實驗室

A.共軛高分子開發與螢光化學感測材料研究

職員

博士後研究人員：喬雅卡博士(Dr. Priyanka Chaudhary)

學生

博士班

二年級：斯玉尼 (Aswini kumar Nath)

碩士班

二年級： 吳閔凱

一年級：李和謙、呂昀祐、張佑丞(五年一貫)、潘冠羽(五年一貫)

大學部

大四專題生：吳奕妤、王永丞、羅子涵、標蘋瑩、許喬甯、陳佑綸、吳伊敏

大三專題生：鄭安庭、曾奕霖、鄭弘揚、王沛鈺、詹育翔、陳豌橙、盧昀慧

大二專題生：張尹瑄、陳藝方、許春惠、許睿晉、宋金齡、陳致豪、黃翊誠、鄭晴方、林香妍、江婕瑜

帳務業務：吳閔凱、潘冠羽
網管業務：呂昀祐
環安衛事務：李和謙
財產設備：張佑丞

本實驗室創立於2010年2月，研究主題主要為共軛高分子開發與螢光化學感測材料研究、氮化碳量子點材料開發、RAFT可控制型活性聚合與刺激感應型高分子材料研究、嵌段雙親性高分子微胞與水凝膠材料及其細胞毒性研究和導電性水凝膠製備與感測器/穿戴裝置研究， 茲簡介如下整理。本實驗室迄今已指導三位博士生、四十多位碩士生和超過七十位大學部學生。

A.共軛高分子開發與螢光化學感測材料研究-共軛高分子由於擁有高度溶解性、成膜性質和有利於製作加工性，在高分子發光二極體、記憶元件與高分子太陽能電池等高效率光電元件應用上，引起廣大的研究注意。本實驗室合成一系列含有不同芴(fluorene)、三苯胺(triphenylamine)、咔唑(carbazole)和二酮吡咯並吡咯(diketopyrrolopyrrole; DPP)為主體之線性及超分枝狀聚芴高分子，探討其分子結構(共軛性、推拉電子及分枝程度)與分子內/外能量或電荷轉移、光電特性(量子效率、熱穩定性、FRET、發光顏色調變)之關連性，並利用添加的陽/陰離子、胺基酸分子、ammonia氣體、H2O2和terpyridine或di(2-picolyl)amine分子產生螯合能量轉移或利用不同酸鹼pH值調控發光顏色等效應，使高分子螢光強度增強/減弱或波長紅/藍位移，以期應用在螢光化學感測器上。下圖為含有DPP分子的線性聚芴高分子因photoinduced energy transfer作用檢測Fe3+離子，因intermolecular proton transfer作用與F-離子產生螢光萃熄現象，此高分子具有多重螢光感應現象，下下圖為高分子在不同酸鹼值下的螢光發光情形，照片內數字代表其螢光量子效率大小。這些發光顏色和亮度與共軛高分子與待測物(陽/陰離子、proton、溶劑極性)之間發生能量轉移、電荷轉移、分子平面性改變有關，此顯示出我們所開發的共軛高分子在環境保護及水質檢測上具備極大的潛力。

B.氮化碳量子點材料開發-近年來，量子點由於擁有優越的光電特性，在偵測金屬離子和生物分子上受到廣大的研究興趣。但是由於量子點在穩定性和生物相容性上的缺點，使得量子點的實際應用受到很大限制。因此，爲了克服奈米粒子高表面能、易聚集等缺點，許多有機小分子和高分子被應用於量子點的表面修飾中。經由表面修飾過的量子點，不僅提高了穩定性和分散性，而且還可以通過不同有機物的修飾來獲得各種各樣功能性的量子點表面以及不同於單純有機物或無機量子點的光電性質。過去一般石墨型氮化碳量子點(g-C3N4-based graphene quantum dots, g-C3N4 GQDs)常以檸檬酸和乙二胺或尿素等多種反應物在高壓釜反應器下進行高溫高壓下的水熱法反應，再加以聚乙二醇高分子進行表面修飾，而本研究室跳脫傳統的合成方法，創新研發出僅以鄰苯二胺(o-phenylenediamine, o-PD)為單一製備石墨型氮化碳量子點的材料(o-GQD)，不需添加任何其他反應物和表面修飾劑，在水溶液環境下反應兩小時，經由離心和透析純化之後，即可得黃橘光發光的石墨型氮化碳量子點，其化學結構示意圖及發光顏色如下圖。o-GQD在水和乙醇中量子效率分別為99和86%。

C.RAFT可控制型活性聚合與分子自組裝研究-由於活性自由基聚合技術(Controlled/living radical polymerization)具備合成方便性、可預測聚合反應程度和分子量性質、窄分子量分佈及多樣性的聚合環境與反應條件，近年來引起許多化學家廣大的研究興趣。目前的活性自由基聚合方法，主要可以分為原子轉移自由基聚合(ATRP)、氮氧化物調控自由基聚合(NMP)與可逆加成-斷裂鏈轉移聚合法(RAFT)三種。在這些自由基聚合技術之中，可逆加成-斷裂鏈轉移聚合法(RAFT)顯現許多值得注意的優勢，包括簡易的聚合程序、單體選擇和聚合條件的多樣性，甚至可以容忍過渡金屬等不純物的存在。本實驗室利用RAFT活性聚合技術合成含有較親水性4-acetoxy styrene和疏水性偶氮苯分子的光感應型團聯狀高分子，探討其高分子分子結構與熱性質、光學性質的相關性及自組裝行為研究。下圖為團聯狀高分子在THF: H2O之下呈現圓球狀微胞的分子構形。本研究室利用RAFT活性聚合方法合成不同分子結構的兩性(amphiphilic)團聯狀高分子，探討不同聚合條件、動力學、溶劑、濃度及熱處理之分子自組裝行為。

D.刺激感應型高分子材料研究-溫度敏感高分子在單體內各具有一疏水官能基團和一親水官能基團，例如:聚異丙基丙烯醯胺poly(N-isopropylacrylamide, PNIPAm)為常見的溫度敏感型高分子，在鏈段中具有親水性官能基(C=O、N-H)和疏水性官能基，因此高分子隨溫度變化具有親疏水轉變的功能。PNIPAM其最低臨界溶解溫度(lower critical solution temperature, LCST)約在32oC，此溫度範圍是適合應用在人體的極良好生醫材料，在溫度低於LCST時，水是極佳溶劑，高分子為鏈捲曲且柔軟的型態，在生醫應用方面具有極大的潛力。當溫度高於32oC時，高分子親水性鏈段分子內氫鍵(C=O…H-N)作用力大於分子間氫鍵作用力，疏水性鏈段與水分子產生疏水特性，高分子結構收縮而脫水，變成不透明的雲狀物；當溫度低於32oC時，高分子可再溶解於水中，但再溶解速率一般較沉澱速率慢，此時高分子親水性鏈段(C=O、N-H)會與水分子形成分子間氫鍵，水分子大量分布於高分子結構中，高分子鏈段變得捲曲且柔軟的型態，展現極為親水特性(溶解度佳)。本實驗室利用自由基聚合合成一系列溫度或酸鹼敏感的高分子鏈段，可藉由共聚不同親疏水官能基高分子單體來調控LCST，進而提升實際應用的最佳效果。下圖為樣品穿透度變化和實際外觀照片。

E.雙親性高分子微胞材料與細胞毒性研究-近年來，高分子微胞應用在藥物載體的研究上受人注目，主要是因為微胞的組成為雙親性共聚合物，包含微胞殼外的親水段及核心的疏水段兩部份，以自組裝(self-assembly)方式成為高分子載體。高分子微胞疏水段部份負責藥物的儲存，以物理吸附方式或化學鍵結方式儲存，親水段部分則負責微胞結構的穩定性，以及當作核心與外界環境的橋樑，使其成為一個有功能性的微胞。本研究創新和重點特色在於利用ROP開環聚合和RAFT聚合技術製備兩種新穎性雙親性嵌段高分子，其中聚乙二醇PEGA單元為親水段和ε-環己內酯(CL)-丙烯酸2-羥乙酯(HEAPCL)單元為疏水段結構，利用上述高分子自組裝成高分子微胞，藉以包覆阿黴素(DOX)藥物。在本研究室的預實驗中，我們以上述雙親性嵌段高分子(poly(PEGA-b-HEA-PCL))包覆DOX藥物，包覆藥量和包覆效率各分別約14.98–58.44 μg/ml和3.74–14.61 %。後續於MTT細胞存活率的實驗中，對纖維母細胞(3T3)及神經母腫瘤細胞(BE2-M17)進行觀察。下圖為雙親性嵌段高分子的DLS粒徑分析和TEM型態，微胞粒徑約127.2 nm。目前正在優化高分子微胞載藥率，預期這些雙親性高分子微胞能應用於藥物釋放和細胞毒化系統中。

F.導電性水凝膠製備與感測器/穿戴裝置研究-由於PNIPAm高分子/Ag複合導電性水凝膠擁有溫敏性、導電性及類生物組織特性，在軟式機器人和仿生皮膚領域展現出優異的應用潛力。近年來，本研究利用自由基聚合法於低溫下製備具有溫度響應性、導電性及氧化還原性的複合水凝膠(PEDOT:PSS@AgNP/poly(NIPAm-co-BAC) semi-IPN)，聚合過程中使用不同比例的導電性高分子聚二氧乙基噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、Ag奈米粒子、氧化還原響應單體N,N’-bis(acryloyl)cystamine (BAC)及溫度響應性N-isopropylacrylamide (NIPAm)單體，並於低溫下且氮氣的環境中進行自由基聚合。實驗數據由NMR光譜法確定水凝膠中導電高分子的比例和交聯程度，並藉由四點探針探討不同比例下，水凝膠的導電性質的差異。實驗數據顯示不同比例的導電型水凝膠之熱裂解溫度約在410℃左右，由此可知水凝膠具備良好的熱穩定性。由於NIPAm單體的溫度響應特性賦於水凝膠能感知外界溫度，於33℃時產生相變化的情形。隨著導電高分子比例增加，而使lower critical solution temperature逐漸降低。此外，當加入PBS試劑後，水凝膠的結構被還原降解，隨著水凝膠中交錯金屬效應及交聯度的影響，降解速度較慢，展現出較高的穩定性。結果顯示，導電型水凝膠之感知能力、導電性及結構穩定性，能增進感測器與穿戴裝置之研究。

氣相層析儀

高壓釜裝置

冷凍乾燥機

水分測量儀

靜電紡絲裝置 (Electrospinning)

紫外線可見光光譜儀(包含控溫系統)

螢光光譜儀

凝膠滲透層析儀

循環伏安儀

電變色光/電化學聯用裝置

離心機

黏度計

旋轉塗佈機

Gaussian高斯軟體

pH meter

旋轉濃縮機

真空乾燥系統

紫外燈裝置

真空烘箱

超音波洗淨器

電子天平

防潮箱

液態氮桶

研究計畫

1. 含接枝親水基溫度敏感性高分子之氮摻雜碳量子點奈米載體製備及其生物相容與藥物輸送之研究(國科會，1140801~1170731，NSTC 114-2221-E-155-005-MY3)
2. 利用RAFT活性聚合法製備含離子辨識基團之雙親性溫度敏感型高分子及其分子微結構與螢光感應性質之研究探討(國科會，1130801~1140731，NSTC 113-2221-E-155-012)
3. 新穎三維超分子手性光子晶體光制動彈性薄膜之研究與應用(國科會，1120801~1150731，NSTC112-2221-E-006-168-MY3)
4. 利用活性RAFT聚合技術製備含不同苯硼酸取代基位置之刺激型嵌段高分子、自組裝、螢光感應和糖類偵測性質探討(國科會，1110801~1130731，MOST111-2221-E-155-003-MY2)
5. 利用ROP開環和活性RAFT聚合技術製備雙親性嵌段高分子及其生物相容與藥物釋放之應用(科技部，1100801~1110731，MOST110-2221-E-155-001)
6. 含偶氮苯及蔥基團之高分子染料製備及其光學性質探討(科技部產學合作計畫，1101101~1111031，MOST110-2622-E-155-012)
7. 含氮摻雜量子點作為標靶治療神經母腫瘤細胞GD2奈米載體之研究(亞東醫院產學合作計畫，1101001~1110930)
8. 含四苯基乙烯基團之可逆刺激型高分子微胞研究-活性聚合、聚集誘導螢光和溫度與酸鹼值感測性質探討(科技部，1090801~1100731，MOST109-2221-E-155-053)
9. 新穎可調控液晶複合雷射摻混鈣鈦礦量子點之研究與應用(科技部，1090801~1120731，109-2221-E-006 -208 -MY3)
10. 石墨型氮化碳量子點製備、物性分析及神經母細胞瘤治療之應用(亞東醫院產學合作計畫，1091001~1100930)
11. 含偶氮苯基團之嵌段共聚物活性聚合及其溫度、酸鹼值、紫外光與氣體分子之感測性質研究(科技部，1080801~1090731，MOST108-2221-E-155-037)
12. 兩親性PEG/PCL高分子微胞製備、物性分析及於大腸癌治療之應用研究(亞東醫院產學合作計畫，1081001~1090930，150008-15)
13. 軟性壓克力樹脂合成及其物性探討(產學合作計畫，1080901~1090229，RD1080126) 
14. 利用水熱法製備含表面修飾四硫富瓦烯結構共軛高分子/硒化鎘量子點複合材料及其多功能螢光感測性質研究(科技部，1070801~1080731，MOST107-2221-E-155-019)
15. 紫外線光可架橋型壓克力樹脂合成及其物性探討(產學合作計畫，1070701~1080630，RD1060130) 
16. 利用RAFT活性聚合法和偶合反應合成含二酮吡咯並吡咯基團之共軛高分子及其在高分子溶液和奈米纖維之多重感測應用探討(科技部，1060801~1070731，MOST106-2221-E-155-055)
17. 含表面修飾硒化鎘之高分子複合材料製備與螢光化學感測應用研究(科技部，1050801~1060731，MOST 105-2221-E-155-079)
18. 利用RAFT聚合法合成含壓克力系BA/MA分子結構之團聯狀高分子及其分子結構與物性探討(產學合作計畫，1040701~1050131，RD1030545) 
19. 以共軛高分子結合硫化鎘或硒化鎘之有機無機奈米複合材料合成及其在太陽能電池上的應用探討(科技部，1030801~1040731，MOST 103-2221-E-155-072)
20. 含光致變性分子之微波輔助可控制型自由基聚合反應及其自組裝行為探討 (國科會，1000801~1020731，NSC 100-2113-M-155-001-MY2)
21. 含不同分子辨識基團之線性和超分枝狀共軛高分子合成及其離子感應性質探討 (國科會，990801~1000731，NSC 99-2113-M-155-001)
22. 新穎性超分枝狀共軛高分子之合成及其在螢光化學感測器之應用探討 (國科會，980301~990731，NSC 98-2113-M-155-001-MY2)
23. 高充放電效能及安全性佳鋰離子電池研發(國科會私校特色計畫，990801~1021031，NSC 99-2632-E-155-001-MY3)

得獎

1. 元智大學111學年度「工程學院教學傑出獎」，工學院僅有一人
2. 2019台灣創新技術博覽會榮獲專利獎銀牌
3. 元智大學105學年度「青年學者研究傑出獎」
4. 元智大學104學年度「教師輔導暨服務傑出獎」
5. 國科會113年度大專學生研究計畫創作獎「含離子辨識基團之雙親性溫敏性高分子合成及其微結構與螢光感應之研究探討」
6. 國科會114年度大專學生研究計畫「含三吡啶離子辨識基團之雙親性PEG熱感應性嵌段高分子合成及其自組裝現象與螢光感應之性質研究」
7. 國科會114年度大專學生研究計畫「新穎智慧型導電水凝膠材料開發及其溫度響應與電子皮膚性質之研究」
8. 國科會113年度大專學生研究計畫「含離子辨識基團之雙親性溫敏性高分子合成及其微結構與螢光感應之研究探討」
9. 國科會112年度大專學生研究計畫「多刺激響應之雙親性三吡啶共聚物研究：合成、離子螢光感應性質與分子自組裝性質」
10. 科技部111年度大專學生研究計畫「含開環聚合不同酯基長鏈之雙親性嵌段高分子微胞製備及其生物相容性質之應用探討」
11. 科技部111年度大專學生研究計畫「利用RAFT活性聚合技術製備含量子點/isoprene之複合可拉伸式螢光彈性體及其物性探討」
12. 科技部109年度大專學生研究計畫「利用活性自由基聚合法製備含AIE基團之刺激型高分子微胞及其聚集誘導螢光和溫度與酸鹼值感測性質探討」
13. 科技部108年度大專學生研究計畫「利用活性自由基聚合法和偶合反應製備含二酮吡咯並吡咯基團之高靈敏性螢光高分子奈米纖維及其感測性質探討」
14. 科技部107年度大專學生研究計畫「含二酮吡咯並吡咯基團之D-π-A共軛高分子合成及其在金屬離子和氣體之感測性質探討」
15. 科技部106年度大專學生研究計畫「含Diketopyrrolopyrrole結構之共軛聚芴高分子合成、能量轉移及雙重螢光化學感測性質探討」
16. 科技部103年度大專學生研究計畫「以三聚茚為主鏈結構之磁性共軛高分子合成及其太陽能電池性質探討」
17. 國科會102年度大專學生研究計畫「以四硫富瓦烯衍生物為主鏈結構之共軛高分子合成及其太陽能電池性能探討」
18. 2015年國際智慧感測技術研討會暨第二十屆化學感測器協會研討會口頭競賽佳作獎
19. 2013年第十八屆化學感測器科技研討會(2013 Annual Conference of Chemical Sensors)奈米與合成材料組口頭論文競賽佳作
20. 中國工程師學會110年度學生分會論文競賽化工組佳作獎
21. 中國工程師學會104年度學生分會論文競賽材料組第二名
22. 中國工程師學會103年度學生分會論文競賽化工組佳作獎
23. 2015年有機/無機混成材料與紡織品工業基礎技術深耕計畫2015專題論文競賽佳作獎
24. International Union of Materials Research Societies- International Conference on Electronic Materials 2014 (IUMRS-ICEM 2014)D組有機材料組最佳海報獎
25. 2018年中華民國高分子學會研討會榮獲高分子壁報銀牌獎
26. 2018年中國材料科學年會研討會高分子/軟物質特性與應用組別壁報論文優等獎
27. 2020年台灣化學工程研討會材料在化工上的應用組別壁報論文佳作獎
28. 2020年台灣化學工程研討會英語口頭論文競賽佳作獎
29. 2018年台灣化學工程研討會材料在化工上的應用組別壁報論文佳作獎
30. 2016年中華民國高分子學會研討會高分子複合材料組壁報佳作
31. 2015年中華民國高分子學會研討會高分子化學組壁報優等
32. 2014年中華民國高分子學會研討會高分子化學組壁報優勝
33. 2010年中華民國高分子學會研討會光電高分子組壁報第二名
34. 2010年中華民國高分子學會研討會光電高分子組壁報佳作 
35. 2007年中華民國高分子學會研討會光電高分子組壁報第二名
36. 2007年中華民國高分子學會研討會光電高分子組壁報佳作
37. 2016年台灣化學工程研討會材料在化工上的應用組壁報佳作
38. 2016年中國材料科學年會研討會環境能源組壁報佳作
39. 2013年台灣化學工程研討會材料在化工上的應用組壁報優勝
40. 2013中華民國營建工程學會研討會C、D組口頭報告第二名
41. 元智大學110學年度工程學院工程論文競賽-化材組特優
42. 元智大學109學年度工程學院工程論文競賽-化材組特優
43. 元智大學109學年度工程學院工程論文競賽-化材組佳作
44. 元智大學108學年度工程學院工程論文競賽-化材組特優
45. 元智大學108學年度工程學院工程論文競賽-化材組優等
46. 元智大學106學年度工程/電資通學院工程論文競賽-化工與材料組優等
47. 元智大學104學年度工程/電資通學院工程論文競賽-化工組佳作
48. 元智大學103學年度工程/電資通學院工程論文競賽-化工組特優
49. 元智大學103學年度工程/電資通學院工程論文競賽-材料組優等
50. 元智大學102學年度工程/電資通學院工程論文競賽-材料組優等
51. 元智大學102學年度工程/電資通學院工程論文競賽-化工組佳作
52. 元智大學102學年度工程/電資通學院工程論文競賽-能源組優等
53. 元智大學101學年度工程/電資通學院工程論文競賽-材料組優等
54. 元智大學101學年度工程/電資通學院工程論文競賽-化工組佳作

歡迎對有機光電高分子材料有興趣的研究所和大學部同學加入本研究室的行列！