2023 年化學領域 10 大新興研究

 

國際理論化學和應用化學聯合會（IUPAC）公布了 2023 年十大化學新興技術的評選结果。該項目的目標是展示化學的變革價值，讓公眾了解化學科學在促進社會福祉和地球可持續發展方面的潛力。這些技術被定義為介於發現和完全商業化想法之間的科學進步，具有在化學、可持續發展及其他領域開創新機會的突出潛力。2023 年入圍者（按字母順序排列）：

• Artificial muscles
• Biological recycling of PET
• Chloride-mediated removal of ocean CO₂
• Depolymerisation
• GPT language models in chemistry
• Low-sugar vaccination
• Phage therapy
• Photocatalytic hydrogen
• Synthetic electrochemistry
• Wearable sensors

國際化學(Chemistry International, CI) 在2023 年 10 月刊發表的一篇專題文章進一步詳細介紹了 2023 年十大化學新興技術。該篇文章的作者Fernando Gomollón-Bel闡明：「2023 年化學領域的『十大』新興技術代表了多樣化的選擇—從非常早期的想法到工業化的創新，涉及化學的許多不同領域，包括合成、材料科學、能源、生物醫學和教育。也許我們不應將化學視為 『中心科學』，而應將其視為『 連接科學』—一門促進跨學科合作和鼓勵工業創新的科學。同樣，可持續發展仍然是 『十佳』評選中的一個普遍主題—該倡議的最終目的仍然是確保未來的可持續發展，推動我們的社會進步，提高我們的生活質量。」

推展中心化學組負責協助國內外化學相關研究機構合作及學術交流，支援化學學門與科學推展中心SPEC，也會補助及辦理學術活動，統整學術訊息，進行研究能量統計。歡迎大家透過每年固定於4月、8月、12月推出的工作報告通訊，了解推展中心化學組的工作成果。

Photosalience and Thermal Phase Transitions of Azobenzene- and Crown Ether-Based Complexes in Polymorphic Crystals

Chi-Hsien Wang, Yi-Chia Lin, Surojit Bhunia, Yuanning Feng, Pramita Kundu,

Charlotte L. Stern, Pei-Lin Chen, J. Fraser Stoddart, and Masaki Horie

J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 21378–21386

國立清華大學 化學工程學系 堀江正樹教授

國立清華大學 化學工程學系 王祺嫻博士

刺激響應型分子晶體因具備應用於感測、致動和光電子學等各個領域的潛力，已成為備受關注的新型智能材料。然而，晶體的微觀結構與其機械性能之間的關係仍需進一步的探究以更佳功能化這些晶體。在這項研究中，我們發表了一非互鎖型複合物的三種晶型（A、B和C），由二苯駢-18-冠醚-6（DB18C6）環和含偶氮苯基之銨陽離子組合而成。它們表現出不同於彼此的熱相變、光致變形和機械行為。通過變溫X光單晶繞射實驗，我們觀察到A經加熱後轉變為B以及C經加熱再冷卻後轉變為B的結構變化。另外在照射特殊波長的光時，A呈現可逆彎曲，B則為等向膨脹。而C在光照下表現出單軸負膨脹，晶體厚度亦增加了44%。經由微力量測和納米壓痕技術得知A晶體因具有較低的彈性模數而表現出較為明顯的光響應形變。這些特性皆歸因於設計的非互鎖型分子結構，使偶氮苯單元在晶體中更具靈活性。這項研究在結構-熱機械性質和結構-光機械性質之間相關性有重大的進展，有助於開發具有一定特性的多刺激響應材料。

Investigation of Zn-Substituted FeCo₂O₄

for the Oxygen Evolution Reaction and Reaction Mechanism Monitoring through In Situ Near-Ambient-Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy

Pongsatorn Patta, Ya-Yu Chen, Manjula Natesan, Chien-Lin Sung, Chueh-Cheng Yang, Chia-Hsin Wang, Tsuyohiko Fujigaya, and Yu-Hsu Chang

ACS Catal. 2023, 13, 20, 13434–13445

國立臺北科技大學 資源工程研究所 張裕煦教授

國家同步輻射研究中心 王嘉興副研究員

為實現2050年淨零碳排願景，利用夜間餘電進行水分解產生氫能以供給部分國內需求是可行的方向之一，也將成為國內自產氫氣的主要方法。水分解之氧化半反應牽涉四電子轉移為速率決定步驟，開發新的陽極材料以提升析氧速率在過去20年是非常熱門的研究題材。本研究利用陽離子取代的概念應用於鐵鈷氧化物尖晶石催化材料 (Zn_xFe_1–xCo₂O₄, 0 < x < 0.6)，有效提升其電極/電解質界面的電子傳輸與活性位點，進而加速電化學析氧反應。同時，使用同步輻射之近室壓 (0.3 mbar) X光光電子能譜結合液固相電化學反應載台及時觀察電催化時材料表面陽離子價數的變化，光譜顯示於不同施加電壓反應時 Co (II)、Co (III) 逐漸氧化成 Co(IV)，適當的陽離子取代可於材料表面生成約 51% 的 Co (IV)，證實其為析氧反應最關鍵的中間體。除了關注陽離子參雜的議題外，團隊目前正進行酸根陰離子取代的相關研究，初步結果顯示此策略同樣可有效地提升陽極半反應的反應速率。

Unlocking Catalytic Potential: Exploring the Impact of Thermal Treatment on Enhanced Electrocatalysis of Nanomaterials

Dr. Sakthivel Kogularasu, Prof. Yen-Yi Lee, Dr. Balasubramanian Sriram,

Prof. Sea-Fue Wang, Prof. Mary George, Prof. Guo-Ping Chang-Chien,

Prof. Jinn-Kong Sheu

Angew. Chem. Int. Ed. 29, September 2023, e202311806

正修科技大學 環境毒物與新興污染研究中心 張簡國平教授

國立成功大學 光電科學與工程學系 許進恭教授

在電催化領域的發展中，對奈米電催化劑的熱處理方式已成為提高性能的基本策略。這篇評論系統性地探討了各種熱處理方式對奈米電催化劑其催化潛力的影響。重點包括:深入分析在結構、形態和組成性質上所產生的變化，以及在電活性表面積、表面化學和晶體缺陷上的變化。通過提供常用熱處理方式的全面比較，如:退火、煅燒、燒結、熱裂解、水熱和溶劑熱方法，此評論提供選擇合適的熱處理方式和溫度來量身製造奈米電催化劑，以實現最佳的電催化反應。並進一步探討如:電化學(生物)感測、催化分解、氧還原反應、氫釋放反應、水分解、燃料電池和二氧化碳還原反應等關鍵電化學反應中催化活性的結果。通過對基本機制和協同效應的完整評析，此評論為熱處理在增強電催化性質中的作用提供了基本的理解，並且提供未來優化奈米材料的電催化性能的研究提供了路線圖，促進了下一代傳感器和能量轉換技術的發展。

Unraveling Metal–Ligand Bonding in an HNO-Evolving {FeNO}⁶ Complex with a Combined X-ray Spectroscopic Approach

Leland B. Gee, Jinkyu Lim, Thomas Kroll, Dimosthenis Sokaras,

Roberto Alonso-Mori, and Chien-Ming Lee

J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 38, 20733–20738

國立臺東大學 應用科學系 李建明教授

具自由基特性的一氧化氮(NO)分子能調控生物體內的許多生理反應，一氧化氮能夠進一步的被還原而形成次硝酸(HNO/NO⁻)，次硝酸已被證實具有心肌藥理反應，因此具有潛力作為有效的強心劑(positive inotropic effect)。然而，HNO/NO⁻非常不穩定，在很低濃度時就會進行雙聚化而形成一氧化二氮(N₂O)和水分子。因此，開發能提供次硝酸的前驅分子是有趣的研究主題之一。在這一篇文章裡，透過與Leland B. Gee博士團隊合作，利用其團隊所建立的多重X-ray光譜方法，例如: Fe K β XES，valence-to-core (VtC) XES和K β-detected high-energy-resolution fluorescence detected (HERFD) XAS，我們針對之前發現的四個含鐵-硫­-亞硝基化合物的電子結構更進一步的探討。這四個化合物分別為具有垂硫醇的鐵-硫­-亞硝基化合物1、化合物1光照釋放HNO/NO⁻後的產物四價鐵-硫之化合物4、具有垂硫醚的鐵-硫­-亞硝基化合物2和化合物2光照後釋放NO的產物三價鐵-硫之化合物3。此外，這些多重X-ray光譜的結果可作為未來在時間分辨(time-resolved)光譜分析的基石。 

Improbable Rotaxanes Constructed From Surrogate Malonate Rotaxanes as Encircled Methylene Synthons

Chi-You Tsai, Dr. Hung-Te Cheng, Prof. Sheng-Hsien Chiu

Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, 44,  e20230897

國立臺灣大學 化學系 邱勝賢教授

由於內鎖的結構可以改變客體諸如溶解度、聚集能力或光學性質等特性，同時也能減少外部化學物質與客體間的作用或反應， 許多重要的藥物、染料或催化劑等化合物，或許可藉由將其內鎖為車輪烷(rotaxane)來提升其應用的潛力與多樣性。然而，由於車輪烷分子的製作主要係利用大環對客體分子上特定官能基團的辨識來完成，因此對於結構上不具有此類可辨識官能基團的客體而言，則因其無法在溶液中形成客體穿隧大環的準車輪烷(pseudorotaxanes)結構，而使其相對應車輪烷的合成極具挑戰性。此類車輪烷被稱為莫明車輪烷[impossible (or improbable) rotaxane]，肇因於客體上不存在已知可受辨識的官能基團，因此直觀上無法逕行指出其可能的合成路徑。為了提供可將不同型態之客體製備為莫明車輪烷的泛用手法，邱勝賢教授實驗室開發了一個以含丙二酸酯(malonate ester)的[2]車輪烷作為莫明車輪烷合成中，內鎖亞甲基合成子的新策略。為了證明此一合成手法在適用客體上的結構廣泛性，邱教授實驗室完成了將烴類(亦即全碳氫組成)客體內鎖之[2]-與[3]車輪烷的合成，其結構中承繼自個別丙二酸酯車輪烷的部分僅為單一的大環與亞甲基。因此，對於結構未能具備已知辨識官能基團的客體，若其組成可拆分為一個亞甲基以及與其相連的兩分子片段，則其內鎖車輪烷應有相當機會可透過此一合成手法來製備。

Controlling Circularly Polarized Luminescence Using Helically Structured Chiral Silica as a Nanosized Fused Quartz Cell

Hinari Sakai, Tsz-Ming Yung, Tomoki Mure, Naoki Kurono, Syuji Fujii,

Yoshinobu Nakamura, Teruaki Hayakawa, Ming-Chia Li, and Tomoyasu Hirai

JACS Au 2023, 3, 10, 2698–2702

國立陽明交通大學 生物科技學系 李明家副教授

日本大阪工業大學 應用化學科 平井智康副教授

螺旋結構是在熱力學理論上同時可以透過二次作用力達到降低能量（焓）與透過立體螺旋構型增加亂度（熵）之拓撲結構之一。在生物系統中，單一掌性螺旋結構，如蛋白質的α螺旋和DNA雙股螺旋結構，其形成主要來自於其結構中具有不對稱碳和立體中心之掌性傳遞效應，如 L-氨基酸和 D-葡萄糖。當這些生物掌性材料進一步組裝形成超分子螺旋結構，它們將負責涉及識別，催化，離子轉運，遺傳信息傳遞與存儲等重要功能。

基於前述仿生概念，我們團隊透過分子設計及合成，利用活性陰離子聚合反應開發出側鏈具有多面體矽氧烷寡聚物（POSS）之立體規則性壓克力高分子材料。透過掌性誘導效應與POSS空間立體障礙之協同效應，成功控制POSS沿著高分子主鏈排列成具特定旋性之高分子螺旋構型。隨後，利用簡單高溫窯燒移除掌性分子成功燒結出具右旋或左旋螺旋結構之奈米石英玻璃容器。同時，證實了掌性記憶效應的存在。再者，當我們將不具掌性之單一螢光分子和溶劑同時放入奈米玻璃容器中，可以有效避免螢光自淬熄。透過混合溶劑比例調控即可自由地產生綠色到藍色的圓偏振發光，成功建立控制分子基態及激發態發光色彩與調控光學活性的技術，可作為掌性藥物分離與立體顯示之應用，該研究獲選期刊內頁封面故事。

Competitive Assay for the Ultrasensitive Detection of Organophosphate Pesticides Based on a Fiber-Optic Particle Plasmon Resonance Biosensor and an Acetylcholinesterase Binding Peptide

Pallavi Chaudhari, Lai-Kwan Chau, Loan Thi Ngo, Ting-Chou Chang,

Yi-Ling Chen, and Kuang-Tse Huang

Anal. Chem. 2023, 95, 39, 14600–14607

國立中正大學 化學暨生物化學系 周禮君特聘教授

國立中正大學 化學工程學系 黃光策副教授

世界各地在農業及園藝花卉等方面，往往利用農藥來驅除會危害農產品的害蟲、害菌或雜草進而有效地增加產量。然而，農藥是有毒的化學物質，若使用不當將會影響環境並對人體有害。為了檢測農藥的殘餘，我們致力於有機磷殺蟲劑(organophosphates; OP)超靈敏生物感測器的開發，整合光纖金奈米粒子表面電漿共振的技術、乙醯膽鹼酯酶（acetylcholinesterase; AChE）及其接於奈米金含8個胺基酸之高親合性胜肽抑制劑，透過 AChE 競爭性結合來測定OP。溶液中OP的存在會競爭性地與AChE表面深20 A狹窄峽谷底部的活性位點形成不可逆之鍵結進而阻礙AChE與生物感測器上胜肽的結合。使用此方法對巴拉松(Parathion)所獲得的檢測極限為0.66 ppt (2.3 pM)且測量的線性動態濃度範圍橫跨6個數量級。 此外，這 AChE 抑制性胜肽-生物感測器在量測OP時不會受到胺基甲酸鹽類(carbamates)的干擾。在實際應用的加標測試，此偵測方法具有良好的回收率和重現性，且由於加標樣品在分析前僅需要簡單的預處理； 因此，此生物感測器也方便於現場使用。

Real-time bottom-up characterization of protein mixtures enabled by online microdroplet-assisted enzymatic digestion (MAED)

Cheng-Hua Ma, Chih-Lin Chen and Cheng-Chih Hsu

Chem. Commun., 2023, 59, 12585-12588

國立臺灣大學 化學系 徐丞志副教授

電噴灑法 (electrospray) 被廣泛用於生物分子在進入質譜分析之前的游離化。近年來陸續有團隊發現到，透過電噴灑所形成的微米級液珠 (microdroplet) 中，許多過去在巨觀尺度（例如燒杯中）難以進行的化學反應，在微米液珠內能飛躍性的提升至毫秒以下的時間尺度，且此種特殊的反應加速現象也適用於生物分子的酵素反應，且其反應速率加大了百萬倍。如此特殊的現象，我們團隊也開始嘗試尋求應用的可能性。

蛋白質體學是人類用來理解細胞生理與疾病機制的重要工具，同時在近年的藥物開發與設計的過程中也扮演愈來愈重要的角色。液相層析質譜法被廣泛用於蛋白質的序列分析上；傳統上，生物樣品須先以水解酵素進行消化反應 (digestion)，將蛋白質切為小的胜肽片段後才進行質譜分析，然而酵素的消化反應通常需要數十小時，因此該步驟為傳統蛋白質分析流程的「速率決定步驟」。在本研究中，我們藉由串連液相層析與微米液珠內加速酵素消化的現象，打造一個簡單且快速的蛋白質體分析平台，稱作線上微米液珠輔助消化 (Online microdroplet-assisted enzymatic digestion, MAED)。對於序列分析上，樣品無須分析前在燒杯內被消化，我們首先針對混和蛋白質標準品進行測試並且在其中各蛋白質取得100%的序列覆蓋率，證明其可行性。我們之後將此平台應用至抗體的分析，也獲得與傳統方法（需花費12小時在溶液中用酵素消化）相似的結果。在鼠腦樣品的測試上，我們在複雜樣品中成功鑑定出鼠腦蛋白質，並且探討水解酵素濃度對鑑定結果的影響。最後，線上MAED相較於傳統方能在低分子量蛋白的鑑定分析上取得較佳的結果。總而言之，透過微米液珠強大的催化活性，我們針對混合蛋白質樣品之鑑定分析提供一個簡單且快速的替代方案。此方法不僅大幅縮短蛋白質分析的流程，更是開拓微米液珠化學於檢驗分析上的可能性。

Activating dynamic atomic-configuration for single-site electrocatalyst in electrochemical CO₂ reduction

Chia-Shuo Hsu, Jiali Wang, You-Chiuan Chu, Jui-Hsien Chen, Chia-Ying Chien,

Kuo-Hsin Lin, Li Duan Tsai, Hsiao-Chien Chen, Yen-Fa Liao, Nozomu Hiraoka,

Yuan-Chung Cheng, Hao Ming Chen

Nature Commun. 2023, 14, 5245 

國立臺灣大學 化學系 陳浩銘教授

國立臺灣大學 化學系 鄭原忠教授

在電化學二氧化碳還原（CO₂RR ）中實現高效電催化的一大挑戰是對電位驅動的化學態和動態原子構型演變的全面理解。單原子催化劑在電化學二氧化碳還原反應中展現出高度的發展潛力，因此成為當前電化學二氧化碳還原領域的研究重點。以碳載單原子銅催化劑為例，大量的文獻報導了各種銅位點的反應構型，用以解釋電化學二氧化碳還原過程中產生的不同產物（一氧化碳、乙醇、丙酮等），然而，由於電催化界面上化學態、原子構型和表面電荷之間的動態變化和複雜相互作用，導致這個部分至今沒有得到明確且完整的認知。台灣大學化學系的陳浩銘與鄭原忠教授以單原子銅催化劑為模型系統，透過互補的臨場分析技術提供了反應情況下化學態、動態原子構型和表面庫倫電荷之間複雜相互作用的證據，成功分析了單原子銅催化劑在電化學二氧化碳還原過程中真實的動態演變畫面及其對產物選擇性的決定性影響。此研究透過一系列臨場分析技術（in situ EC-TEM、XAS、XES、Raman、IR）並搭配理論模型的驗證，證明單原子銅位點在CO₂RR 過程中動態演變。在電壓驅動下，初始Cu-N4位點經歷Cu-N鍵斷裂、表面羥基生成（形成Cu-O鍵）和Cu-O物種聚集形成奈米團簇（形成Cu-Cu鍵）的過程，而且實驗結果進一步證實Cu-N鍵斷裂是部分可逆的，而Cu-Cu鍵的形成是不可逆的，證明銅位點構型的動態變化決定了電化學二氧化碳還原產物分布，其中動態低配位構型對CO產物具有顯著的高活性和選擇性。本工作提出了一個分析電化學二氧化碳還原性能的重要指標─原子表面電荷。值得一提的是，即使許多文獻研究了各種單原子電催化劑，但本研究首次提供了對於單原子電催化劑的動態結構理解，可以預期此一發現應該會啟發後續研究，以動態低配位單原子電催化劑作為一種新的設計策略，引領未來電化學二氧化碳還原催化劑之研究方向。

國立嘉義大學 應用化學系 和 高雄醫學大學 醫藥暨應用化學系

蘇  明  德  教  授 

 

(文章內容版權為蘇明德教授所有，如需引用請聯繫midesu@mail.ncyu.edu.tw)

「氚」音唸為「ㄔㄨㄢ」，是化學元素週期表內第一個元素─氫的放射性〝同位素〞。「氚」也被叫做〝第三氫〞（hydrogen-3）或稱為〝超重氫〞，符號是（其中的1為質子數，3為質量數）或³H或T。 

 

氫的〝同位素〞有三種，也就是說家族中總共有三兄弟：（1）老大是氫，（2）老二是氘，（3）老三就是「氚」 。其中以「氚」原子的質量最重，因為「氚」的原子核裡含有一個質子和兩個中子，所以「氚」質量是氫原子的三倍。

 

「氚」在地球上的含量不及〝氫〞的10億分之1，故相當稀有，「氚」的成本甚至比黃金貴上百倍。除此之外，大哥氫和二哥氘的性質都很穩定，因此他們都不具有放射性。只有「氚」是屬於低毒性的放射性〝同位素〞。在地球的自然界中，相比一般的氫和氘的含量，氚的含量極小。「氚」的產生是當宇宙射線所帶的高能量中子撞擊〝氘核〞，其〝氘核〞與中子結合為「氚核」。 

你是愛吃辣的人嗎？冬天配上熱呼呼的麻辣鍋是很多人的最愛，無辣不歡的你知道辣椒除了美味之外，還有其他的用途嗎？Capsicum辣椒屬，是人們廣泛利用的天然物，它的用途多元，從食材、食品添加劑到防禦設備和藥品等。它的一些特殊代謝物，例如辣椒素和類胡蘿蔔素，展現出辣椒的特性，具有刺激性和優秀的生物活性，例如抗氧化、抗炎、抗突變和化學預防等。這本書以Capsicum的大眾化和社會經濟重要性為切入點，從生物化學背景來闡述Capsicum作為功能性食品的全貌，它的化學成分如何影響其獨特的生物活性和感官特性，另外，也強調有關Capsicum最新的開發技術，對化學和藥理學知識的專業人士有所幫助。 

 

時間又快速來到2023年的12月，每到歲末就是回首整理為過去一整年的計畫做階段的結束，並開始規劃開啟未來的新目標，尤其12月也是各位研究者集體崩潰、夜以繼日瘋狂寫國科會計畫申請書的時刻(笑)。當大家埋首苦寫申請書和進行研究工作時，如果遇到無法開啟在〈書訊補給站〉介紹的專書、〈推薦報導〉的新知，〈臺灣研究新發現〉成果發表的期刊，別忘了「化學中心總圖書室」始終支持您的研究工作，可以提供「零距離、免付費」的館際合作服務，線上提出申請，化學領域的電子期刊、電子書，以及紙本文獻通通都有！化學中心總圖書室會於正常上班時間4小時內回覆(週一~五，09:00-17:00)，歡迎多加利用。最後祝大家在2024年，靈感充盈、研究成果豐碩、經費充足！！

 

也請各位能花幾分鐘的時間填寫服務滿意度調查問卷，您的批評與指教才能使我們不斷改善服務方向和品質，再次謝謝大家。