制图技术在应用化学专业中应用和进展

第一篇：制图技术在应用化学专业中应用和进展

制图技术在应用化学专业中应用和进展

学习应用化学专业的我们，主要学习化学方面的基础知识、基本理论、基本技能以及相关的工程技术知识，是培养我们将来化工生产具有较好的科学素养，具备运用所学知识和实验技能进行应用研究、技术开发和科技管理的基本技能。其中，化工制图技术在化工生产中方面的应用起着非常重要的作用。

1、化工制图技术的重要性

工程制图制图技术是本专业的一门必修课程，也是在培养我国社会主义建设实际需要所开设的一门课程。化工制图课的核心是,培养我们形成将各种几何信息在头脑中进行综合处理、形成广泛联想的形象思维, 以及处理工程图样的能力。在中学期间我们就接触了几何建模与正投影理论基础课程，现在学习化工制图技术又培养了我在二维、三维相互转换的能力,形成按一定目的构思形体, 拼合、分解、变换并能丰富地联想、想象和多向思维的潜能。这种潜能在课堂上，老师与我们以徒手草图加以训练, 能够迅速地徒手绘制草图是捕捉灵感、联想、创造信息和交流信息的重要手段, 它可以简便及时地记录和表达创想结果。

2、学习化工制图技术，接轨国际工业化

随着我国与国际工业上技术交流日益增加,为了在引进和消化国外先进技术，面对国外工业图样的资料，我们必须具备这方面的基础知识，而化工制图技术课程的开设刚好提供了这一条件,是熟悉国外工程图样的画法十分必要。

3、化工制图技术在机械制图中重要性

化工制图技术专门研究化工图样的绘制和阅读,它与机械制图既有紧密的联系,又有明显的专业特征。而我们所学的化工制图与机械制图有共同的基础知识,在投影制图基础中解决形成机件形状问题的处理能力,并在图例中尽量结合化工专业中有关机件,以达到经过这一环节的学习后能顺利解决化工专业图样的投影问题。而在化工制图内容中以化工专业图样为载体, 较早地引入化工设备零部件的画法和查阅有关手册、选择结构等的训练, 进行工程素质、工程技术的培养。

4、学好化工制图是计算机绘图的基础

随着计算机的普及,计算机绘图的日益广泛的应用,将计算机绘图与化学工程制图内容结合起来势必会产生较好的视觉效果。因为在用计算机绘制化学工程图样时,要以化工制图课程的有关知识为依据,如果化工制图方面的基本知识不扎实,计算机绘图就不能顺利进行,这又促使我们去复习、查找有关化工制图知识的积极性。另外从计算机辅助设计角度来看,计算机绘图不仅可以提高绘图的精度和速度,还为工程图样的改进和管理提供了极大的方便。

总之，应用化学专业所开设的化工制图技术在实际化工工程设计扮着重要的角色，没有它，可能今天我们的化学实际应用很难保证实施，所以更不别说带来什么经济来源和工业最大变革了。

第二篇：分子生物学技术在医学检验中的应用进展

分子生物学技术在医学检验中的应用进展

[摘要] 分子生物学技术是医学检验的重要诊疗手段。本文概述医学检验中常用的分子生物学技术，列举其在临床病原微生物检验、肿瘤诊断及评估、遗传病诊断、免疫系统疾病诊断中的具体应用，分析分子生物学技术应用中应注意的问题，并对发展趋势进行预测。

[关键词] 分子生物学技术；医学检验；应用；

进展分子生物学是以核酸、蛋白质等生物大分子为研究对象的学科，分子生物学技术即建立在核酸生化基础上的一类研究手段，现已广泛应用于医学检验中。研究内容也从DNA鉴定、扩展到核酸及表达产物分析，技术不断进步为原微生物检验、肿瘤诊断及评估、遗传病诊断、免疫系统疾病诊断提供重要依据和创新思路。现就分子生物学技术在医学检验中的应用进展进行综述，试分析应注意的问题及预测发展趋势。

医学检验中常用的分子生物学技术概述

分子生物学技术的核心是聚合酶链反应(PCR)，能在最短的时间内扩增。由此衍生出新PCR技术，如原位PCR技术、实时定量PCR、链置换扩增技术、LCR、NASBA、TAS等。此外，生物芯片技术、核酸探针技术、生物传感器、SELEX技术、循环核酸分析技术都极大的完善了检验技术，直接解释生命规律，在临床诊断和治疗中意义重大。

分子生物学技术在临床中的具体应用

2.1 病原微生物检验 PCR和生物芯片技术用于病原微生物检验术与传统的培养鉴定、免疫测定相比，其具有高的敏感性，较短的耗时和更广的适用范围[1]。PCR通过向反应管中加入特异性引物可同时鉴定出单种或多种病原体，即便存在大量死菌也能得到准确结果，不受混合标本和微生物生长时间的限制。生物芯片技术则以其更高的灵敏性和高效率，同时检测出上百种病原微生物，可用于快速查找样本的耐药基因指导临床用药。

2.2 肿瘤及遗传病诊断 研究证实肿瘤及遗传病几乎都存在着一定的基因缺陷，只要找到人体中与基因相互作用的结合点，从基因水平诊断就能准确诊断。通过基因芯片判定靶基因P53抑癌基因的突变，通过分子蛋白质组学、生物传感器和流式细胞术诊断肿瘤特异性标志物。在遗传病中，分子生物技术能识别患病家族基因存在的特定多态性，常用技术有DNA限制性片段长度多态性分析，单链构象多态性分析，荧光原位杂交染色体分析，酶基因调控和微阵列技术。

2.3 免疫系统疾病诊断 免疫系统疾病诊断关键是确定基因水平上的调控表达。如在人类免疫缺陷病毒的研究中，分子生物纳米技术即以抗体为基础，用免疫分析和磁性修饰的方法来检测免疫物质，通过酶、荧光剂、同位素把特异的抗体抗原与纳米磁性微球固定，既能自动检测人免疫缺陷病毒1型和2型抗体，为人类防治病毒性疾病提供了有力的武器。

分子生物学技术在检验应用的新进展

现阶段分子生物学新技术的发展方兴未艾，给人们提供了探索人类生命科学的工具，推动了检验学发展。分子生物技术最显著的医学成就是对遗产病中的致病基因的准确定位及克隆，早在1998年就完成了遗传性耳聋的基因克隆；2003年SARS肆虐时，科学家就研制出专门诊断该病的基因芯片；2004年后实现了用多重PCR技术对我国新生儿多发的地中海贫血、苯丙酮尿症、G6DP缺乏症的产前和病例诊断；近年来，遗传标记技术的进步，结合现有分子学研究技术，加速了遗传基因图谱的制作和相关疾病的基因检测和鉴定，从而为医学检验的加速发展提供了有效的载体。

存在问题及发展趋势

现阶段面临的问题主要是技术相对复杂和仪器要求太高、药品和反应盒昂贵等[2]，限制了临床推广。首先，合理选用检验项目的问题，分子生物学方法具有高特异性和高灵敏性，但临床中仍要根据实际需要选用经济合理的检验项目，如结核菌培养和涂片镜检就能达到目的，不必舍廉选贵，增加患者负担。其次，疾病诊断过度依赖检验结果问题，应将临床资料综合考虑，不能仅靠分子生物学技术检验结果就妄下诊断，忽略标本取样和检验过程中的操作不当及病程发展规律造成的假阳性或是假阴性，贻误病情。再者，上级部门管理不足问题，国家相关部门要担任监管的职责，参考国际惯例，制定符合我国医学检验现状的实验操作管理规章制度，严格培训检验人员，规范试剂的准入和仪器的管理，最大程度保证检验结果的可信度。

虽然分子生物技术在临床推广应用中存在着许多尚待解决的问题，但是它仍然显现出了快速发展的趋势。未来其发展会倾向于：①现有、仅停留在实验室的分子生物学技术逐步向临床实用型改进，降低实验投入、简化操作步骤，推进实验过程全自动化的实施降低人为因素对结果的影响，根据临床实际修正技术，提高检验的特异性和敏感性。②积极推进实验室建设，加大仪器和检验人员的培训投入，为分子生物学的临床应用提供必要的基础保障，以先进的、可持续性的实验检验手段为临床提供可靠的依据。

参考文献

[1] Yuregir OO,Sahin FI,Yilmaz Z,et al.Fluorescent in situ hybrid-ization studies in multiple myeloma[J].Hematology,2009,14(2):90-94.[2] 李鹏.现代分子生物学技术在医学检验中的应用[J].临床和实验医学杂志,2007,3(6):161.PCR在现代医学检验中的应用 关键词：医学检验应用PCR现代医学检验

王耿新 刘德亮 王志群 陈献业

山东省青岛市肿瘤医院 青岛 266042

聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction, PCR）又称体外基因扩增技术或 DNA 扩增技术。自 1985 年美国 PE-Cetus 公司的 K.B Mullis 等人首创了 PCR 技术之后，它以相当惊人的速度被广泛地应用于医学及分子生物学等各个领域。现今，PCR 技术已成为一种对标本中特定的 DNA 片段进行分析研究和检测鉴定的重要方法。近20 年来 PCR 技术在生物医学等各个研究领域和临床应用中发挥了重大的作用，在病原体鉴定、遗传病诊断、免疫学研究、癌基因探索及治疗等方面都作出了相应的贡献。

1.PCR 技术的基本原理与特点 [1-2]

PCR 技术的基本原理是模仿 DNA 体内复制的机制，在体外进行扩增特异的 DNA 片段。它主要是由三个基本步骤组成的循环反应。首先是变性，用加热的方法使双链 DNA 解链成两股单链；其次是复性，用降温的办法使这两股单链按碱基互补的原则分别与加入的两条人工合成的寡聚核苷酸链（引物）结合成双链；最后是延伸，在合适的缓冲液、镁离子及脱氧核苷酸存在的条件下，用 DNA 聚合酶进行催化，按碱基配对的原则合成互补链。引物从 3 '端进行延伸，合成的方向为 5 '端（一条人工合成的引物）至 3 '端，从而合成与模板 DNA 结构相同的片段。重复上述三步骤，变性→复性→引物延伸的过程，经过约 30 个周期的循环（每三个步骤为一周期，约需 2-3 分钟），1-2 小时就能将所需基因扩增几百万倍，使极微量的所需 DNA 达到极易检测的水平。其扩增效率公式为： Y=（1+X）n，式中 Y 为扩增数目，X 为放大效率，n 为循环次数。

PCR 技术具有敏感性高、特异性强、操作简便、快速省时等特点。其灵敏度可达到 Pg 级，甚至达到 fg 级 [3] 水平，而被扩增的基因片段能与原基因片段保持不变。PCR 技术操作简便、快速而易掌握，并且对标本要求不高。用过去的方法完成一项试验少则几周，多则几个月。应用全自动 DNA 扩增仪，整个 PCR 过程均由电脑控制，只需数小时即可完成整个试验过程，用极微量的粗制标本就可获取目的产物。

2.常用的几种 PCR 及主要用途 [4-5]

2.1 定量 PCR ：用于 mRNA 定量及转录水平的研究。

2.2 抗原捕获 PCR（AC-PCR）：用于病毒感染的检测。

2.3 不对称 PCR（Asymmetric PCR）：用于制备探针或测序。

2.4 彩色 PCR（CCA-PCR）“用于检测某些多型别病毒的混合感染。

2.5 原位逆转录 PCR（In Situ RT-PCR）：定位检测细胞中 RNA 病毒感染。

2.6 逆转录 PCR（RT-PCR）：用于克隆 cDNA、检测 RNA 病毒、cDNA 探针。

2.7 反向 PCR（inverted PCR）：用于扩增已知基因片段两侧的未知序列。

2.8 膜 PCR（membrane-bound PCR）：可去除污染的杂质或 PCR 产物残留，检测低丰度靶 DNA。

2.9 间接原位 PCR（Indirect In Situ PCR）：定位检测细胞中 DNA 病毒感染，是目前应用较广泛的一种原位 PCR 技术，其特异性比直接 PCR 强。

3.PCR 技术在医学检验中的地位

现代医学研究证明，人类疾病多数是直接或间接与基因有关 [6]，如肿瘤、糖尿病和心血管疾病等。在医学实验诊断中我们经历了生化和免疫诊断的发展过程，由于各类扩增技术的出现使我们进入了基因诊断的新时代并成就了现代意义基因诊断的崛起。这将改变以往对疾病的表型认识和表型诊断，从本质上认识疾病和诊断疾病。在各类扩增技术中，PCR 的地位尤为突出。目前，全世界利用 PCR 技术诊断感染性疾病每年达几千万人次，其费用早已大幅下降，说明 PCR 有着巨大的潜在市场。美国临床检验标准化委员会于 1995 年颁布了关于感染性疾病分子诊断应用范围、条件和质量控制细则等准则文件 [7]。而国际临床化学学会于 1998 年又发布了关于分子扩增在临床诊断中应用的质量评估基础的文件并对 PCR 操作的各个环节进行了详细论述 [8]。由此可见，两个权威性文件也都肯定了 PCR 技术在医学检验方面的重要性。基因诊断可能将是以后的发展方向并作为疾病的常规诊断技术。

4.PCR 技术在医学检验中的应用

4.1 PCR 技术在肿瘤方面的应用

目前，肿瘤发病的分子机制尚不完全清楚。研究表明，人类许多常见的肿瘤疾病与某些病毒病因及肿瘤相关基因的遗传学改变有着密切的关系。PCR 技术的肿瘤病毒病因、肿瘤相关基因、肿瘤相关抑癌基因等研究方面已取得可喜成果。

据有关资料表明 [1，4] 前列腺癌、结肠癌和 Kaposi 肉瘤等与人巨细胞病毒（CMV）有关；鼻咽癌和 Burkitt 淋巴瘤与 EB 病毒有关；原发性肝癌与乙型肝炎病毒（HBV）有关；泌尿道肿瘤和食道肿瘤等与人乳头瘤病毒（HPV）有关。人类肿瘤病毒病因中较为重要的一类病毒是 HPV，其中大部分只与良性增生有关，只有 16、18、31、35、39 等十余型与恶性肿瘤关系密切。PCR 在检测 HPV，尤其是第 16、18 型有无感染，对子宫颈癌的早期诊断及预防有着显著的意义。

目前，已知肿瘤相关基因有上百多种，但较常见的是 ras 家族的 H-ras、K-ras 和 N-ras 三种癌基因。它们的结构相似，其表达产物是 P21 蛋白。在不同肿瘤中 ras 家族癌基因的 H-ras、K-ras 点突变多集中在第 12 和 61 号密码子上，而 N-ras 在第 13 号密码子上多发生突变。PCR 在癌基因的研究方面主要是 ras 基因与肿瘤的关系。现已查明与 ras 基因突变有关 [1，2，4，9，10] 的肿瘤有几十种。如：各种急性慢性白血病、精原细胞癌、恶性黑色素瘤、神经母细胞瘤、卵巢癌、胰腺病、肺癌、膀胱癌、结肠癌、子宫瘤等。Rb 基因 [11] 是人类最早（1986 年）发现的抑癌基因，其后又相继发现了 P53、WT1、NF1、DCC、MCC、APC、P16 和 P21 等抑癌基因。在遗传性视网膜母细胞瘤研究中发现位于 13 号染色体上 Rb 基因的缺失与癌变有关。在许多常见肿瘤，如骨肉瘤、肺癌、膀胱癌、乳腺癌等恶性肿瘤中，常发现该基因失活 [11]。在对 P53 基因的研究中 [12-14] 发现该基因的突变和缺失是许多肿瘤发生的原因，这些肿瘤主要有子宫颈癌、肝癌、成骨肉瘤等。遗传学改变主要是引起癌基因激活和抑癌基因的失活，使基因发生突变、缺失、增加和易位等而导致了细胞癌变。PCR 不但能有效地检测基因的突变、重排、易位等，而且能准确检测癌基因表达量，可据此进行肿瘤早期诊断、鉴别、分型、分期、治疗及预后评估等。

近年，刚兴起的荧光定量逆转录（RT）-PCR [10] 在肿瘤诊断、治疗和微转移以及微小残留病灶检测等方面具有广泛的应用价值。研究表明，癌细胞或癌前期细胞在进入血液循环以后，通过定量 RT-PCR 检测外周血肿瘤特异性标志物 mRNA，可进行实体肿瘤的筛查，检测肿瘤术后及淋巴转移阴性的病人外周血肿瘤细胞的数量，以便估计肿瘤的复发和转移，制订合理的治疗方案。另外，定量 RT-PCR 还可用于肿瘤耐药基因（MDR1）[10] 表达水平检测，为临床筛选化疗药物及治疗方法提供依据。

4.2 PCR 技术在遗传病方面的应用

PCR 技术首次临床应用 [10] 就是从检测镰状细胞和 β-地中海贫血的基因突变开始的。十几年来，该技术在遗传病诊断的临床应用方面获得了极大的成功。它能用于检测已知基因序列的任何遗传病基因的突变，如倒位、缺失 / 插入、动态突变、部分高发的点突变及表达量的异常等都可通过基因分析直接检测用于临床进行诊断，像地中海贫血、血友病、杜氏肌营养不良症、脆 X 综合征、苯丙酮尿症等这些遗传性疾病。PCR 在遗传病诊断及遗传病预防与产前基因诊断方面具有明显的应用价值，PCR 产物直接测序已成为检测遗传病基因突变的常用方法。另外，PCR 在鉴定编码抗生素耐药性基因 [10]，尤其是在细菌不携带同源性序列且取单个菌落进行 PCR 扩增时，具有较高的特异性和敏感性。

4.3 PCR 技术在感染性疾病方面的应用 目前 PCR 在医学检验中对感染性疾病的诊断 [10，15] 极具突出，只要核酸序列是清楚的，就可以检测到任何有限的病原体。一般实验室可检出 10-100 个基因拷贝，而目前，病原体抗原检测方法一般需要 10 5 ～ 10 7 个病原体才能检测到。PCR 技术的运用解决了免疫学检测的“窗口期”问题，可判断疾病是否处于隐性或亚临床状态。再者，抗体检测不能判定是现症感染还是既往感染时，也需要用 PCR 方法来确定。另外，病原体感染后的发病时间和病情轻重均与病原体数量有关。如艾滋病（AIDS）由人免疫缺陷病毒（HIV）感染后，可根据 HIV 检测的含量预知发病的时间。因为 AIDS 潜伏期的长短和临床症状的轻重与血液中的病毒量呈显著相关。在其它病毒性疾病中也多半存在类似情况，这均需 PCR 来定量说明。

PCR 在 HBV 定量研究中表明，HBV 载量与肝炎的发生、发展、预后以及与药物疗效有关，并证明定量 PCR 是鉴别 HBV 感染各期的良好工具。该技术能有效地确定血清 HBeAg 转阴和非活动性携带者病人的 HBV DNA 水平，而常规杂交法则对这些低病毒血症的 HBV DNA 探测不到。在抗病毒治疗中，通过定量 PCR 检测 HBV 的载量，来观察拉咪呋啶及多种联合用药治疗慢性乙型肝炎的疗效具有指导意义。

PCR 对某些传染性疾病疫苗接种后感染的鉴别也是极为重要的。例如：腮腺炎病毒疫苗接种后感染的病例时有发生，是疫苗引起的还是野生型腮腺炎病毒引起的，这就需要一种行之有效的方法来进行鉴别，以往的血清学、病毒培养及探针杂交等方法都很难做到。

过去，对结核病等其他分支杆菌病的诊断方法虽然很多，但均不够理想。简便易行的方法经常查不到抗酸杆菌，也无法鉴别结核杆菌与其他分支杆菌。用分支杆菌培养的方法且阳性率较低又耗时，而麻风杆菌在体外又不能培养，主要靠感染组织的涂片或切片镜检。其他方法，如血清学、气相色谱等方法的敏感性及特异性都不够理想，PCR 技术的运用使上述问题得到了解决。还有 PCR 技术在技术性病监控和性病病原体的检测方面也正在扩大，并列为监控手段和作为检测的金标准。

5.PCR 技术在医学检验应用中的问题 5.1 假阳性

通常 PCR 在医学检验应用中所面临的问题之一是扩增产物污染带来的假阳性，而实验室污染又是假阳性的主要因素。只要实验室被扩增产物污染，扩增片段随时都可能污染新的样本并又被同一 PCR 反应体系扩增出来而产生假阳性。解决的根本措施就是在封闭状态下进行扩增和产物分析。近年发展了一种荧光定量 PCR 技术，从根本上解决了 PCR 扩增产物污染和不能定量的问题。该技术把基因扩增 PCR、分子杂交和光化学融为一体，实现了对 PCR 扩增产物进行全过程的封闭，并进行实时动态检测和自动分析结果，进一步提高了其特异性。由于造成假阳性的因素相对单一，因此假阳性并不是困惑检验工作的主要原因。

5.2 假阴性

PCR 假阴性的原因相对较为复杂，主要包括有仪器设备的质量、试剂开壳剂和操作问题、PCR 产物的电泳检测时间及有关 PCR 反应的关键环节等。PCR 仪本身的质量问题能使扩增效率下降或造成非特异性扩增而出现假阴性或假阳性。离心机的质量问题或使用不正确，可造成离心标本模板不能分离而产生假阴性。试剂开壳剂和操作问题造成标本 DNA 没有暴露出来，致使扩增无法进行而导致假阴性。PCR 产物的电泳检测时间一般为 48h 以内，大于 48h 后带型不规则甚致消失不出现扩增条带而程现假阴性。PCR 反应的关键环节有模板核酸的制备、引物的质量与特异性、酶的质量及 PCR 循环条件等，在这些环节中操作不当都可引起假阴性。另外，Mg 2+ 浓度和物理因素变性等对 PCR 扩增效率影响也很大。Mg 2+ 浓度过高可降低 PCR 扩增的特异性，浓度过低则影响 PCR 扩增产量。而变性温度低，变性时间短，极有可能出现假阴性；退火温度过低，可致非特异性扩增而降低异性扩增效率；退火温度过高，影响引物与模板的结合而降低 PCR 扩增效率，最终都可导致 PCR 扩增失败。还有靶序列变异使引物与模板失去互补序列，其 PCR 扩增也不会成功。

6.PCR 技术的应用前景 自从 PCR 技术诞生以来，随着其深入不断的发展与完善，许多与其相关的新类型及改良的新方法在不断的涌现，这些派生出的新类型和新方法解决了以往传统 PCR 的瓶颈问题。虽然，PCR 可对基因分析直接检测用于临床进行诊断，但大部分基因突变还是难以直接检测。近年来，分子诊断技术最大突破就是集扩增、检测和靶定量于一体的实时荧光 PCR 技术的问世。该技术的出现，对基因检测和基因分型的应用范围将进一步扩大，为 PCR 的临床应用带来曙光。因此，PCR 技术将有极大的发展空间和广泛的应用前景，它将对肿瘤学、遗传学、免疫学、微生物学、寄生虫学和基因治疗等进一步研究及临床应用起着积极重要的作用。在现代医学检验中，PCR 的应用将更加广泛和深入。相信在不久的将来，随着 PCR 技术的更进一步完善，它将作为常规检验方法进行全面普及，发挥更大的作用，为全人类健康做出更大的贡献。

参考文献

1.杨道理 , 王宝成主编.DNA 扩增技术与医学应用.济南：山东科学技术出版社.1992,51-54,283,396.2.郭永军.聚合酶链式反应在肿瘤研究中的应用.国外医学肿瘤分册.1991,18(1):1-3.3.陈志杰主编.医学检验新技术.济南 : 山东科学技术出版社.1993 ： 544.4.陈意生 , 史景泉主编.肿瘤分子细胞生物学.北京：人民军医出版社.2002 ： 190-192,270,287-288.5.杨占秋 , 刘建军 , 肖红 , 等主编.诊断与实验病毒学.郑州 : 郑州大学出版社.2002:167-169.6.T.D.盖莱哈特 , F.S.柯林斯 , D.金斯伯格主编.孙开来主译.医学遗传学原理.北京 : 科学出版社.2001:92-116.7.Enns RK, Bromley SE, Day SP, et al.Molecular diagnostic methods for infectious diseases;approved guideline.Natl Commit Clin Lab Stand, 1995:1-10.8.Neumaier M, Braun A, Wagener C.Fundamentals of quiality assessment of molecular amplification methods in clinical diagnostics(IFCC document).Clin Chem, 1998,44:12-26.9.王俊茹 , 邓国仁 , 刘为俊.ras 基因突变与人类肿瘤.癌症.1993,12(1):82-83.10.卢圣栋主编.生物技术与疾病诊断——兼论人类基因治疗.北京：化学工业出版社.2002 ： 83-98,117,142.11.顾健人 , 曹雪涛 , 主编.基因治疗.北京：科学出版社.2001:120-121.12.May Wong, Jack Gruber.Viral Interactions with the P53 Gene in Human Cancer.Journal of the National Cancer Institute, 1994,86(3):177.13.李贷宗 , 曹宇清 , 何丽萍 , 等.人原发性肝癌 P53 基因缺失和突变.肿瘤.1991,11(5):195.14.陈竺 , 强伯勤 , 方福德主编.基因组科学与人类疾病.北京：科学出版社.2001 ： 176.15.Tang YW, Procop GW.Persing DH.Molecular diagnostics of infectious diseases.Clin Chem.1997,43:2021-2038.

第三篇：工程制图在隧道设计中的应用

工程制图在隧道设计中的应用

摘要：随着国民经济的飞速发展，国内交通事业日益繁荣，修建公路隧道也逐步成为提高公路技术指标、减短路线长度、节约用地和改善行车安全的重要手段，隧道设计也因此成为一项重要的研究课题。

关键词：隧道；设计理念；工程制图；交通安全

Engineering drawing application in tunnel design

Abstract：With the rapid development of the economic,the domestic transportation business prosperity.Construction of highway tunnel will be improve highway technical index, shorten the length of route, the economical use of land and improve an important means of driving safety.Tunnel design has become an important research topic.Summary:tunnel,design concept，engineering drawing，traffic safety

1.1 设计理念

隧道设计与隧道周围的环境、公路使用者以及资源的可持续利用等因素有着密不可分的联系。交通行业的核心价值是“用户第一、行者为本”，而对环境则要树立“不破坏就是最大的保护”的理念，因此，只有妥善处理隧道设计与使用者、自然以及资源的相互关系，才能搞好隧道设计的多方面要求，如横断面建筑限界选定、洞口设计、洞内路面设计、防排水设计等。

1.1.1 隧道洞口设计

隧道的洞口设计包括其洞口段、洞门、明洞和边仰坡设计。洞口的设计应该尽可能的与洞口的地形、地质相适合，保护自然环境，尽量避免从洞口开挖。从地质、地形以及围岩等客观条件来看，隧道的洞口并不稳定，因此，选择合理的洞口位置是保证设计质量的关键。隧道洞口为了安全，应该避免在：受洪水、泥石流等威胁的位置；岩层松散、破裂、风化严重、滑坡、容易发生坍塌的位置；地形等高线与隧道轴线斜角的位置等等。

隧道的洞口是保证施工安全进行的重要保证，具有改善和美化洞口环静、保持边坡稳定、防止坍塌等自然灾害等作用。隧道的洞口一般采取明洞式和端墙式两种结构，端墙式一般包括台阶式、柱式、拱翼式洞门，而明洞式则包括削竹式、直削式、倒削式、棚洞式、框架式以及喇叭式洞口。其中，端墙式适用于山凸、斜交地形及仰坡陡峭等狭窄地形，它对于地基的承载能力比较高，而明洞式则适用于地形开阔、仰坡坡度较小等宽敞地带。

1.1.2隧道内路面设计

隧道内地下水对于路面的影响比洞外更大，洞内行车环境又比外界大，维修难度大，介于种种因素，保证隧道地面的耐久性变得更加重要。

隧道内的路面包括带仰拱隧道的仰拱填充隧道路面以及不带仰拱的天然石质路面。前者受地下水的危害相较于后者较小，只要严格按照仰拱路面的材料要求和填充要求施工便能保证路面的稳定性、匀质性和密实性。而不带仰拱的天然石路基则受地下水的影响比较大，因此，需要用完整性好的、没有显著软化的中硬或硬岩以上的岩石作为天然路基。

隧道路面一般采取复合式结构，因此，为了保证行车的安全，要再洞口内外一

定长度内，保持洞内路面和洞外路面的一致。

1.1.3隧道的防排水设计

隧道的水害会由洞内、洞外的多种因素引起，隧道的防排水设计也应该采取防、排、堵截三者的结合，要因地制宜，综合治理。要做到对地下水以及地表水进行完善处理，形成一个洞内外完整而又通畅的防排水体系。

根据大部分隧道设计在山地，而有些洞口又与沟谷相交叉，因此应该根据沟谷的汇水面积计算其洪水流量，采取改移水道或者架设渡槽等方法来解除水对洞口的安全威胁。

有地下水威胁的隧道应该定制完备的防排水措施，防患于未然，做到有备无患。

2.1隧道的交通安全以及对策

近年来，我国的交通运输得到长足的发展，山区隧道建设也被带动，然而，在公路隧道为社会发展、人民便利做出重大贡献的同时，交通事故又带来了大量的人员伤亡和巨大的经济损失。

由于隧道是山区高速的主要结构，在山区高速公路中又占有很高的比例，而公路隧道建设又有着复杂的建筑结构以及对地理环境的高要求，因此很多隧道已经成为了交通事故多发区域。介于此况，从隧道交通事故的起因分析、探讨隧道设计的问题、改善隧道的管理有着极其重要的意义。

2.1.1隧道事故多发的原因分析

1）隧道入口处多为弯道、坡道，道路走向受到用地条件的制约，甚至有的隧道入口时多弯道、长下坡的路段。

2）隧道内外光线差异也是引起隧道交通事故的一大原因。较长的隧道内部光线较少，即便隧道内部有着照明装置，但是仍然存在明显的明暗程度差异。

3）隧道入口段与隧道内部路面材料的不同也会导致交通事故。沥青路面具有可燃性，对隧道的消防不利，因此隧道内部一般采用水泥路面，而隧道外部则大多为沥青路面，两者材料不同，路面附着系数也因此存在明显差异。

4）隧道入口处易积水，会对车辆行驶造成较大的影响。

2.1.2隧道事故特征分析

1）冬天、春天交通事故较多，原因是冬季山地结冰现象严重，而春季雨水较多，路面潮湿，都影响了车辆在隧道中的正常行驶，因此要着手增加路面附着系数。

2）大货车、微型车在交通事故中比例较大，原因为大货车重心高，出现超载的情况极易导致事故发生，而微型车速度过快，重心偏高，也易发生交通事故，因此隧道内部要严格控制车速，一变降低事故发生几率。

3）隧道的交通事故中，追尾事故居多，连环追尾又占有一定的比例，因此隧道内要改变内行车视距以减少此类事故的发生。

2.1.3隧道交通事故的影响因素

1）地理环境

隧道所在地大多为山地地形，隧道入口处多为坡道和弯道，这些地理环境都极易发生交通事故，尤其在雨天、雪天等天气恶劣时，更易发生车辆甩尾、侧翻等交通事故。

2）天气原因

雨天，路面附着系数大大下降，车辆附着力也因此明显降低，车辆容易打滑导致方向失去控制，从而产生各种如撞击隧道壁、原地掉头、甩尾、横卧路中的交通事故。

3）视觉影响

车辆高速驶入隧道，容易产生“黑洞效应”，就是在驶进隧道时，从洞外看隧道内感觉像一个黑洞，以致难以辨认导致发生交通事故。刚进入隧道时候，驾驶员一般难以适应光线的变化，因此视觉明暗的突变会引起视觉障碍从而威胁行车安全。

4）路面附着系数变化的影响

隧道相对于外面的路面是封闭环境，尘埃、杂物等长期得不到清除，又得不到雨水冲刷以及阳光的曝晒，路面的附着系数会逐渐降低，因此当车辆高速驶入隧道时，车辆容易打滑而发生甩尾、横卧等失控状况，从而导致车祸的发生。

5）隧道线性与线性组合因为隧道内特殊的视觉环境，线性设计不良的隧道更容易发生交通事故。隧道出口处的不良线性组合也经常会导致视距不良和错觉现象，再加上出洞口时会出现眩目现象，更容易引发交通事故。

2.1.4隧道交通安全对策

1）隧道设计时应该尽量选择和道路走向适应的地段，而且应该尽量避开弯道、坡道的影响，特别是连续弯道以及长坡道，并且在隧道入口前路段设置必要的减速带，强制车辆慢行，降低车速，避免发生意外。

2）提高隧道内部路面的附着系数，减小与外界路面附着系数的差距，加建防滑槽，定期对隧道内路面进行清洗，使提高隧道内部路面的附着系数，防止车辆因打滑而造成的种种安全事故。

3）增加隧道内的照明设施，增加亮度，减少洞内外明暗差，从而减少驾驶员明暗适应时间，解决隧道入口处人眼不适的问题，尽量消除隧道进口处的安全隐患。采取合适的明暗交替过渡长度，并且可以采取适当设置，比如在洞口设置遮阳棚等。

4）隧道内外水泥路面和沥青路面应该提早进行过渡，以便使驾驶员尽早适应，避免在洞内突然改变附着系数，从而受到附着系数差异以及明暗差异的双重影响，更易引发交通事故。

5）要注意隧道内的防护设施的维修与建设。隧道内一旦发生事故，车辆便会撞击隧道壁、路缘石，如果车速过快，很容易造成巨大的伤害，因此有必要在隧道内增设护栏，缓解车辆与隧道的冲撞力，在某些时候还能减轻车内人员的伤害程度，同时，护栏还能增加驾驶员的视觉诱导功能，更能避免事故的发生。

6）加强危险信号标志以及路牌，在危险状况下设置信号预警灯，让驾驶员能够得到警示，做好心理准备，尽早提醒驾驶员前方有隧道，应该控制车速。总结：我国的公路隧道事业正在持续而又高速的发展，隧道工程是一个复杂的交通系统，需要保证其安全性，次而才能保证其对人民产生各方面的便利，改善人民的生活质量，提高生活水平，使人民过上舒适、高效、经济的生活。我国对于隧道工程的设计仍然需要进行进一步的研究，造出更好的公路隧道，为国家、人民、社会和世界谋利。

参考文献：

（1）张永辉 隧道设计的技术要点[J] 2008 交通世界 141

（2）叶飞，苏臣宏。公路隧道营运安全分析及对策[J]。现代隧道技术，2003.（3）周干峙等.发展我国大城市交通的研究.北京:中国建筑工业出版社.1997.43-56.（4）姜华平等，高速公路车辆超速行驶交通事故分析[J]。交通运输系统工程与信息，2003

（5）何家祥，等高速公路隧道交通安全问题及对策分析[J] 公路交通技术 2006.6

（6）王振光 浅谈公路隧道施工[M] 工程科技

（7）JTJ042-94 公路隧道施工技术规范[S] 北京人民交通出版社 1994

第四篇：酶在有机合成中的应用进展汇总

酶在有机合成中的应用进展

许广帅

（化工学院 化工一班）

摘要：由于有机溶剂易使酶蛋白变性、失活或抑制其反应，因此，长期以来，形成 了一个概念：酶反应需在水溶液中进行。尽量避免使用有机溶剂。随着酶学研究的进展。经 过近十年的大量研究，人们发现。只要条件合适，酶在有机溶剂中是完全能够起催化反应的。1985年欧洲生物技术联合会召开了“生物催化剂在有机合成中的应用，随后又组织了“有机相中的酶催化讨论会，引起了与会科学工作者扳太的兴趣。近年来。有机合成化学领域的一个重大进展就是应用微生物或酶进行催化反应。由于酶催化反应具有高度的专一性，使得 这种合成与转化在合成化学领域中具有很大的理论价值和应用潜力。

关键词：酶、有机溶剂、生物催化剂、催化反应

Abstract: Because the organic solvent is easy to make enzyme protein denaturation and inactivation or inhibit the reaction, therefore, for a long time, form a concept: enzyme reaction should be carried out in aqueous solution.Try to avoid using organic solvent.With the progress of the enzymology.After nearly 10 years of research, people found.As long as conditions are right, enzymes in organic solvents is fully capable of catalytic reaction.In 1985 European biotechnology federation held a “the application of biological catalyst in organic synthesis, and then organized” seminar on enzyme catalysis in the organic phase, aroused the interest of the scientific workers pull too.In recent years.A significant progress in the field of organic synthesis chemistry is the application of microorganism or enzyme catalytic reaction.Because the enzyme catalytic reaction are highly specific, makes the synthesis and transformation in the field of synthetic chemistry has great theory value and application potential.Key words:Enzyme, organic solvents, catalysts, catalytic reaction 1 前言

酶除作用于天然底物外，还可作用于与其底物结构相似的物质发生非自然催化，从而构戚了一个特殊的化学合成新锈域。通过酶催化可以完成各种各样的化学反应，如：氧化、脱氢、还原、脱氨、羟基化、甲基化、环氧化、脂化、酰胺化、磷酸化、开环反应、异构化、侧链 切除、缩合以及卤代等反应。由于酶催化较化学法催化具有区域选择性、立体选择性、条件 温和、反应速度快等优点，因此形成了生物学与化学边缘领域中十分引人注意的，研究非常活跃的重要课题，并已出现许多科研成果。实际上，酶催化已经应用于制药、精细化工、食品添加剂以及日用化合物等的合成。酶在有机合成中的应用

多肽合成、脂类合成、抗生素的修饰、有机酸、光学活性氨基酸的制备、日用化合物生产。

2.1卤过氧化物酶

2.1.1卤化反应

氯是目前地球上含量最多的卤素，其次是溴和碘。卤素被有机体用来产生卤素代谢产物，从哺乳动物体内的甲状腺激素到某些植物产生的有毒的氟化脂肪酸。藻类，特别是海藻是目前最丰富的卤素代谢产物的来源1221。海藻在卤过氧化物酶的帮助下合成了卤化合物。这些化合物包括吲哚、萜、酚类、挥发性的卤代烃等。卤化酶所产代谢物大都具有生物学的抗真菌、抗细菌、抗病毒和抗炎的活性，例如卤代的吲哚，具有抗炎和抗癌的活性。卤化反应可以被亚铁血红素卤过氧化物酶以及钒卤过氧化物酶和细菌卤过氧化物酶所催化。早在1961 年，Hager等∞l就报道了CPO能和B一酮酸发生卤化反应。卤化作用的代表是氯过氧化物酶催化的卡尔里霉素的生物合成1241。近年来，由于具有可以卤化一系列有机化合物的力，卤过氧化物酶引起了商业和药学界的浓厚兴趣。由卤过氧化物酶催化的卤化反应缺乏立体特异性，这与无酶卤化反应是一致的，具体的细节仍有争论闭，但某些糖烯的区域选择性溴化反应例外倒。糖烯在氯过氧化物酶、HX(卤化氢)和H：O：存在下反应生成相应的2一脱氧一2一溴糖，且具有高的区域和立体选择性。该化合物是非常有用的生物活性糖类和合成纤维，此方法对于卤代糖类的合成是一种新的方法。2.1.2氧化反应

炔在各种化合物的合成中是一个非常重要的中间体。已经研究了很多炔上三键的氧化反应。然而，对于氧化炔丙基的例子并不多。手性丙炔醇是对应选择性合成复杂分子(特别是生物学活性物质)的重要标准部件。Hager等[271报道了CPO在H20：或TBHP(叔丁基氢过氧化物)的存在下，催化氧化2一炔到醛的反应。从炔到醛的炔丙基氧化过程中，不对称的炔丙醇作为一个中间体。在H：0：和CPO的水溶液中，醇完全、快速地转化成了醛(92％～95％)。在己烷(或乙酸乙酯)和缓冲溶液(pH=5．0)的两相体系里，CPO可以催化一系列伯醇生成相应的醛阎。CPO也可以不对称地催化前手性的l，3一环己二烯，反应有高的对应选择性，且有很高的产率。2.1.3环氧化作用

环氧化合物是非常重要的有机合成中间体。通过官能团转化反应，可以从环氧化合物制备一系列不同结构的手性化合物。目前，工业应用的烯烃环氧化合成环氧化合物的方法主要有氯醇法和Halcon法。在氯醇法中，合成反应会产生大 量含CaCl：及各种有机氯化物的废水，造成严重的环境污染，而且设备腐蚀严重；Halcon法工艺流程太长，投资大，对原料质量要求较高，操作条件严格，且联产品多，故这两种生产方法均不能满足可持续发展的要求。随着人们对环保的日益重视及对环氧化产品需求的不断增加，发展工艺简单、污染小的绿色环氧化合物合成新工艺显得更为迫切1291。应用于烯烃环氧化的酶主要有氯过氧化物酶(chloroperoxidase)和单加氧酶(monooxygenase)。自从发现CPO能作为一种环氧化反应的催化剂以来，这个反应的选择性和产率一直是人们关注的问题。研究发现，CPO能催化各种烯烃的不对称环氧化，且有很高的产率和对映选择率。另外，CPO还可以催化茚，经过茚二醇中间体。直接衍生出手性环氧化物[30l]。

总结：卤过氧化物酶能催化多种反应，且催化的多数反应以立体特异性的方式实现。此外，催化反应条件温和，无环境污染，应用前景广阔。但是，当H20：氧化剂浓度高时，容易失活；且大多底物水溶性差。近年来，已经开发了一些方法来改善这些不利因素，例如：C矿、M矿等多种离子可以提高无辅基卤过氧化物酶的稳定性、耐热性和耐有机溶剂的能力例；利用抗氧化剂来提高氯过氧化物酶的操作稳定性I拥。因此，对卤过氧化物酶进行修饰、改进将是今后发展的重要方向。随着研究的不断深入，相信在不久的将来，卤过氧化物酶必将成为现代合成化学和医药工业中重要的手性催化剂。

2.2氰基水解酶

2.2.1氰基水解酶简介

早在三十年代，为了 解释一些化学合成的氰基衍生物对植物生长的 促进作用，就有人提出 某些植物器官能将氰化物转化成酸。哈佛 大学的 Thimann和 Mahadeven认为这是一个酶促反应，并于1964年从大麦叶子中正式分离到这个酶，定名为氰基水解酶。目前的研究表明，腈化物的酶水解通过两种途径： 一是通过氰基水解酶将氰基直接转化成羧酸，二是先通过氰基水合酶；将氰基转化成酰胺，再通过酰胺酶的作用转化成羧酸。通常所说的广义的氰基水解酶即包括这两种途径所涉及的三种酶。本文除特别指出外，均指广义的氰基水解酶。2.2.2氰基水解酶在有机合成中的应用

在有机合成中，常常需要水解氰基时不伤害其它可水解基团，如酰基、缩醛、醚键等。Faber小组在对固定化酶SP409的研究中发现，这种复合酶对乙酯，磷酸酯类底物显示出了化学选择性，而对甲酯及酰基取代的底物则不具有选择性（Figure4），酯键也水解了，这可能是由于SP409不纯，含有能使甲酯和乙酰基水解的酯酶。

氰基水解酶的工业应用氰基水解酶的温和高效特点使之在工业生产上有很重要的应用价值。当今最主要的工程应用是日本Nitto公司的丙烯酰胺工程(Figure20)，年产已达30000吨。在这项工程中，酶催化与传统的酸水解相比具有绝对优势,不仅能有效地将反应中止在第一步,不致生成丙烯酸，而且产率可达100% ,远远高于传统酸水解的65%，同时可以避免在中和强酸时生成的副产物硫酸铵。

2.3微生物环氧化合物水解酶

2.3.1催化机理

环氧化合物水解酶是一种a/B-折叠型水解酶，遵循两步催化机理：(1)酶的天冬氨酸残基亲核进攻环氧乙烷中的一个碳原子，形成一个共价结合的酯中间体；(2)在酶的作用下，一个水分子被激活，将酯中间体水解成产物。Rink等的研究发现，细菌A．radiobacter幻妇灯环氧化合物水解酶的Aspl07(亲核进攻作用)、Asp246(辅助组氨酸残基发挥作用)和His275(活化水分子)3个氨基酸残基组成了该酶三位一体的催化功能。2.3.2有机合成上的应用

随着被发现的微生物环氧化合物水解酶种类的增多，其应用方面的研究也不断深入。许多实验研究已经扩大到生物反应器中，光学活性环氧化合物的制备规模已经达到几十克的水平。在这些拆分反应中，不仅使用了生物反应器，而且采用了高底物浓度、两相体系，甚至用自来水代替缓冲液等多种新的方法，展现了良好的应用前景。WeUem等““报道了在水一有机溶剂两相体系中，利用酵母细胞硒。出n ck咖“出环氧化合物水解酶进行了大规模的拆分反应，获得了高浓度(0.9ml，L)、高光学纯度(98％ee)的(s)一1，2一环氧己烷(6.5g，30％收率)。在级联的中空纤维膜生物反应器中进行连续转化时，比产率为3.8g/L/H，运行12d，获得了38g高光学纯度(98％ee))的-1，2-环氧已烷。

在药物合成方面，利用环氧化合物水解酶制备光学活性的环氧化合物，解决了许多重要的生物活性物质合成途径上的限制性环节。Faber等“23利用冷冻干燥细胞对底物进行不对称水解开环，得到了一种合成松树甲虫信息素的重要中间体——(s)-Frontalin。Furstoss的研究小组利用黑曲霉选择性水解环氧苎烯底物，获得了光学纯的6，7-双羟基香叶醇和(4s，8s)-防风根醇，后者是护肤品、洗涤剂和多种软膏的重要成分。在拆分(±)一a一甲基-异丁基苯基环氧乙烷的反应中，他们还采用了化学．酶法。首先通过黑曲霉催化的不对称水解获得r s-构型环氧化合物，然后将生成的R-二醇采用化学的方法环化为消旋的环氧化合物继续进行拆分。(s)-a-甲基一异丁基苯基环氧乙烷在开环后可以转化成重要的生物活性药物——s-布洛酚。同时，他们利用该环氧化合物水解酶拆分330moL/L的对-硝基苯基环氧乙烷(54g/L)，经过6h的水解反应得到了光学纯度高达99％的S-构型环氧化合物，然后在酸性条件下对产物进行水解及重结晶获得了光学纯度为98％的R-二醇，最后加氨合成了肛阻断剂类手性药物尼芬尔醇。这种化学酶法在拆分外消旋环氧底物获得光学活性环氧中间体以制备药物(R)-3，5-二羟-3-甲基戊酸内酯的合成中得到了应用。此外，Furstoss等还报道了利用两种选择性互补的微生物A.niger和S.tuberosum环氧化合物水解酶，共同催化对-氯苯基环氧乙烷的不对称水解反应，得到了神经保护药物Eliprodil的关键性手性合成子——光学活性的R-二醇，其对映体过剩值高达96％，转化率达93％。利用真菌S．tuberosum环氧化台物水解酶水解茚环类环氧化台物，他们还获得了抗爱滋病药物齐夫尔定(Indina-vir)的重要前体物质：光学纯度为98％的(1R，2S)——环氧化合物(收率20％)和光学纯度为69％的(1R，2R)——二醇(收率48％)。

生物酶在有机合成中的应用是20世纪80年代发展起来的生化技术。由于它有许多优点，如反应条件温和（常温、近中温），具有高度的区域选择性、立体选择性和对映体选择性，可避免敏感官能团发生变化，可产生许多光化学活性物质，尚可完成一些用传统的化学反应；另外还有产品纯、无三废、无环境污染等优点，因此越来越受到有机化学研究者的青睐，实验表明在有机溶剂中进行酶催化反应具有以下优点：增加非极性底物的浓度，很多不溶于水或在水中不稳定的产物能在有机溶剂中用酶来催化生成；有机溶剂能保护酶免受有毒反应物和反应条件的损坏，提高酶的耐温性等。酶催化反应的类型包括氧化还原、酶合成、酯交换、脱氧、酰胺化、甲基化、羟化、磷酸化、脱氨、异构化、环氧化、开环聚合、侧链切除、聚合及卤代等。

酶在有机合成中的应用以逐渐被人们所认识，并且近年来已取得了较大进展，利用酶催化的不对称可以合成许多手性分子，随着酶技术的发展，已经克服了酶催化反应中存在的一些问题（如：对有机介质的敏感性、对底物变化的适应性以及醇的不稳定性等）。近年来有关酶技术的进展主要体现在以下几个方面：

（1）固定化酶：将酶固定在固定支持物上，或通过酶分子之间的交联而得以固定，通过固定后可以更方便、更有效地利用酶，提高酶催化作用的效率；

（2）酶在低水有机介质中催化反应：多数酶是在水溶液中催化化学反应的，近年来酶低水介质中催化有机反应取得了明显的进展，从而拓宽了酶应用的领域，到了酶反应只能在水溶液中进行的传统观念；

（3）抗体酶：抗体酶是近年来才出现的新概念，是专一作用于抗原分子的有催化活性的、有特殊生物学功能的蛋白质。抗体酶兼备免疫反应的专一性和酶催化反应的活性，因此有可能通过人工制备来获取高选择性的催化剂以应用于化学、生物和医药学；

（4）模拟酶：通过人工合成制备模拟酶的识别和催化性能的分子，已经越来越引起化学家的注意。合成酶也能像天然酶一样加速某些化学反应，并显示出较强的立体选择性。虽然合成酶的研究刚刚起步，但已显示出了巨大的诱惑力；

（5）Ribozyme：Ribozyme的功能主要是切断RNA，有阻断基因表达和产生抗病毒作用的应用前景，其底物都是RNA分子。

参考文献：

王成华 孙纳新 马梦瑞 《山东化工》《酶在有机合成中的应用》，1994-12-05 31-35页 吴中柳 李祖义 《有机化学》 《氰基水解酶在有机合成中的应用》 2001年第21卷第一期，25-32 彭华松 宗敏华 娄文勇 《微生物环氧化合物水解酶在有机合成中的应用》 《微生物学通报》 2003年30（2）

边侠玲 《安徽化工》 《卤过氧化物酶在有机合成中的应用研究进展》第36卷，第4期

沈鸿雁，田佳珍，叶蕴华《非水介质中酶催化研究新进展》，2003，23（3）； 王乃兴，刘薇，王林《酶催化反应研究进展》，2004,2（2）

高守海，胡文祥《酶催化选择有机合成新进展》，功能分子学报，2002（3）。

第五篇：3D打印技术及其在地学信息领域应用进展

3D打印技术及其在地学信息领域应用进展

作 者：缪谨励、刘文斐

单 位：中国地质调查局发展研究中心、国土资

源部地质信息技术重点实验室

地 址：北京市西城区阜外大街45号院 邮 编:100037

摘 要： 3D打印在三维建模方面是一种革命性的进步技术。在地质建模方面可以应用3D打印技术将地理信息数据打印成实体模型。例如地质模型、地形地貌模型、地理信息系统模型、房地产3D沙盘模型。3D打印技术在地质新方面的应用在日益发展。关键词：3D打印、三维建模、实体模型

3D打印技术近年来得到普遍关注。目前，国外3D打印技术在各领域的应用已取得明显进展，而在国内，3D打印技术还没有得到全面应用。就地学信息领域而言，仅在个别部门得到初步应用。

一、3D打印技术简介

（一）发展历史

3D打印技术最早诞生于1986年美国人查尔斯.豪尔（Charles W.Hull）申请的专利。作为3DSystems公司的创始人，查尔斯.豪尔推出了第一款工业化的3D打印设备。80年代末期，出现了熔融层积成型技术（FDM）与选择性激光烧结（SLS），并于1992年售出了第一台基于熔融沉积成型技术的3D打印设备。同年，DTM公司也将选择性激光烧结技术生产的产品推向市场。1993年，美国麻省理工学院启动研究“三维打印技术”，并于1995年推出了第一款产品。随后，一款具有里程碑意义的3D打印机产品--Spectrum Z510于2005年推出，这是第一款能够实现高分辨率彩色3D打印的设备。此后，世界上推出了几十种不同的3D打印制造工艺方法，其成本也逐年降低。

（二）工作原理

3D打印技术的工作原理与传统的喷墨打印技术基本相似，均为基于原料喷射堆叠成型技术。3D打印的主要流程：应用计算机软件设计三维模型蓝图，通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列的数据切片，然后将这些切片信息发送至3D打印机，对描述打印对象相关属性 的数据文件（如STL文件或者CAD文件）进行快速处理，最后用液化、粉末化或丝化的薄层材料逐层连续地进行堆叠，每层材料只有0.1mm-0.2mm厚，层与层之间通过特殊的液体粘合剂进行粘合，并完成固结，直至“打印”出成型的固态实体模型。

（三）优缺点

3D打印技术在三维模型的模拟方面取得了革命性进步。由于3D打印不需要生产线，既节省了模具制作时间，缩短了生产周期，又减少了前期模型各部件设计及粘合的成本消耗，同时也在一定程度上减少了材料的浪费。另外，3D打印技术具有一次成型，快速个性化定制等特点，在小批量、多品种的生产中占有优势。充分利用3D打印机，消除修改磨具的制作成本消耗，能够使开发成本节约10倍以上，同时缩短产品开发周期至1/3，同时在制作的过程中无需考虑工具的路径和脱模的方式。

3D数字可视化技术能够成功地将真实环境下的目标对象呈现于虚拟环境之下。而3D打印技术制作的三维实体物理模型能够辅助用户更好地理解目标对象在现实世界中不同维度下的形态。事实上，3D打印技术在舒适度、基于目标对象特征的探索、分析和实现大规模讨论的可行性简易程度、以及对用户专业素质的要求等方面明显优于3D数字可视化技术。

然而，3D打印技术还存在一些技术难点，如3D打印数据、粉末材料和液体粘合剂的准备过程复杂，3D打印机易用性差等问题。STL格式数据输入的过程很难实现用户可视化，并且处理后输出的数据还需进行一系列用户不可见的不规则数据自动化清理过程。由于3D打印产业不断发展带来的社会安全和知识产权保护等问题，也可能影响3D打印技术的发展进程。

（四）工艺分类

目前，比较成熟的主流3D打印技术有十余种，其中SLA快速成型技术是目前应用最广、精度最高的快速成型方法。每种技术都有其各自的优势和劣势。还有一些不常用的技术,如多喷嘴建模系统、V Flash Printer、Desktop Factory、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术、实体磨削固化（SGC）、数码堆叠成型技术（DBL）、三维焊接（3DW）、直接铸壳成型技术（DSPC）、直接金属成型技术（DMD）等工艺方法。

二、3D打印技术的应用现状

3D打印在制造业已经悄然兴起，随着3D打印技术社会需求量的逐年增加，3D打印机的价格逐年降低。截至2010年初，中国3D打印设备使用量占亚洲总额的30.4%，占世界总额的3%。

（a）（b）

图 1（a）美国佛罗里达州迈阿密的The Realization Group 多维可视化服务公司采用ZPrinter 310 Plus 制作了这款28 英寸高的迈阿密“The Met”建筑物模型，所用时间和成本为传统建筑模型制作方法的四分之一。（b）南非德班千禧塔(F.A.D Publishers)以及南非斯坦陵布什大学学生使用ZPrinter 310打印机根据实际工程参数制作的千禧塔三维模型。

3D打印技术在许多领域均有涉及。生物化学医疗方面，3D打印技术可以将CT 和MRI 扫描数据转化成三维模型，以供学术和临床用途，包括手术方案的制定、医学假肢或生物体植入物的设计，还有比较新兴的“三维细胞打印”和“仿生定制”等，使活细胞打印有可能在未来成为现实。3D打印技术还可打印化学反应容器，可产生新的化学化合物。3D打印技术可以复制无法翻模、不适于翻模、以及局部残缺的文物，对于重建古生物化石、考古学复原文化古迹和珍贵艺术品意义重大。由于3D打印技术可用于复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件和构件制造，对于结构复杂、成本高昂的航空航天零件，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，可能造成数十万、上百万元损失。而通过3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大节约了时间和资金。另外，美国航空航天局（NASA）正在研究食物3D打印机，目的是研发新的方式来生产营养食品，并可在漫长的航天任务中进行储存。3D打印成型的建筑项目模型能让建筑设计师从创造性和空间感方面考虑问题，有助于与负责按设计施工的工程师之间进行良好的沟通。3D模型也可用于各学科的教学和科研。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被应用于

教学和科研，其中以麻省理工学院尤为领先。同时，位于南非的斯坦陵布什大学工业工程系也验证了3D打印技术在教育领域的价值。3D打印技术在资源、能源开采领域也逐渐得到推广。中国石化工程技术人员首创的“礁滩相储层开发精细描述技术”，将3D打印技术制作的地下储层精细的三维地质模型，应用于普光天然气田的钻井设计，钻井成功率达100%，从而解决了世界难题。

三、3D打印技术在地学信息领域的应用

（一）基于地理信息数据制作各种三维实体模型

3D打印技术能够准确地区分土地、水体、建筑物和其它地形特征，特别是复制一个复杂的等比例自然地形结构或城市构造，使3D打印技术在地学信息技术领域的应用深度逐渐增加。对于大面积的地理结构图，可将地理模型分段处理，逐块打印，最终拼接到一起。应用3D打印技术可以将地理信息数据打印成多种实体模型：

1.地质模型：辅助工程人员了解不同地层在水平和垂直方向上的属性特征、矿体特性、地下水概况和各深度的蓄水层构造。

2.地形地貌模型：提高了商谈复杂解决方案的效率。

3.地理信息系统模型：迅速、高质量地呈现乡村、城市、地形地图。4.房地产3D沙盘模型：不仅外观精细准确，内部结构也符合标准比例尺。

（a）（b）

图 2（a）应用3D打印技术生成的描述地形和地下地质情况的3D模型；（b）应用3D打印技术在水晶玻璃中生成的洞穴几何形状及根据地震数据生成的彩色3D模型

（二）应用3D打印技术呈现GIS图层的技术难点

通过3D打印技术呈现GIS数据的技术仍处于起步阶段，存在一定的技术难题，主要包括：

1.需要将大量不同种类的地理空间数据格式转换成STL文件格式。

2.减少在DEM数据转换为STL文件格式过程中的数据丢失。STL格式文件是目前3D打印机识别的几种文件格式之一。研究人员正在通过使用各种软件和方法分几个阶段获取3D STL格式的数据。已经成功的一种是将DEM ASCII XYZ直接转换成3D STL 数据。

3.3D打印技术本质上并不是一个廉价的技术手段，因此在制作实体三维物理模型时，一定要估算打印材料的使用量。

4.3D打印技术可以制作高精度、高分辨率的实体模型，但同时也可能丢失一部分细节特征。模型打印过程中，材质层堆叠的宽度将决定打印的分辨率，以及模型壁的最小厚度极限值。

5.用户需要提前准备好3D数字模型用于3D打印数据输入。

6.原始GIS数据被打印成3D模型后，数据的属性被整合压缩。但是有时研究人员需要研究数据的个别属性，需要重新返回平面地图--参考初始平面形态。

（三）3D打印技术与虚拟三维城市模型(CityGML)的联系

空间数据的可视化进程经历了一系列发展阶段。起初，仅能应用2D纸质地图以固定比例的非交互式的静态模式，对现实事物进行二维展示。随着信息技术的问世，这些2D地图可以被扫描至计算机，生成可根据需求进行适度缩放的非交互式数字2D图像，而虚拟世界的比例尺寸概念成为当时的技术挑战。随着地理空间信息技术的提出，附加相应非空间属性的交互式2D数据得以生成。GIS技术的进一步发展，成功创建了交互式3D数据和附加相应属性的虚拟模型。紧接着，三维建模功能迎来了一系列快速的进步和技术革新，在此基础上提出了3D模拟漫游概念，并应用相关软件生成动态视频。随后，随着硬件的进步，3D打印机的问世很大程度上缩短了三维实体物理模型的生成时间，使之前不可能实现的目标对象制作过程变得简单易行。

CityGML是一种用于虚拟三维城市模型数据交换与存储的格式,是开放地理空间信息联盟OGC认可的标准。与其它3D矢量格式相比，CityGML是表达现实世界的通用拓扑模型。对于特定的领域，CityGML也可以在保存语义互操作性的前提下提供拓展机制来丰富具有识别功能的数据。目标应用领域明确包括了城市和景观规划、建筑设计、旅游和休闲活动、三维地籍图，可采用5个连续的分辨率等级（LOD0-LOD4），打印精度从≤0.2 m至≤5 m不等。现阶段许多城市都根据CityGML建立了3D城市模型，如德国的柏林市和荷兰的阿珀尔多伦市。

四、3D打印技术在地学空间信息领域应用的发展趋势

当前，3D打印技术在地学空间信息领域的应用主要朝着三个新方向发展：

1.3D打印技术生成的房地产3D沙盘模型，不仅外观细节精确，分辨率较高，内部结构也符合标准比例尺，从而极大地提升规划和设计的参考价值。随着国内有关3D打印产业政策的舆论呼声日渐高涨，房地产领域在应用3D打印技术向消费者和规划设计人员进行展示的标准化问题会获得新进展，国家科技部的相关负责人已经表示，将会制定有关的3D打印行业规范及相关政策。

2.3D地质沙盘也有助于对建筑地基、地下空间构造、隧道等地质数据集成的理解。应用3D打印技术可快速生成三维地质矿产模型，帮助地质和矿山开发人员了解地质矿体情况。3D打印技术在一些技术较发达的国家的地学研究领域已有实践，在地下矿床油气田结构可视化、地质研究、野外环境分析、矿产资源能源开采以及军事指挥中，均有了许多成熟的应用。

3.地理空间信息科学研究需要更高三维精细度的3D模型。目前，全球最为流行的专业3D打印机是Zprinter系列产品，这种型号的打印机可以很好地兼容地理空间信息模型的输出，并支持全彩打印，从而将地质结构的三维实体特性清晰细致地展现出来，其效率很高。

世界著名商业建筑设计公司Jerde 在波兰华沙“Zlote Tarasy”项目的波状玻璃屋顶设计以及加利福尼亚州“Morongo 娱乐场耀眼天蓬”设计时，其效率呈“指数式”提升。麻省理工学院也将Z Corp.3D打印机应用于教学和科研中。不仅提升了学生教育体验的效益，同时也完善了建筑设计等相关专业的尖端课程，增强了与世界顶级研究机构及重点实验室的紧密联系。国内的一些测绘装备类企业，也积极在为国内的3D打印技术提供着硬件、软件技术和精准测绘数据上的支持，可以清晰地打印出高标准的模型。

3D打印技术被视为地学信息技术领域最大众化的发展方向。英国Terrainator.com地图平台是一家打印3D地图工艺产品的网站。用户可以在网站提供的地图中，按照一定的比例尺圈定区域，提交给地图平台，系统会自动生成三维地形结构图。网站会根据该区域的版图面积、地形复杂程度和一些定制化的要求为用户打印出三维地形模型。目前，该地图平台仅支持美国大部分地区、加拿大西部、英国及欧洲少数国家的部分地区。除此之外，美国网站Landprint.com则是一个明码标价出售3D地理模型和地形模型的公司，主要出售夏威夷群岛、世界著名山峰、著名国家公园和月球陨石坑四个类型的3D模型，比如圣海伦斯火山的3D地形模型可卖到195美元的高价。同样，该公司也提供3D地形定制化服务，满足客户的特殊需求。

3D打印技术在地学信息领域应用日趋广泛，并且技术上已经日臻完善，必将在地质调查三维模拟和地质勘查三维模型成果输出方面发挥重要作用。

(转自中国勘测联合网：www.xiexiebang.com 技术百科)