料上制造納米針尖的技術，并證明其在催化、場發(fā)射、抗光反射、表面共振光學上有特殊的功效；利用一氧化碳和鎘制成自組裝一維超分子材料，并觀察到新的光學及結構現(xiàn)象。

2008年，臺灣中研院化學所陳錦地等人通過成功的精心的分子設計，開發(fā)出一系列咔唑-共軛-雙三甲基苯硼烷雙極性熒光物質，制作高效率非摻入型藍色有機發(fā)光二極管，突破目前雙極性的藍色發(fā)光物質所面臨到的難題。電激發(fā)光的效率很高，最大外部量子效率達到6.9%。該研究團隊正進一步探討研究利用此處的分子設計，用在白光有機發(fā)光二極體固態(tài)照明上。

近年來，臺灣大學彭旭明領導的實驗室專注于分子電子學的研究，2009年采用掃描式隧道顯微鏡測量金屬串分子（以4個多吡啶胺與金屬離子錯合，并在分子的兩端各有軸向配基，具有良好電子傳導性質，可作為分子導線）的導電性，得到電流與探針移動距離的關系，計算出鎳、鈷以及鉻核金屬串分子的鍵序，即金屬核之間的鍵結程度；以導電原子力顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)鉻核金屬分子的導電能力有著強弱變化，分別代表開與關兩種性質，顯示其具備分子開關的特性。

臺灣中研院化學所團隊利用適當?shù)挠袡C自組裝分子層修飾金的表面，成功地改變五環(huán)素（pentacene）分子與表面作用力，提高五環(huán)素分子層的結晶性，得到高效能場效應晶體管元件，再將金納米粒子安置于其中，藉由納米粒子用來當作儲存電荷的浮置閥，使晶體管元件同時具有記憶性質，因而成為具有記憶功能的三端點存儲元件。根據(jù)這一結果，該研究團隊正在進一步使用其他金屬納米粒子或有機納米顆粒，制作出更多性能可以調控的有機場場效應晶體管/存儲器元件。

二硫化鉬是繼石墨烯之后備受關注的層狀材料之一。臺灣科學家2012年首先利用化學氣相沉積法研發(fā)出制備大尺寸高品質二硫化鉬均勻薄層的方法，為二硫化鉬及相關的無機二維材料電子學研究及應用奠定了材料基礎。此外，利用離子凝膠作為介電層，將二硫化鉬制作為軟性晶體管，發(fā)現(xiàn)二硫化鉬薄層并不像一般無機材料容易碎裂，反而具有驚人的高度柔軟性，使其有機會取代共軛高分子，成為軟性電子的主動材料。

環(huán)境化學與能源化學

在環(huán)境化學與能源化學領域，開發(fā)新型催化劑是保護環(huán)境、治理污染和發(fā)展綠色能源必不可缺的內容。臺灣科學家以往取得的成果包括：利用X光光電子能譜、傅立葉轉換紅外光譜及程溫脫附研究小分子在催化劑表面的吸附與反應，檢測其反應活性并推導反應機理；研發(fā)出可大量產(chǎn)生高純度甲烷單氧化酶的發(fā)酵法，除光譜分析及生化方法鑒定外，并針對此酶活性，測定基質氫與碳的同位素效應，歸納出催化中心的反應型態(tài)；研究鈀催化聚烯反應，證明中性的鈀-醛酰配位錯合物具催化聚合烯類化合物的效果，其活性與配位基的電子組態(tài)、立體障礙有關；制備出在甲苯的對位上帶有甲氧基的鈀環(huán)催化劑衍生物，促使芳香烴鹵化物進行同耦合反應；用二氧化鈦涂布中孔洞材料的表面，制備多孔洞二氧化鈦材料以研究其作為異相催化劑載體的性質，發(fā)現(xiàn)不錯的活性；以氘丁烷測量其同位素效應，并測量其疏水性中心反應空間的大小，顯示甲烷的催化需要一定的疏水作用及適當?shù)奈幌蚍娇蛇M行，另外以密度方程式的方法計算反應的發(fā)生路徑，甲烷的活化以三個銅原子協(xié)調一致的作用方式最為有利；發(fā)現(xiàn)納米級催化系統(tǒng)?？商峁┢渌叨炔牧辖厝徊煌拇呋钚裕瑤韻湫碌膽?；開發(fā)納米尺度的硅倍半氧多聚體復合材料，并探索硝化、聚合等催化反應效率，重點研究以多孔性材料為載體的金屬催化劑以及納米級二氧化鈦催化劑等。

結構內部具有納米大小孔洞的介孔物質可以作為分子篩，用作催化反應或用來儲存氫氣與二氧化碳，以及應用于新型無鑭熒光粉材料。新竹清華大學的研究人員在2010年突破前人的瓶頸，利用不同長度直碳鏈的單胺作為聚集式模板，掌控納米孔洞大小，導引出由3種相同構建單元組裝而成的無機納米孔洞骨架，進而達到系統(tǒng)性合成，成功開發(fā)出理性合成無機骨架的方法，設計出一系列新穎的晶型納米孔洞結構，不僅第一次超越了自然界36R的納米孔，更重要的是孔徑超越以往晶型孔洞物質2納米的上限，使科學家第一次認知到結晶性介孔無機物質是存在的。

臺灣中研院化學所研究團隊致力于選擇性功能性材料的開發(fā)，即在納米空間中將功能基或客體嫁接或沉積在特定位置上，藉以形成多功能納米復合材料，并在納米生物醫(yī)學、綠色催化以及氣體吸附與傳感測量應用中展現(xiàn)出優(yōu)越與特殊的性質與表現(xiàn)。

另外，臺灣科技人員還通過實驗證實，碳納米管在鋰電池的應用上比石墨電極的效率高，利用碳納米管發(fā)射脈沖電子束，其電子束強度較其他材料高出千倍以上；

目前已知的化學反應無法解釋臭氧洞的形成。為此，臺灣科學家決定跳脫傳統(tǒng)光譜學的思維，2009年提出創(chuàng)新的解決方案，結合分子束、激光與質譜等技術，精密地測量過氧化氯分子在代表性波長下的光分解速率，以明確的證據(jù)平息全球科學界對于臭氧層被破壞方式的重大爭議。該團隊精確測量了過氧化氯分子光分解產(chǎn)物的產(chǎn)率，并清楚確立了其光分解動態(tài)。這些結果不但增進人類的基礎知識，也為大氣化學家提供了精確的參考數(shù)據(jù)，對于臭氧層中發(fā)生的化學反應能依此做更深入的研究。

染料敏化太陽能電池相較于傳統(tǒng)硅基太陽電池，具有色彩多樣化、元件效能不隨溫度增加而降低、可制作半透明、可撓曲元件和弱光下即可發(fā)電等優(yōu)點，因此極具商業(yè)化價值，但釕系錯合物染料的最佳光電轉換效率在過去二十幾年中一直無法突破12%。有鑒于此，臺灣中研院化學所林建村等人2011年針對各類的紫質染料來進行測試，發(fā)現(xiàn)其中以YD2-o-C8元件性能最為優(yōu)異，由此制成的高效能染敏型太陽能電池，在模擬太陽光一半強度照射下，其光電轉換效率可達13.1%的世界紀錄，這是以釕金屬作為光敏染料的DSSC元件自2005年達到11%以來至今最大突破。

生物及醫(yī)藥化學

在生物及醫(yī)藥化學，臺灣科學家以往取得的成果包括：將固相萃取及微透析膜分別整合在電泳芯片上，增加濃縮、即時取樣等分析功能，應用于連接聚合鏈鎖反應產(chǎn)物的臨床分析及蛋白質分析；發(fā)展醣類金納米粒子，應用到細菌的檢測及分析標定；嘗試用納米粒子在老鼠身上產(chǎn)生新抗體；發(fā)展出不同顏色的功能化Ⅱ-Ⅵ族半導體粒子，再將其與生物檢測上使用的抗體或DNA結合，用于細胞器標定和DNA序列鑒定，提供一種快速且精準的生物檢測技術；由核磁共振頻譜及圓二色偏光光譜分析，得到牛痘病毒蛋白質分子模型，可推斷造成此病毒蛋白質分子集結原因及負責的氨基酸；開發(fā)新合成方法，制備一系列與細胞表面醣體硫酸乙酰肝素有關的寡醣，找出結合最強的寡醣，作為復合體結構分析及電腦分子模擬設計抑制物；完成核酸突狀結構的探測及其反應機制的推導；利用光譜法定出艾滋病毒過膜蛋白核心結構形成的氨基酸殘基，并發(fā)展出引發(fā)多株抗體的抗原；研究感冒病毒與胞膜作用對pH 的變異性；發(fā)現(xiàn)回紋式核酸三螺旋在水溶液中有前所未有的新結構，其功用可能有助于核酸鏈在染色體緊密排列，證明核酸在水溶液中是一種機動平衡；完成人類抗體蛋白質工程研究，以大腸菌培養(yǎng)法大量生抗體并使之活化；研發(fā)具有抗腫瘤潛力的藥物胞核-單磷酸N-乙酰神經(jīng)胺糖酸直鏈狀類似物；證明以醣類分子包裹的金納米粒子為良好的多重價載體；開發(fā)新方法用于合成海藻醣脂醇；以肽形成淀粉狀蛋白纖維的現(xiàn)象為研究對象，了解其纖維化的過程藉由動力學的控制效應；率先報導一鍋化保護-醣鏈結反應，有效合成α1→2鏈結的雙醣體；利用光不穩(wěn)定化合物，合成一系列包覆后的肽，根據(jù)其包覆前及包覆后的光譜資料，建立其確實的結構信息；成功合成出半乳醣脂質及其衍生物，并發(fā)現(xiàn)其免疫調節(jié)活性；成功開發(fā)出以三氟甲磺酸銅鹽催化六碳醣與醋酸酐的無溶劑且高產(chǎn)率的全乙酰化反應；成功開發(fā)出以自然界存量最多的D式葡萄糖為起始物，合成多種具潛在生物活性的L式六碳醣衍生物的合成途徑等。

2006年，臺灣中研院化學所研究人員利用金屬納米材料進行蛋白質、DNA與重金屬離子的探測，并進行納米藥物的開發(fā)以調控凝血作用。所開發(fā)的高感度納米光學傳感器可用于乳癌標志物的定測量試，也可進行單一堿基對基因突變的檢測。另外開發(fā)的分子適合體納米藥物除具有快速和極佳調控凝血效果外，其高穩(wěn)定性和低副作用適合于抗凝血藥劑應用，不僅可提高與凝血酶結合能力，也可調控凝血時間。

近幾年，該研究團隊還將納米薄膜應用在光學、電化學與質譜探測器，通過制備金屬納米粒子、微納米粒子、納米團簇，并進行小分子、DNA、蛋白質和酶等功能化修飾與薄膜化，所形成的功能性復合納米薄膜可應用于汞、鉛、銅等重金屬、腫瘤蛋白、酶、DNA和癌細胞探測器的開發(fā)與控制藥物釋放。相關納米薄膜材料也可應用于表面輔助激光脫附游離化質譜儀，用以探測環(huán)境污染物，如重金屬鉛離子、大腸桿菌等。

熒光共振能量轉移方法因可以測量納米尺度的生物分子構型改變，因此近年來成為了解各種生物現(xiàn)象中分子層面的動態(tài)變化的一大利器。在利用熒光共振能量轉移方法于觀察蛋白質時，研究人員需將欲研究的蛋白作多色的熒光定點標定。然而，此步驟常異常繁瑣困難。2009年，中研院生化所楊維元等人開發(fā)出運用天然的酵素intein來大幅簡化蛋白多色熒光定點標定之步驟，使熒光共振能量轉移方法在蛋白質研究能更簡易地被運用。

傳統(tǒng)藥物動力學的區(qū)室分析方法是將生物體組織分為一至多個區(qū)室，每一個區(qū)室內部的特定物質均視為均勻分布，探討生物體內不同區(qū)室里，特定物質動態(tài)吸收、分布、代謝和排泄的定量變化趨勢，并藉以達成其藥物試驗的劑量設計、解釋造成藥效的研究。然而，對于特定區(qū)室的物質動態(tài)變化而言，常常會因缺乏適當?shù)膶嶒灁?shù)據(jù)而無法進行。為克服此難題，臺灣研究人員在2010年陸續(xù)成功開發(fā)出多種可用以進行細胞外液區(qū)室內各種原生性（如腦內金屬）及外源性物質（如金屬離子、納米粒子）動態(tài)濃度變化趨勢監(jiān)測的活體動物體內自動化連線分析技術。

大蛋白質復合體往往有容易裂解的問題，因此提高了用X光結晶學作為解析結構方法的困難度。為了了解相位顯微鏡在提高襯度（即圖像的信號噪音比）后所帶來的具體影響，中研院化學所研究人員定量比較了相位片電子顯微鏡和傳統(tǒng)電子顯微鏡在單粒子重建程序中每一步的效能，結果發(fā)現(xiàn)相位片電子顯微鏡能夠幫助分離相似構形的蛋白質圖像；而對于分子量介于10萬和50萬道爾頓的蛋白質，重建三維結構所需的圖像數(shù)目大約減為傳統(tǒng)電子顯微鏡所需圖像數(shù)目的1%至10%，因此許多不易獲得的蛋白質也有機會納入結構解析的行列。

2011年，臺灣中研院生化所吳世雄領導的研究團隊歷經(jīng)4年時間，自臺灣出產(chǎn)的釋迦及番荔枝科植物的種子中純化出8種不同呋喃鍵結型態(tài)的番荔枝科乙酰生合成物，藉由核磁共振光譜與恒溫滴定測焓儀，證實乙酰生合成物與鈣離子螯合，結合成不同形式的鈣離子類冠狀醚錯合物。在生物細胞的實驗中，他們進一步證實乙酰生合成物——鈣錯合物能協(xié)助鈣離子穿透細胞膜，增加細胞體內的鈣離子濃度，擾亂細胞體內鈣離子的均一性，進而引起粒線體的去極化，啟動細胞死亡，而提供此類天然產(chǎn)物之所以具有強烈的細胞毒殺能力的原因。此研究成果結合化學及生物學的實驗方法，厘清乙酰生合成物對細胞內離子均一性的影響，為活性天然物應用于新藥開發(fā)上提供更直接、可能的作用機制。

肌萎縮性脊髓側索硬化癥（也稱運動神經(jīng)元病或“漸凍人病”）是常見的神經(jīng)退化性疾病之一。藉由分析TDP-43C端片段的基因序列，可進一步了解其在該病患中所扮演的作用。2012年，中研院化學所研究人員利用生物信息軟件PONDR，對TDP-43蛋白的序列進行結構分析，結果顯示約80%的C端序列天生沒有結構。為了更詳盡了解C端片段的特征和物理性質，該團隊分別合成4條勝肽片段（D1-D4），結果顯示只有D1呈現(xiàn)出纖維的結構，寬度約11納米且有互相纏繞的現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)該病患者中可以找到由TDP-43所形成纖維結構的聚集物，因此推測D1具有促進纖維結構形成的能力，幫助了解此疾病所產(chǎn)生的聚集體結構上的特性，有助于找到治療該疾病的方法。

p53誘導癌細胞凋亡的抗藥性是醫(yī)學界上一直懸而未解的難題。2012年，臺灣中研院化學所李文山及王朝諺所等人成功地發(fā)展出新型的含鈀、金及銀金屬抗癌劑。此類金屬抗癌劑不僅穩(wěn)定存在似生理狀態(tài)的緩沖溶液中達3天，且有效的抑制乳癌及腦瘤細胞的生長，尤其對腦瘤細胞具較好的毒殺療效，并避開p53誘導癌細胞凋亡的抗藥性。更進一步的研究發(fā)現(xiàn)，這類金屬抗癌劑可導致p53-誘發(fā)的細胞凋亡（p53蛋白、磷酸化蛋白及bak表現(xiàn)增加）而p21蛋白表現(xiàn)減少。此發(fā)現(xiàn)可應用于解決p53誘導癌細胞凋亡的抗藥性問題，是治療腦瘤的一個重要突破。

許多膜蛋白質的異常表現(xiàn)與癌癥進展息息相關，成為癌癥檢測或藥物治療的靶標蛋白質，因此，全面性地定量膜蛋白質體可增進對膜蛋白質調控癌癥的機制及其信息傳遞路徑的了解。臺灣中研院化學所陳玉如等長期致力于開發(fā)癌癥中蛋白質異常表現(xiàn)及轉譯后修飾的高效能分析平臺，為了尋找癌癥標識蛋白質，開發(fā)一套簡單的資訊輔助免標定定量策略，結合新開發(fā)的膠體輔助蛋白質水解法、高效能液相層析串聯(lián)質譜法以及生物資訊等技術，并成功應用于大腸直腸癌的個人化癌癥與正常組織的膜蛋白體分析。該研究針對組織膜蛋白體提出一套靈敏的定量分析策略，并且在2012年成功建立第一個人類大腸直腸癌膜蛋白體數(shù)據(jù)庫。預期此策略能有效地應用于其他癌癥組織的分析，并找出具有潛力的生物標記分子。

細胞的基因每天都遭受不同形式的損害，但同時，細胞也具有修復雙股DNA斷裂的反應機制。Pif1解旋酶是一種蛋白質，具有將雙股螺旋DNA解開的能力。2013年，臺灣大學生化研究所冀宏源等人利用酵母菌和細菌的蛋白質表達系統(tǒng)，以及各種蛋白質的純化技術，最終得到至少13種高純度的重組蛋白質，以建立同源重組修復基因的反應系統(tǒng)，來研究Pif1解旋酶的作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，Pif1解旋酶利用本身水解高能化合物ATP作為能量的來源，來解開DNA雙股螺旋的結構，以利于DNA聚合酶能順利的進行DNA復制，可完成修復受損的基因。此重要發(fā)現(xiàn)有助于未來的藥物開發(fā)與癌癥治療。