甲烷的离域分子轨道能解释什么

甲烷的离域分子轨道能解释什么,第1张

甲烷的离域分子轨道能解释由单个电子行为所确定的分子性质,如电子光谱、电离能等很适用;
定域轨道模型直观明确、易于和分子几何构型相联系;
凡是与整个分子所有电子运动有关的分子性质,如偶极矩、电荷密度、键能等,离域和定域两种分子轨道模型的结果是一样的;
4轨道能量高低的不同。定域分子和离域分子两种模型是等价的, 只是反应的物理图像有所区别。

甲烷

甲烷是最简单的烃(碳氢化合物),化学式。在标准状态下甲烷是无色气体,密度是0717克/升,极难溶于水。通常情况下,甲烷稳定,如与强酸、强碱和强氧化剂等一般不发生化学反应。在特定条件下甲烷能与某些物质发生化学反应,如可以燃烧和发生取代反应等。甲烷在自然界分布很广,是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用作燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。它主要的来源有:有机废物的分解、天然源头(如沼泽)、化石燃料、动物(如牛)的消化过程、稻田之中的细菌、生物物质缺氧加热或燃烧等。

甲烷是一种可燃性气体,而且可以人工制造,所以,在石油用完之后,甲烷将会成为重要的能源。

首先,沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用而生成的一种可燃性气体。沼气的用途广泛,首先可作为能源,用于人类的生产和生活;其次是帮助净化环境,用于处理城乡生活污水、垃圾和工农业废水、废物以及人畜粪便;再次是作为有机肥料,将沼发酵残余物用于农牧渔业生产;此外,还可从沼气及其发酵残余物制取很多化工产品。

太阳沼气池主要是靠收集太阳光的热量,来提高沼气池发酵温度,从而更好实现产气。下面是一种采用聚光凸透镜的太阳能沼气池。它是一种新型太阳能沼气池,包括发酵集料箱、复合凸透镜、防护罩、太阳能集热板、保温容器、电热转换器、温度传感器、保温控制器盒、快速发酵集料箱和支撑座。复合凸透镜由多个以曲面为基面的凸透镜组成,复合凸透镜上的多个凸透镜所集聚光线的焦点都在太阳能集热板 上,太阳能集热板位于保温容器的顶部,保温容器安装在快速发酵集料箱的上部,快速发酵集料箱上开设有与发酵集料箱连通的通气口 ,其通过支撑座安装在发酵集料箱内的上部。本实用新型能将太阳能热量聚集在沼气池中心部位,提供并控制甲烷菌等所需或最佳生存温度或繁殖温度,并将产气原料适当分类处置,保证有机物废物和沼气池充分使用。

寒地太阳能沼气装置

天然气是一种多组分的混合气体,主要成分是烷烃,其中甲烷占绝大多数。与煤炭、石油等能源相比,天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少,产生的二氧化碳仅为煤的40%左右,产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生,具有使用安全、热值高、洁净等优势。目前人们的环保意识提高,世界需求干净能源的呼声高涨,各国政府也透过立法程序来传达这种意愿。天然气曾被视为最干净的能源之一,再加上世界的石油危机,能源紧张加深美国及主要石油消耗国家研发替代能源的决心,因此,在还未发现真正的替代能源前,天然气需求量自然会增加。

(1)天然气发电。是缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例,减少环境污染的有效途径。且从经济效益看,天然气发电的单位装机容量所需投资少,建设工期短,上网电价较低,具有较强的竞争力。

(2)天然气化工工业。天然气是制造氮肥的最佳原料,具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重,世界平均为80%左右。

(3)城市燃气事业。特别是居民生活用燃料。随着人民生活水平的提高及环保意识的增强,大部分城市对天然气的需求明显增加。天然气作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。

(4)压缩天然气汽车。以天然气代替汽车用油,具有价格低、污染少、安全等优点。

天然气化工是以天然气为原料生产化学产品的工业,是燃料化工的组成部分。由于天然气与石油同属埋藏地下的烃类资源,有时且为共生矿藏,其加工工艺及产品相互有密切的关系,故也可将天然气化工归属于石油化工。天然气化工一般包括天然气的净化分离、化学加工(所含甲烷、乙烷、丙烷等烷烃的加工利用)。世界上约有50个国家不同程度地发展了天然气化工。天然气化工比较发达的国家有美国、俄罗斯、加拿大等。美国发展天然气化工最早,产品品种和产量目前仍居首位。消耗于化学工业的天然气,占该国化工行业所消耗原料和燃料总量的1/2以上。20世纪70年代中期前苏联调整了化学工业政策,加速发展天然气化工生产,在西伯利亚天然气产区新建生产装置,大规模应用于合成氨、甲醇和乙烯、二硫化碳。目前,其天然气化工产品产量仅次于美国。加拿大有丰富的天然气资源,用于合成氨、尿素、甲醇和乙烯的生产。

我国的能源结构以煤炭为主,石油、天然气所占比例远远低于世界平均水平。随着国家对能源需求的不断增长,提高天然气在能源结构中的比重和引进LNG,将对优化我国的能源结构,有效解决能源供应安全和生态环境保护,实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。

随着天然气的普遍应用,天然气供应已经成为国家能源安全中越来越重要的组成部分。未来中国天然气需求增长速度将明显超过煤炭和石油。

与此同时,甲烷也是一种温室气体:其全球变暖潜能为22(即它的暖化能力比二氧化碳高22倍)。

北冰洋

世界八成甲烷的产生皆来自人为活动(主要是畜牧业)。在过去200年,地球大气中的甲烷浓度升了1倍多,由08毫克/千克上升至17毫克/千克。甲烷并非毒气;然而,其具有高度的易燃性,和空气混合时也可能造成爆炸。甲烷和氧化剂、卤素或部分含卤素之化合物接触会有极为猛烈地反应。甲烷同时也是一种窒息剂,在密闭空间内可能会取代氧气。若氧气被甲烷取代后含量低于195%时可能导致窒息。当有建筑物位于垃圾掩埋场附近时,甲烷可能会渗透入建筑物内部,让建筑物内的居民暴露在高含量的甲烷之中。某些建筑物在地下室设有特别的回复系统,会主动捕捉甲烷,并将之排出至建筑物外。

研究发现,气候变暖导致海洋释放出更多甲烷。

气候变暖不但表现为人类排放的温室气体增多,还会导致地球自身释放出更多的温室气体。据美国最新一期《地球物理通讯》杂志刊登的一篇英国国家海洋中心的研究报告显示,研究人员探测到北冰洋中存在大量甲烷,这证实了地球暖化导致海底释放大量甲烷的说法。他们担心,这些甲烷可能使得地球变暖问题更加恶化。

英国研究人员搭乘皇家科学考察船前往北极海域,利用声呐探测到从海底升起250多个甲烷气泡。经过分析他们发现,这块海域在过去30年中水温升高了1℃,导致海底的甲烷水合物分解出甲烷,并以气泡方式浮上海面。

甲烷水合物又称“可燃冰”,通常存在于海底高压稳定状态下。30年前,这些物质可在海面下360米深处稳定存在,而现在,它们要到400米下才能稳定存在。

研究人员担心,如果北极海域普遍出现这种现象,那么,每年将释放出数千吨甲烷。由于甲烷是一种温室气体,因此,这将会使得地球变暖的问题更加恶化。而且溶于海水中的甲烷会造成海水酸度增加,对海洋生态形成负面影响。

2018年夏天,一架无人机在斯特龙博利(Stromboli)火山口附近扔了一个小包裹。 斯特龙博利火山位于西西里岛海岸附近,在过去一个世纪里几乎一直在不断喷发。作为地球上最活跃的火山之一,地质学家们一直对它非常着迷, 但在这不断翻腾的火山口附近收集数据是极为一件危险的事情。因此,来自布里斯托尔大学的一个研究小组建造了一个"火山探测机器人",并使用无人机将其运送到火山顶部 ,在那里它可以被动地监测火山的每一次地震和颤动,直到它不可避免地被喷发摧毁为止。 该机器人是一个 垒球 大小的传感器舱,由一块巧克力方块大小的放射性电池提供微剂量的核能驱动。 研究人员称他们的创造物为"龙蛋"。

"龙蛋"号机器人可以帮助科学家们,以前所未有的细节数据研究这一剧烈的自然过程,但对于布里斯托尔大学的材料科学家汤姆·斯科特(Tom Scott)来说,火山探测只是一个开端。 在过去的几年里,斯科特教授(Scott)和一小群合作者一直在开发一种升级版的"龙蛋"号核能电池,这种电池可以持续使用数千年而从无需充电或更换。 与大多数现代电子产品中通过化学反应产生电力的电池不同的是, 布里斯托尔大学所研究的电池收集的是放射性钻石喷出的微粒,这些微粒可以由经过改造的核废料制成。

本月早些时候,斯科特(Scott)和他的合作者——布里斯托尔大学的化学家尼尔·福克斯(Neil Fox) 创建了一家名为"Arkenlight"的公司,该公司目的是将他们的核钻石电池商业化。虽然这种指甲大小的电池还处于原型阶段,但与现有的核电池相比,它已经显示出效率和功率密度的改进。 一旦斯科特教授(Scott)和其Arkenlight公司团队完善了其所进行的设计,他们就会建立一个试验设施来进行大规模生产。 该公司计划在2024年之前将第一批商用核电池投放市场——只是我们不要指望在自己的笔记本电脑中找到它们

传统的化学电池或 "原电池",如智能手机中的锂离子电池或遥控器中的碱性电池,都能在短时间内释放大量电力。锂离子电池在不充电的情况下,只能持续工作几个小时,而且在使用几年后,它的充电能力将大幅下降。 相比之下,核电池或贝塔伏特电池(Betavoltaic battery,β原子电池,一种将放射性β辐射转换为电流的电池),则都是属于可在很长时间内持续产生微量的电力的电池。它们发出的电量不足以为智能手机供电 ,但根据它们使用的核材料来看,是完全可以为小型设备提供数千年的稳定电力输出。

" 那么,我们能用核电池给电动 汽车 供电吗?答案是——不能。 "Arkenlight公司的CEO摩根·博德曼(Morgan Boardman)表示,要为如此耗能的东西供电,这就意味着"电池的'质量'将需要明显大于车辆的'质量'"。 相反,该公司正在寻找那些几乎不可能或无法定期更换电池的应用方向进行拓展(也可以说是一次性长期应用产品方向),例如在核废料储存库、卫星上的偏远或危险地点的传感器。博德曼(Boardman)还看到了离我们生活较近的应用,比如将该公司的核电池用于心脏起搏器或可穿戴设备。 他设想的未来是,人们将保留电池并更换设备,而不是现在的:在同一个设备上进行频繁更换电池。"你会在更换电池之前,就已经更换好几个火灾报警器了,因为电池的寿命已经远远超出这些设备。"博德曼(Boardman)这么说道。

不足为奇的是,大多数人肯定会对核电池表示抗拒,这是因为他们认为这种电池会产生放射性物质,并对他们的 健康 产生危害。 但从贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)的 健康 风险报告来看,其可与"出口标志"的 健康 风险相媲美,"出口标志"所使用的是一种被称为"氚"的放射性材料来实现其标志性的红色荧光。 与伽马射线或其他更危险的辐射类型不同,β粒子只需经过几毫米的屏蔽物就可以阻止它们的轨道。 太平洋西北国家实验室的材料科学家兰斯·哈伯德(Lance Hubbard)说:"通常只要电池壁就足以阻止其的任何泄漏。这使得核电池内部几乎没有放射性物质,这对人们来说非常安全。" 而且,他还补充道,当核电池耗尽电力时,它会衰减到稳定状态,这意味着其内部没有剩余的核废料。

第一代贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)在20世纪70年代就已面世,但直到最近,还没有人用得上它们。 它们最初被用于心脏起搏器,在这种情况下,一个有缺陷的电源袋可能意味着生与死的区别,直到它们最终被更廉价的锂离子替代品所取代。 今天,低功耗电子产品的普及预示着核电池进入了一个新时代。 "对于功率非常小的设备来说,这是一个很好的电源选择—— 这里正在谈论的是微瓦级别,甚至皮瓦级别。" 哈伯德(Hubbard)认为: "物联网推动了这些能源的复兴。 "

一个典型的贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)由薄薄的、类似箔片的放射性材料层夹在半导体之间组成。 其的发电原理是:当核材料自然衰变时,它会发射出高能电子或称为β粒子的正电子,将半导体材料中的电子打散,从而产生电流。 从这个意义上说,核电池与太阳能电池板类似,只是它的半导体吸收的是β粒子而不是光子。

和太阳能电池板一样,核电池也有一个严格的能量限制。 它们的功率密度,会随着放射源离半导体越远而下降。 因此,如果电池层的厚度超过几微米,电池的功率就会急剧下降。此外,β粒子是随机向各个方向发射的,这意味着只有一小部分粒子会真正击中半导体,而其中只有一小部分会转化为电能。 至于核电池能够将多少辐射转化为电能而言,哈伯德(Hubbard)表示:" 目前阶段,7%左右的效率是最先进的。 "

此为Arkenlight公司的 "Betalight "伏安电池,集成了一个传感器封装。与碳-14电池不同,"Betalight"是一种传统的由氚制成的"三明治"核电池。

这与核电池的理论最高效率(约为37%)相去甚远。 但是,这正是一种叫做"碳-14"的放射性同位素能够起到帮助作用的地方。"碳-14"在放射性碳年代测定中的作用最为人熟知,这使得考古学家能够估计古代文物的年代, 同时它也可以为核电池提供动力,因为它既可以作为放射源,也可以作为半导体。 它的半衰期也有5700年, 这意味着,碳-14核电池原则上可以为电子设备供电时间,比人类拥有书面语言的时间还要长。

斯科特(Scott)和他的同事们在一个特殊的反应器里,通过将甲烷注入氢等离子体来培育人造"碳-14"钻石。当气体电离时,甲烷分解,碳-14聚集在反应器中的基底上,并开始在钻石晶格中生长 。但是,斯科特(Scott)和他的同事们将这种放射性钻石用于传统的"三明治"电池配置中,在这种结构中,核源和半导体是离散的层 。并且,他们申请了一种将碳-14直接注入实验室设备中培育钻石的专利,这种方法所制得的钻石与我们日常戒指上的钻石相似。 其结果是具有无缝结构的水晶钻石,它最大限度地减少了β粒子的移动距离,并最大限度地提高了核电池的效率。

" 到目前为止,放射源与接收放射源并将其转化为电能的二极管一直是分离开来的。 "博德曼(Boardman)表示:" 这是一个突破性的进展。 "

当宇宙射线撞击大气中的氮原子时,"碳-14"是自然形成的,但它也是作为副产物在包含核反应堆控制棒的石墨块中产生的。这些块状物最终会成为核废料, 博德曼(Boardman)表示,仅在英国就有近10万吨这种被辐射的石墨。英国原子能机构最近从35吨辐照石墨块中回收了另一种用于核电池的放射性同位素氚, Arkenlight公司团队正在与该机构合作开发类似的工艺,从石墨块中回收碳-14。

如果Arkenlight公司成功的话,其将为制造核电池提供几乎取之不尽的原材料。 据英国AEA估计,不到100磅(约为4536kg)的碳-14就足以制造数百万个核电池。此外,通过去除石墨块中的放射性碳-14, 将使其从高放射性核废料降级为低放射性核废料,从而使其更容易处理,更安全地进行长期储存。

目前,Arkenlight公司还没有使用改造后的核废料制造出贝塔伏特电池(Betavoltaic battery),博德曼(Boardman)表示, 在准备投入使用之前,该公司的核钻石电池在实验室里还需要几年的改进。但这项技术已经吸引了太空和核工业的兴趣。 博德曼继续说道,Arkenlight公司最近从欧洲航天局获得了一份合同,为他称之为"卫星射频识别标签"(satellite RFID tags)这一项目开发钻石电池,这种标签可以发出微弱的无线电信号,预在数千年内持续地识别卫星。 然而,他们的愿景也没有止步于核电池上。Arkenlight公司还在开发伽马伏特电池(Gammavoltaic battery),这种电池可以吸收核废料储存库发出的伽马射线,并利用它们来发电。

Arkenlight公司的伽马伏特电池原型,它将把核废料库中的伽马射线转化为电力。

Arkenlight公司并不是唯一一家研究核电池的公司。 像City Lab和Widetronix这样的美国公司几十年来一直在开发商用贝塔伏特电池(Betavoltaic battery)。 这些公司专注于更传统的层状核电池, 并且它们使用的是 而不是碳-14钻石作为核动力源。

康奈尔大学的电气工程师、Widetronix公司的联合创始人迈克尔·斯宾塞(Michael Spencer)表示,在选择放射性材料时必须考虑到它的应用。例如,碳-14放射的β粒子比氚少,但半衰期长500倍。 如果你需要的东西能永远持续下去,这确实是其优点,但这也意味着碳-14核电池必须比 电池大得多,才能提供同样的电量。 " 同位素的选择会带来很多权衡。 "斯宾塞(Spencer)说。

如果说核电池曾经是一种边缘技术,那么它似乎已经做好了进入主流能源的准备。 我们不一定需要——或者说不希望我们所有的电子产品都能持续数千年。但当我们这样做的时候,我们将会拥有一个一直运作的电池……可能我们的下一代,下一代,再下一代的时候还在运作。

撰写 :GolevkaTech

这海康威视到底是一家什么样的神仙企业,能让大漂亮国如此的如坐针毡,如芒在背,是如梗在喉。

这时候可能有大聪明就说了,嗨,海康我知道,不是卖摄像头的吗?我们家小区摄像头都是他们的。哎,这个话呢放在七八年前是没啥毛病的。但是现在啊海康已经已非当年无下阿蒙了。要不然你想啊光靠卖摄像头怎么可能连续五年独占全球安防行业的榜首呢?那带头大哥是谁想当都能当的吗?对吧?所以海康这些年到底做了些啥,能搞出这么大的动静来呢?答案呢就是大数据、人工智能和物联网。

还记得前两天甘肃农民放羊的那画面吗?那羊在底下一只一只过,摄像头,从上面拍下来之后,直接就能计数,这就是海康威视的人工智能算法。但是仅仅数羊啊,这有点小儿科,对吧?你想谁会担心你数羊数的好吗?那咱们再进一步啊,就比如说山东的井盖,有的下边呢就装了他们家的传感器。所以井盖的位置编号,还有井盖下边的甲烷浓度,这些呢都能通过物联网来实时监测。

那咱们再往深了讲一层啊,就这可能有点敏感了。咱们挑一个能说的来说,就比如说延长油田,正常维修养护,很多地方工人是去不了的。而且就算你能去也不可能二十四小时呆在那儿,对吧?那现在呢海康就有自己的人工智能算法,把摄像头架在这些人到不了的地方。而且呢这些摄像头还可以自己识别出来哪出了问题,这个就有点厉害了啊。

如果说之前的摄像头还只是一双眼睛的话,那么现在呢就相当于眼睛后边儿又长了一个脑子,也就变成了聪明的眼睛。再结合海康稳坐世界安防第一头把交椅,也就意味着全世界有无数双这样的会思考的眼睛,把眼睛采集到的数据和资料汇总到一起,形成大数据和这些数据背后可以深度挖掘出来的信息。这些才是大家真正关注的核心问题所在。

5 1 资源———能源与原材料

20 世纪,从以开发金属资源为主到越来越多地集中于工业矿物和油气,一些寻找和开发不可再生能源的工业部门得以发展。现今,不论在发达国家还是发展中国家,能源工业已成为影响国民经济的重要因素。

矿床的性质与成分是多种多样的,这是它们不同成因的反映。生成这些矿床的作用有: 来自地幔的岩浆侵入、地球表面的沉积作用,甚至在一些镍矿中,还有陨石的撞击。对矿产前景的评价要求地质学家了解这些成矿过程,找到普通的岩层与有经济价值的矿床之间的差别及其相互联系。

持续增长的需求要求我们不断地勘探和开发新的矿床。尽管发现一个世界级的大矿床是极为罕见的特例,但根据美国地质调查局全球矿产资源评价项目的资料,预计在不远的将来还不会产生非燃料矿产资源的全球性短缺。但是,现在已经有越来越多的不同种类的 (现实的和预测的) 障碍开始限制这些资源的可利用性。虽然,一些紧缺的矿产资源在地球上并没有耗尽,至少在不远的将来还不会。但是,在很多地区,由于土地利用的竞争以及一些政治和环境因素,这些资源的勘探和开发能力正在受到制约。

“矿产资源问题”源自对社会和环境负责的态度进行矿产资源经济开发这一出发点。做好资源可持续开发的规划和决策,需要我们有长期的、全球性的眼光,并制定出涵盖土地利用、资源和环境管理的综合方案。这个综合方案,反过来又要求我们对已探明的矿产资源在全球的分布,影响其开发的经济因素及其开采所带来的环境影响等诸多方面拥有公正、客观的资料。

矿山的生命周期包括勘探、发现、开采、商业利用、矿产地的复垦等阶段,在这周期中,持续的矿产开发自始至终关系到对社会的潜在破坏。如果开采公司要保持它们的社会合法性,就必须认真对待环境和社会的挑战。

建筑材料包括被切割和粉碎的岩石、沙、砾石和粘土,全世界对它们的需求量日益增长。全球的年开采量约为 250 亿吨,其中约 130 亿吨为集料 (粉碎的石头、沙和砾石) 。如何更好地保护和开采这些资源以避免现在和将来跟土地利用发生冲突,需要我们谨慎地做好规划。

5 2 岩石和集料

集料工业为各类建筑,包括道路、公路、铁路、机场、建筑物、港湾和其他民用工程以及水泥制造等供应原料。集料的来源是采石场、陆地和海底的采砾坑、再生的工业废料以及热电厂。集料工业还供应大量的粘土和天然岩石。

许多国家都在试图减少来自采石场、采砾坑和海底的集料数量,以保护环境、水资源及水质。对旧采石场进行复垦使之恢复景观,将给未来的土地利用带来新的希望。我们必须对建筑材料作定量评估,以使开采的材料与我们的实际需要达到最佳匹配;加强研究和开发将给发展中国家日益增长的装饰石贸易带来新的机遇。改进勘探方法,减少有害废料的产出,研制新工艺和新工具,以及改进产品的性能,都会使社会受益匪浅。

从石油工业可以看到,环境是可以管理好的。天然气在很多方面的用途越来越受到关注。它可提供清洁的火焰,废气的污染相对较小,热量容易控制,而且在需要时可提供高热能。在特殊情况下,它还能以压缩或液化方式作为高效率机动车燃料使用。

石油是一种不可再生的资源,来自古代植物和微生物衍生的有机物。在 2004 年,常规原油和天然气的远景可采储量据估算为 158 千兆吨 “油当量”(油和气) 。天然气水合物以及非常规资源 (例如,超重油、沥青砂、密集沙层中的气、煤层甲烷、浅储集层甲烷、水溶甲烷等) 不在上面估算数字内,但它们共同赋存的量非常大。专家们预期,在今后 30 ~ 50 年的时间里,非常规资源,包括水合物,将成为世界能源消费的主要组成部分,但是考虑到实用性、宏观经济变化和政治倾向等因素,对它们的开发必须谨慎进行。

世界天然气贸易正在逐步一体化,面对竞争和解禁,各国都稳定地开放经济。可以预计,在不远的将来,在同样的全球化势力的驱动下,一个真正的国际化天然气市场将诞生。一些新的技术,如燃料电池、分布式发电网络、氢气储存系统、气变油技术、微型发电机等,将从根本上改变世界的能源系统。到 21 世纪 30 ~ 60 年代,有可能出现一个以氢气为最终能源载体的经济体系,而且很可能是以甲烷为基础。

5 3 石油的代替品

在过去的 40 年里,许多杰出的科学家看到,在将来某个时期,世界的石油将被耗尽。从长远来看,替代耗尽的石油所需的边际成本要与便利性、质量和替代能源的服务成本一起来估算。在某个点上,非化石能源可能更具有竞争力。

了解所有能源工艺的技术变化率,我们完全可以预计,会有相当大的一部分化石能源矿产被保留下来不被开采。因此,对不同价格水平的化石能源矿产的地质赋存程度的进一步评价,将促使很多机构根据不同的成本价格水平,对全球的最终可采资源量作出估算。

5 4 自然资源的开采

开采自然资源的重点将放在可持续性开发上,涉及经济、环境和文化诸方面。虽然我们并不知道今后 100 年里最主要的资源是什么,但是我们可以肯定,社会将仍然需要能源和各种原材料。今后的工作需要定期地对各种矿产品的已知储量和资源量进行归档整理,并更新对尚未发现的资源的估算。

这些资源包括:

·能源: 常规与非常规油气、煤、铀、钍、地热、太阳能、风能;

·金属矿物: 铜、铁、锰、钼、镍、钨、锌、铅、金、银、铂、钯;

·特殊矿物和工业矿物: 水泥原料、稀土元素、金刚石;

·水: 地表水和地下水。

针对以上及相关的一些问题,我们需要制定一个全球适用的方案———一个可以在国际合作基础上、为期三年的国际地球年活动内实现的方案。目前,一些涉及政府间合作的全球性矿物资源评价已经在着手进行。尽管在评估尚未发现的资源量时仍然存在很多不确定因素,但是毫无疑问,这一工作值得继续去做。

地学领域的新发展使得很多宝贵的矿产资源可以追溯其来源。这为我们提供了一个机会来理顺自然资源与一些社会现象(即: 稳定地、管理有序地、可持续地增进社会繁荣) 之间的关系。过去,这些关系几乎都是根据国家统计资料在一个总体水平上处理和探讨的,并没有与特定的地区或一个地区内的各个矿产品联系起来。因此这方面的跨学科研究具有创新意义。

5 5 点天灯

“点天灯”是指燃烧那些由于经济或技术条件的原因而不能出售或利用的天然气。 “点天灯”每年都造成大量的能源损失,还可能带来负面的环境影响。在世界很多地方,石油生产中的甲烷气都被烧掉,因为烧掉比其他选择 (就地利用、建立管线或重新注入储层中) 更经济。

在非洲,“点天灯”燃烧天然气造成的能源损失相当于 5 亿美元/年。如果减少这一损失,目前被燃烧的天然气就会大部分进入出口市场。但是,我们工作的重点应是在当地市场上。因为只有在那里,天然气才会对贫困地区的经济发展带来正面影响。例如,用天然气替代木材燃烧,会给当地的环境带来益处。因此,无论是对被燃烧的甲烷还是产自浅层堆积物或深湖的甲烷,评价各种类型甲烷的资源远景至关重要。

当大量天然气资源的产地离消费者太远,运输不便时,就被认为是 “搁浅”了。那些拥有看来离市场太远,不经济的天然气资源的边远地区,由于 “气变液”的转化使得这些地区有可能在今后 25 年里为世界提供能源,其经济也将随之发展。

我们知道,小型的油气矿点在全世界比比皆是。它们可能代表了天然气泄漏、液态石油的渗漏、半固态沥青矿床以及沥青浸染多孔岩石岩脉。甲烷是泄漏到地表的最常见气体,通常作为一种地质资源赋存于生物成因的源岩、热成因 (与石油伴生) 的源岩,或作为火山气体和热液气体产出。在大多数沉积物厚度超过1000 米的盆地或子盆地中,作为一种生物成因的气体,大量的甲烷气可在石油储集层和多孔的浅层沉积物中找到。全世界有 120多个湖泊,其深部的缺氧咸水含有溶解的甲烷,可满足当地需要。这类能源可以与产自废水泵的生物甲烷或来自附近沉积物中的浅层甲烷联合开发。

5 6 天然气水合物———潜在的能源

水合物仅发现于极地地区的最北边或最南边,在水深超过300 米的海底沉积物中。因而,只有具备相应技术的国家才能开采这一资源。在标准温度和压力下,甲烷是一种液化烃,并且是天然气的主要组分。在相对的高压低温条件下 (常见于永冻层地区和大陆架的海底) ,天然气水合物 (甲烷水合物) 呈现为固态的冰状物质。每立方米的天然气水合物释放的热量相当于 160 ~180 立方米的天然气释放的热量。因此,水合物便于储存和运输。通过向水合物矿床注入热量 (水或汽) ,天然气很容易被释放出来。

5 7 矿产资源———可利用性与供应

有不少矿床与火成的地幔衍生的熔岩相互伴随生长,特别是有些成矿的矿物是由一小部分地幔熔岩组成的。详细地了解板块构造作用有助于地质学家精确地确定在什么地方,勘探者最有可能找到特定的矿物组合。

很多矿床都是在经历了风化与侵蚀的改造后才具有经济价值的。相反,只有侵蚀或溶蚀而没有再富集作用的话,有可能破坏矿床! 地质学家需要很好地了解地表作用,才有可能建立预测矿石的生成或破坏的模型。尽管近期有一些研究进展,但是我们还远远没有完全地了解这些关键的成矿过程以及它们是如何相互作用的。这类研究是跨学科研究所必需的,也是为后代建立一个可持续资源基地必不可少的因素,如后面的 “铂族元素” (PGE)项目的例子。

科技板块的股票有高科技龙头股主要有:中天科技(600522)、四方达(300179)、钢研高纳(300034)、红宇新材(300345)等等,当然还包括张江高科、海泰发展、苏州高新、东湖高新、鲁信高新等。


一、科技创新股
科技创新股就是通常所讲的创投股,即创业投资股,创业投资是指专业投资人员(创业投资家)为以高科技为基础的新创公司提供融资的活动。
所谓“创投”概念是指主板市场中涉足风险创业投资,有望在创业板上市中大获其利的上市公司或者自身具有“分拆”上市概念的个股。

二、科技创新股分布领域
主要集中于高新技术产业,而高新技术产业又具体指向航天航空器制造业和光电技术制造业,其次是生物制药业和电子信息业。中信建投研究所经过调研,锁定了高新技术产业的10个细分领域,它们分别是:(1)高效能计算机和下一代网络技术与服务;(2)新一代信息功能器件和材料;(3)数字多媒体领域;(4)空间技术;(5)新能源;(6)高效运输工具;(7)基础制造业;(8)环保产业;(9)抗击疾病的新手段;(10)食品安全。
1、科技股:
(1)电子信息股:
600680普天,600171贝岭,600764中电广通,
(2)电子元件股:
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002194,002230六,新材料概念股:烟台万华600309
MDI(二苯基甲烷二异氰酸酯)行业,具有明显的“寡头”垄断性质。目前,世界上掌握MDI 核心技术的只有少数几家公司,而国内只有一家上市公司掌握了此项技术,未来投资机遇较大。

摘 要:近几十年来,亲和层析技术发展十分迅速,广泛应用于生物分子(如结合蛋白、酶、抑制剂、抗原、抗体、激素、激素受体、糖蛋白、核酸及多糖类等)及组织(如细胞、细胞器、病毒等)的分离和纯化,是蛋白质组学研究中重要的技术之一。介绍了亲和层析的基本类型及配体合成的研究进展,概述了亲和层析技术在蛋白质组学以及在其他方面的应用和发展动态。
关键词:亲和层析;基本原理;类型;应用
中图分类号:Q819
文献标识码:A
文章编号:1007―7847(2006)01―0012―06
亲和层析(amnitychromaloSraphy)是利用偶 联亲和配体的亲和吸附介质为固定相亲和吸附目 标产物,使目标产物得到分离纯化的液相层析法, 近几十年来,亲和层析技术发展十分迅速,并在生 物技术产品、生物分子及组织的分离和纯化领域 取得令人瞩目的成就。现已广泛用于分离纯化蛋 白质、肽、酶及其底物和抑制剂、抗体及抗原、核酸 及其特异性作用物、激素及受体、细胞及细胞表面 物等等”。基于此,本文针对亲和层析的基本类 型,配体的选择和亲和层析在生物学特别是蛋白 质组学中的应用等方面作一介绍。

1 亲和层析的类型

亲和层析柱中被固定的配体是决定亲和层析 成功的关键因素。根据配体与生物大分子之间相 互作用体系不同,可以把亲和层析分为以下4种 类型。
1.1 生物亲和层析(BAFC)
生物亲和层析是利用自然界中存在的生物特 异性相互作用物质对的亲和层析。通常具有高的 选择性。典型的物质对有酶-底物、酶-抑制剂、 激素―受体等。

1.2 免疫亲和层析(1AFC)
利用抗原抗体中的一方为配体,亲和吸附另 一方的分离系统,称免疫亲和层析,免疫亲和层 析应用相当广泛,许多典型的亲和层析纯化蛋白 质的过程已经使用了单克隆抗体作为亲和配体, 目前,利用抗体-抗原模式,有可能得到每一种目 标蛋白的单抗,然后以单抗为配基,通过亲和层析 技术分离纯化目标蛋白质。此种方法的纯化倍数 活性回收率非常高。蛋白A和蛋白C作为抗体 结合蛋白已被应用于免疫亲和层析技术,是分析 人类免疫球蛋白,特别是IgG―类抗体的很好的免 疫亲和层析的配体。用免疫层析柱进行各种类型 的免疫检测被称为免疫检测法,特别适用于检测 含量低微的样品。免疫检测法利用被标记的抗体 或模拟分析物来进行间接的被分析物的分析。常 用标记如酶标记、荧光标记、化学荧光等。

13 金属离子亲和层析(IMAC)
金属离子亲和层析是利用金属离子的络合物 或形成整合物的能力吸附蛋白质的分离系统。目 的蛋白质表面暴露的供电子氨基酸残基,如组氨 酸的咪唑基,半胱氨酸的巯基和色氨酸的吲哚基, 十分有利于蛋白质与固定化金属离子结合,这是 IMAC用于蛋白质分离纯化的根据。金属离子 如锌和铜,已发现能很好地与组氨酸的咪唑基及 半胱氨酸的巯基结合。含有不同数量的这些基团 的蛋白质可以通过金属离子亲和层析得到分离。

14 拟生物亲和层析(BiomimeticAFC)
拟生物亲和层析是利用部分分子相互作用, 模拟生物分子结构或某特定部位。以人工合成的 配基为固定相吸附目的蛋白质的亲和层析,如以 染料亲和层析(DAFC)和氨基酸(包括多肽亲和层 析(AALA)。染料配基,例如三嗪(triazine)或三 苯甲烷化合物,能通过共价键牢固地结合到亲 和载体上,染料配体与很多蛋白以及酶的活性位 点相互作用,以模仿这些生物分子的底物、辅助因 子或结合剂的形式进行。

2 亲和层析配体的设计以及应用组合方法筛选配体

亲和层析是一种非常有效的大规模纯化生物 技术产品的分级分离技术并已广泛应用于蛋白质 组学和其他领域的研究。尽管其具有很大潜力, 但针对每个目标是否能得到适当的配体,亲和层 析方法的利用是受到限制的。近年来发展的利用 分子模型对配体进行设计和组合化学相结合已经 成为一种为特定生物技术需求产生新颖而特异性 强的配体的创新方法。

2.1 亲和层析配体的设计
依据蛋白结构设计配体:理性设计配体的策 略包括从合适的数据库获取关于目标蛋白结构信 息并确定蛋白上可能的结合位点。目标位点可能 是一活性位点、裸露于溶剂的区域或是参与同一 中性互补配体相结合的部位。依据蛋白结构设 计配体要考虑两个重要因素:第一,正确地预计被 设计的配体构像的能力;第二,正确预计配体的亲 和力的能力。一些成功地利用蛋白设计配体 的方法已报道。例如,针对L-乳酸脱氢酶而 设计的蒽醌模仿生物的染料―配体。
依据蛋白功能设计配体:当目标蛋白的三维结 构未知的时候,可依据蛋白的功能对配体进行设 计,并依赖于考虑配体一定的结构特征。归纳如下:
1)符合一定要求的分子的形状。例如,线形 带负电荷的分子肝磷脂对于纯化DNA-结合酶是 一种常规方法,另外纯化核苷酸结合酶的配体 三嗪染料CibacronBlue 3GAca具备能与一些酶 的核苷酸结合位点形成合适的相互作用所需的几 何结构以及离子和疏水性的基团。
2)配体具特异功能团。例如苯甲脒作为胰蛋 白酶类蛋白酶的配体,羟氨基酸作为与金属结合 的蛋白的配体。
3)两个或数个已知的底物、抑制剂、效应体或 辅助因子这样的结构模体的结合体衍生的结构模 型。例如酮―羧基仿生物嵌合染料-配体被设计 作为纯化识别(酮)羧基的酶的配体。

22 组合方法筛选配体
应用组合化学的方法建立多肽文库,然后利 用多肽文库来筛选与目的蛋白特异性结合的多肽 配基,这一观点的提出大大促进了亲和层析筛选 及合成配基技术的发展。过去的十几年中已出现 了允许产生多达10种不同的蛋白,肽链或核酸 文库的方法。这样的大文库使选择高亲和性和特 异性的分子成为可能。在寻找配体时可应用两个 策略。首先,筛选能与各种类型大文库中的生物 分子相结合的目标物,然后引进一个设计的方法 来缩小被引导的文库的大小规模。这个被采纳的 方法主要取决于一开始时我们有什么信息,如果 有被分析物的结构的信息,设计配体就有可能;然 而如果没有这样的信息,组合方法来筛选配体可能 是唯一的途径,从第一代文库获得的结合分子能被 用做母体支架产生另外的新文库,从这种新的文库 中可筛选出更高活性的结合物配体。已有报道从 (多)肽,多核苷酸以及替代的三嗪类化合物文库中 筛选亲和配体的组合方法的应用。

2.2,1 合成的肽文库
合成的肽文库是随机肽分子的集合体,包含 给定肽链长度所有可能的顺序。用固相肽合 成方法化学合成肽分子。合成好的肽可从可溶性 的肽文库断裂开或者保留在一个小珠一种结构的 肽文库的树脂上。一个基本的体外筛选组合化学 文库方法是让文库中的混合物流经一待测定蛋白 已被固定在其表面的通路。具备与固定在表面的 蛋白分子有亲和性的配体是那些在它们通道上受 到阻力的肽,它们通常是亲和层析配体很好的候 选物。用这样的方法,具备F-L-L-V-P-L顺序的肽 配体己被合成并用于人类纤维蛋白原的纯化。

222 噬菌体展示(phagedisplay)
噬菌体展示已经迅速成熟并演变成为亲和层 析发现高亲和性配体的工具。这一技术是在一称 为生物淘洗的筛选过程中依据利用噬菌体展示文 库来快速鉴定高选择性的配体,以噬菌体展示得 出的肽用亲和方法选择可用两种方式进行。文库 可直接用被固定的目标培养或者在被固定到固体 支撑物以前用目标预培养,如同亲和层析一样, 相互作用的肽或蛋白特异地或非特异地洗脱出。 这些相互作用的噬菌体可用细菌感染来放大以增 加它们的拷贝数。这个筛选/放大过程可多次重 复以获得较高亲和性的噬菌体展示肽。期望的顺 序可通过对被分离出的噬菌体DNA顺序测序获 得。噬菌体展示文库已经成功应用于抗原决定基 定位,发展疫苗,鉴定蛋白激酶底物,具生物活 性的肽以及非肽配体的肽模拟,并且很适合作 为色谱分析的亲和配体来源。蛋白A的免疫球 蛋白结合的结构域已被展示在噬菌体的表面,使 筛选具改进的特异性或温和的洗脱条件的蛋白A 变异体亲和层析条件成为可能。Gaskin等人 描述了利用展示在细丝状噬菌体M13表面的7氨 基酸肽文库作为根毛霉脂肪酶(Rhizomucormiehei lipase)可能的亲和配体来源。

2.2.3 核糖体展示和SELEX进行的亲和选择
核糖体展示特别适合于扫描和筛选折叠的蛋 白,原理总结如下:首先一DNA文库被转录成 mRNA,该mRNA在体外被翻译,由于缺乏一休止 符,阻止了mRNA和肽从核糖体中释放出来,在 适当的条件下形成一稳定的三元体复合物。该复 合物然后暴露于固定在一表面的目标分子。如果 肽与目标以充分的亲和力相结合,复合物就保留 了,低亲和性的肽被洗脱掉,粘附着的核糖体三 元复合物可被EDTA解离,mRNA再反转录成 cDNA并可由PCR扩增强度.指数浓缩法系统发 展配体(SELEX)被广泛应用于筛选核酸配体,体 外筛选已被用来针对目标确定核酸配体,这些目 标覆盖广泛的体积大小,并包含简单离子,肽链, 蛋白,细胞器官,病毒,甚至整个细胞。
合成的化学配体在蛋白层析中的作用在过去 的几十年的应用中已经非常实在,离子交换,疏 水性的和金属螯合的吸附剂一起构成一种固定在 基质骨架上的确定的、超级稳定和没有毒性的人 工合成功能体,并与蛋白表面带电荷、非极性或金 属结合的群体发生亲和作用。例如,组合化学技 术正开始对发现和设计新的融合肽金属配体发生 较大影响。

2.3 从头设计配体
由于能将X射线晶体学,NMR或同源结构的 知识与限定的或组合化学合成以及先进的计算机 技术相结合,合理设计亲和配体变得更切实可行, 有效,符合逻辑且更快,这种方法依赖于利用目标 蛋白的结构信息有目的地集中引导配体的合成并 使合成的努力限定朝向已经过实验评价能结合到 被检测目标或预计能结合到目标的方向。 该方法包括以下的步骤:选择目标蛋白上合适的 位点,设计与该位点的三维结构相配伍的配体,合 成一个结构上相关联的固相的组合配体文库,并 针对目标蛋白扫描这个文库。
针对IgG的非肽仿生物配体已经建立,它是 依据蛋白A的B结构域和lgG的Fc片段组成的 复合物的X射线晶体学结构获得的。利用计 算机协助的分子模型,一系列围绕蛋白A双肽 Phel32-Tyrl33的仿生物分子被设计出。其中一个 这样的配体能与人类IgG结合,该配体在三嗪环 上带有3-氨基苯酚和4-氨基-l-萘酚部分,当这 个仿生物配体被固定到琼脂糖上被成功地用于纯 化人类血浆的IgG。为重组胰岛素前体M131以 及重组人类凝固因子Vllar351等而设计的仿生物 学配体的类似方法也已建立。

3 亲和层析的应用

3.1 亲和层析在蛋白质组学中的应用
蛋白质组学最常用的实验技术是用于分离蛋 白的双相电泳(2―DE)和用于鉴定被分离蛋白的 质谱(MS)技术。然而亲和层析也是起很大作用 的分离方法.蛋白被2-DE分离之前,亲和层析主 要被用作选择性地预先浓缩和预处理样品。其应 用包括去除一种或一类会干扰2―DE的分辨率的 蛋白,一个典型的例子是血清及脑脊髓液样品的 白蛋白和免疫球蛋白IgG的去除,是通过吸附在 亲和树脂上的方法进行的,这样可显著提高 2-DE胶上蛋白斑点的分辨率,另外,亲和层析可 浓缩低丰度的蛋白,这样它们就可在2-DE胶上 被看到;还可将所有蛋白分类成两组或几组以 便进一步分析。
很多情况下对那些还没有进行2-DE分离的 样品进行质谱测定,测定前可借助亲和层析进行 分离而减轻样品的复杂程度。对非2―DE基础上 的研究,亲和层析能被用在蛋白水解消化之前或 之后的蛋白以及肽链的分离。例如凝集素亲和层 析已被用来在蛋白水解消化之后分离提取一类特 异的糖蛋白,并浓缩糖肽。这种方法对研究转 录后修饰蛋白特别有用。亲和层析也被用来研究 转录后修饰的位点。亲和层析分析糖蛋白是利用 目标聚糖甚至在蛋白质水解以后都能被凝集素识 别而进行的,利用抗体和某些IMAC的亲和层析 可用来分离并浓缩糖肽。
对于细胞是怎样作为系统而运行的理解取决 于测定细胞蛋白―蛋白间相互作用的复杂网络。 蛋白复合物的亲和纯化后进行蛋白质谱鉴定已作 为产生蛋白-蛋白间相互作用图谱和复合物在细 胞中位置图谱的有力工具。所有鉴定蛋白复合物 的亲和纯化方法都是利用给蛋白加标签进行的,在 遗传水平上或是在从细胞中提取蛋白的水平上。 蛋白亲和层析方法可能比酵母双杂交方法更优越, 因为它产生较少的假阳性结果并且是更适用于高 通量(高数量被检测的样品)的 *** 作。亲和层析 能纯化细胞中形成复合物的蛋白,目标蛋白能与 那些相关联的蛋白一起从例如细胞溶解产物中被 纯化。重组DNA技术用例如GST、抗原决定基或 TAP这样的肽链片段标记物来给“诱饵”蛋白标上 标签。一种大规模的方法可用这些商品肽段标记 所有诱饵蛋白。利用TAP的方法经过lgG小珠和 钙调蛋白小珠两个相连续的亲和步骤来纯化含有 TAP标记蛋白的蛋白复合物。
尽管2-DE与MS/MS并联的方法已经能对 双向电泳胶中的蛋白进行相对定量,但利用稳定 同位素标记而使蛋白质组学的定量分析更能够实 现。一类小分子试剂,同位素编码的亲和标记 物已被用来进行蛋白质组学的定量分析。一种 方法是借助MALDI-TOF质谱仪和ICAT标记物 试剂对复杂的蛋白混合物进行分析。

3.2 分离纯化目的蛋白、定量测定
近年来,高速发展的生物制药工业已广泛应 用亲和层析技术作为其重要的分离纯化和定量测 定用于临床药物的工具。亲和层析最常用于靶标 蛋白尤其是疫苗的分离纯化上.特别在融合蛋白 的分离纯化上,亲和层析更是起到举足轻重的作 用,因为融合蛋白具有特异性结合能力。亲和层 析在基因工程亚单位疫苗的分离纯化中应用相当 广泛,其中,以对分别带有(His)6和GST亲和标 记的融合蛋白的抗原Ni-NAT和GST亲和层析 应用相当广泛。金属螯和层析与免疫亲和层 析也得到一定的应用。
近年来,将亲和层析原理用于定量分析主要 与免疫技术相结合,对抗原和抗体进行微量分析, 并发展出了放射免疫、酶标免疫及荧光抗体等技 术。另外,亲和层析技术被广泛应用于与生物大 分子与其特异性作用物的结合常数的测定以及复 合物的定量分析。亲和层析技术在临床上已有 了较多的应用,例如对糖基化蛋白的定量分析技 术。另外,固定有抗人类转铁蛋白的免疫亲和层 析柱被应用于对稀释的血清转铁蛋白异构体的纯 化和鉴定。

3.3 生物分子间相互作用的鉴定
亲和层析也被用来研究生物系统中生物分子 间发生的相互作用。该领域已被用来检验各种 生物系统,包括凝集素lectin/糖,酶/抑制剂,蛋 白/蛋白,以及DNA/蛋白间的相互作用,临床上 主要将该技术用于研究药物或激素与血清蛋白间 的结合。两种层析方法可用来研究生物间相互作 用。一种是zonal洗脱研究,另一种是前沿 frontal分析研究。

3.4 亲和层析与其他分析技术相结合
近年来的另一发展趋势是寻求更加优化的系 统设计和安排形式,从而获得快速、优良的选择性 以及很大数量被检测的样品。亲和层析与其他分 析技术串联结合即可很好地达到这一目的.目前 已经有很多成功运用亲和层析(AFC)-MS、AFC -HPLC、AFC-HPLC―MS、AFC-CE(毛细管电泳)等 串联结合的应用。这种结合因其不可替代的优 点,仍将继续发展。

4 结语

在发现和生产治疗疾病的蛋白方面的挑战已 经使人们有必要重新考虑设计和进行纯化的过 程,这种选择主要是由方法的引进速度,有效性, 稳定性和经济承受能力决定的。传统的纯化规程 正被高度选择性和成熟的以亲和层析为基础的策 略所代替。这种技术对于纯化提供一种理性的设 计并刺激和探索选择性纯化目标蛋白的分子识别 的自然生物过程。亲和层析可能是现行仅有的着 重于高通量和扩大规模蛋白质组学关键问题的分 离技术。主要的问题是设计新的技术来确定与假 设目标相结合的高选择性的亲和配体。利用理性 和组合的方法设计具高选择性和稳定性的配体对 于亲和层析未来的应用会有巨大的影响。 致谢:特别感谢梁宋平教授、张健教授和曾雄智博 士对本文所提出的宝贵意见! 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文


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