生物材料与基因技术

生物材料与基因技术（精选8篇）

1.生物材料与基因技术 篇一

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 课程论文

《材料芯片与基因组》

论文题目：

第一章 材料基因组计划

1.1 提出背景

金融危机之后，美国政府意识到仅靠服务业已无法支撑美国经济走出泥潭，必须重振制造业。美国制造业的振兴不是传统制造业的复兴，而是新兴制造业的培育，其中建立在材料科学基础上的新材料产业是重点之一。

美国科学院和工程院共同设置的国家研究理事会在2008年发表了题为《集成计算材料工程》的报告。报告明确指出了传统材料设计的方法和系统面临的问题：

① 现代的计算工具已经从根本上大大缩短了新产品设计的时间，材料设计却没有相似的可靠而普适的计算工具，使材料设计主要靠试验，从而导致材料设计远远落后于新产品设计；

② 太长的材料设计周期和低成功率使得新材料在新产品中的使用越来越少，从而导致非最佳的材料被用在产品中；

③ 用于产品的材料性能欠佳而成为制约产品性能设计的瓶颈，造成恶性循环。

应对美国提出的材料基因组研究计划，对我国如何规划、开展实施自己的科学计划提出建议并进行深入的研讨，在中国科学院和中国工程院的推动下，于2011年12月21—23日在北京召开了S14次香山科学会议。在此前召开的由两院部分院士参加的筹备会上，大家认为：“材料科学研究成分—结构—性能之间的关系，从新材料的发现、合成、性能优化、制备、应用、回收再利用，既有基础科学，又有工程科学，是一个系统工程。”因此，一致同意把那次会议定名为“材料科学系统工程”香山科学会议。

结合我国的国情，材料界的专家学者提出建设发展符合中国材料领域的“材料科学系统工程”，具体包含如下建议：

1）共用平台协同建设。建立几个集理论计算平台、数据库平台和测试平台“三位一体”的“材料科学系统工程中心”，结合国家大科学工程设施，集中国内材料计算与模拟领域优势力量，通力合作，跟上并引领国际材料领域新一轮发展的浪潮。

2）重点材料示范突破。选择几项国家急需的、战略需要的、国内有良好基础的结构材料和功能材料作为示范突破，通过与平台建设相结合，进行演示示范，为更大范围的推广积累经验。

3）产业链条协同创新。成立一个包括政府机构、科学家和产业代表在内的指导协调委员会，全面协调从材料基础研究、软件开发、数据库建立、测试平台直至产业化的各项工作，以充分发挥我国社会主义制度在统筹科学研究和产业化革命的优越性；建议有条件的教育机构开设相关课程。

1.2 基因组计划

1.2.1基本内容

从宏观上讲，所谓材料基因组可以理解为反映材料某种特性的“基本单元”及其“组装”。基本单元是指能直接反映材料性能差异的最小物质单元，不同材料基本单元是非唯一的，可以是组成物质的任何自然存在的原子、分子、电子、离子、单一相等物质粒子，也可以是这些物质组合而形成的团簇、单元或组合相。而组装是指将这些相同或不同的基本单元以某种工艺或技术结合，形成大尺寸材料。

美国“材料基因组计划”试图创造一个材料创新框架，以期抓住材料发展中的机遇，重点包括以下3方面的内容：计算工具平台、实验工具平台和数字化数据(数据库及信息学)平台。如图1所示：

图1材料创新框架

材料基因组技术包括高通量材料计算模拟、高通量材料实验和材料数据库三大组成要素；其中材料计算模拟是实现“材料按需设计”的基础，可以帮助缩小高通量材料实验范围，提供实验理论依据；高通量材料实验起着承上启下的角色，既可以为材料模拟计算提供海量的基础数据和实验验证，也可以充实材料数据库，并为材料信息学提供分析素材，同时还可以针对具体应用需求，直接快速筛选目标材料；材料数据库可以为材料计算模拟提供计算基础数据，为高通量材料实验提供实验设计的依据，同时计算和实验所得的材料数据亦可以丰富材料数据库的建设。

1.2.2 高通量材料计算模拟

材料基因组技术中所指的高通量计算，是指利用超级计算平台与多尺度集成化、高通量并发式材料计算方法和软件相结合，实现大体系材料模拟、快速计算、材料性质的精确预测和新材料的设计，提高新材料筛选效率和设计水平，为新材料的研发提供理论依据。其中并发式材料计算方法包括第一原理计算方法、计算热力学方法、动力学过程算法等，跨越原子模型、简约模型和工程模型等多个层次，并整合了从原子尺度至宏观尺度等多尺度的关联算法。

1.2.3 高通量实验

“材料高通量实验”是在短时间内完成大量样品的制备与表征。其核心思想是将传统材料研究中采用的顺序迭代方法改为并行处理，以量变引起材料研究效率的质变。

作为“材料基因组技术”三大要素之一，它需要与“材料计算模拟”和“材料信息学/数据库”有机融合、协同发展、互相补充，方可更充分发挥其加速材料研发与应用的效能，最终使材料科学走向“按需设计”的终极目标。当前，即使在材料计算模拟技术领先的欧美国家，由于受到目前计算能力、理论模型和基础数据的限制，绝大多数材料计算结果的准确性还远不能达到实验结果水平，难以满足实用要求。因此，在由传统经验方法向新型预测方法的过渡中，高通量实验扮演着承上启下的关键角色。首先，高通量实验可为材料模拟计算提供海量的基础数据，使材料数据库得到充实；同时，高通量实验可为材料模拟计算的结果提供实验验证，使计算模型得到优化、修正；更为重要的是，高通量实验可快速地提供有价值的研究成果，直接加速材料的筛选和优化。随着中国材料科技的快速发展和材料基因组方法在研发中不断被广泛采用，高通量实验的重要性将日益彰显。

1.2.3.1 高通量实验制备技术

高通量实验中组合材料样品的制备一般分为“组合”与“成相”2个步骤：1）将多个元素系统性地进行混合，以获得所需的材料成分“组合”；

2）通过扩散或者热力学过程形成晶相或非晶相材料，即“成相”。组合材料样品的制备方法种类繁多，可根据不同应用领域的要求灵活选用。包括:基于薄膜沉积工艺的高通量组合制备技术（基于薄膜形态的组合材料芯片是目前发展最为成熟的高通量材料制备技术。

1.2.3.2 材料高通量表征工具：

高通量微区成分、结构表征：同步辐射光源在从红外至硬X射线全光谱范围内均能实现高亮度微聚焦，同时还具有高准直性、全光谱、高偏振、高纯净等优秀特性，从而能够很好地满足高通量组合材料样品所需的亮度和空间分辨率要求，因此是理想的高通量组合材料表征测试手段。

高通量微区光学性质表征：现有的连续光谱椭偏仪商业产品可提供10μm的空间分辨率和比较广的光谱范围，可用于高通量微区光学性质的表征。除连续光谱椭偏仪外，激光椭偏仪、阴极荧光计、光致荧光测试仪均可实现高通量微区光学性质表征。

高通量微区电磁学性能表征：衰逝微波探针显微镜的微区分辨率是普通的电磁仪表难以实现的，配以自动化的样品台控制和数据采集，可以实现组合材料芯片的高通量、全自动电磁学特性测量。

高通量微区热力学性能表征：利用飞秒脉冲激光技术进行时间域热反射成相，可以达到1μm的空间分辨率和10000点/h的测试速率，广泛适用于薄膜及体材热力学参数的微区表征，包括导热系数、热膨胀系数、熔点、热力学参数（Cp、H，等）、热电参数等。

高通量微区电化学性能表征：美国PrincetonAppliedResearch，AMETEK,Inc.开发的VersaSCAN微区电化学扫描系统是以电化学过程和材料电化学特性为基础的高通量微区电化学测试平台，可提供6种微区电化学测试技术，包括扫描电化学显微镜、扫描开尔文探针、扫描振动电极测试、微区电化学阻抗测试、扫描电解液微滴测试、非接触式微区形貌测试。

1.2.4材料数据库

近年来，大数据这一概念在科学与工程领域兴起并快速扩展，引起大量不同领域研究者的广泛兴趣。现代科学与工程的各个的领域都会涉及大数据概念。湍流模拟过程中追踪流场演变错产生的数据、分子动力学模拟金属塑性变形过程中存储原子空间位置所产生的数据、望远镜资料库中记录星体光谱信息的数据。

基于材料基因组技术的材料发展计划将大数据概念与传统的材料发展紧密联系在一起。从材料、工艺，直到最终的结构件，需要涉及大量的、不同类型的数据。图２为不同阶段、不同尺度范畴结构材料涉及的图像以及背后存在的潜在海量数据大数据概念已经深人到材料科学与工程的各个方面，如材料成分筛选、工艺优化、微结构机理分析、以及物理与力学性能评估等。就一种特定的材料而言，完整的数据信息由结构性数据与非结构性数据构成。结构性数据包括化学成分、加工与热处理艺、微观组织特征、物理性能、以及力学性能（如强度、伸长率、疲劳寿命、裂纹扩展速率、蠕变速率、温度与应变率敏感性等）非结构性数据包括测试用的仪器设备、测试与检测标准、测试环境温度与气氛条件等影响实验数据适用范围、可靠性与置信度等限制性条件，以及为便于数据传播与理解的解释性信息。

图2 跨越不同尺度的结构材料图像

材料数据分为计算数据和实验数据。长期以来，材料数据研究处于单打独斗和小规模的“数据制造-简单处理”模式，往往采用图表和统计方法等传统低通量人工数据处理方法，针对单次或数次计算、实验得出的少量数据进行分析，并对其规律进行猜想和提出经验公式，无法严谨预测和深度挖掘材料本质科学规律，造成材料研究经验结论多于理论的现状，无法完成从“试错”材料研究向材料理性设计的转变，同时也使得相同工作盲目重复进行，极大地浪费了有限的科研资源。

为解决上述问题，目美国麻省理工学院建立的Materials Project数据库，主要集中在无机固体上，尤其以锂离子电池材料为主。Materials Project利用密度泛函理论(density functional theory)收集的巨型数据库来预测模拟物质模型的实际属性。目前该数据库里保存了大约10万种可能存在的材料。为了充分发挥这些据在新材料研发中的作用，研究人员用人工筛选结合机器学习的方式来探索这些数据间蕴含的材料本质性能规律。Materials Project采用分布式计算的原理，使用者可以通过在电脑上下载一个程序来进行运算并返还结果。

美国哈佛大学清洁能源计划建立起来的Molecular Space数据库也是基于密度泛函理论，采用人工加机器学习的方式来挖掘数据库的潜力。目前，Molecular Space数据库在网上发布了230万种元素组合供研究人员使用。

日本国立材料科学研究所建立的材料数据库是在其原有的11个材料数据库基础上整合建立的，涵盖了聚合物、无机非金属材料、金属材料、超导材料、复合材料以及扩散等内容，是目前世界上最大的、最全的材料数据库系统。目前，其含有数据库及应用系统已达到20个，包括8个材料基本性能数据库，3个工程应用数据库，5个在线结构材料数据库以及4个数据库应用系统。目前注册用户超过80000名，分别来自149个国家的21228个组织机构。

1.3 基因组总体目标

2011年6月,美国总统巴拉克·奥巴马在卡耐基·梅隆大学的演讲中宣布了“先进制造业伙伴关系”计划,材料基因组计划是其中的一个重要组成部分.他明确指出了材料基因组计划的总体目标:“将先进材料的发现、开发、制造和使用的速度提高一倍” 《材料基因组计划》拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作，加强“官产学研用”相结合，注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享（利益通过学习标识以解决知识产权问题），目标是把新材料研发周期减半，成本降低到现有的几分之一，以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步，加强美国的国际竞争力。

1.4 培育下一代材料工作者“材料基因组计划”

提出、建立所需网络共享结果和信息，打破材料固有分散多学科性质形成的障碍；建立基础设施并签署协议，促进学术界、政府和工业界的合作，让研究人员、教师和学生都有机会充分利用各种基础设施。根据该计划，2012财年，美国政府将投入1亿美元，拟用数年时间在各个部门之间开展一系列的联合研究行动：①美国能源部（DOE）科学办公室将与国家科学基金会（NSF）携手开发、维护和实施可靠、可互操作和可重复使用的下一代物质设计软件。DOE将通过“材料和化学计算设计”项目，NSF将通过“21世纪科学与工程网络基础设施框架”项目，来协调发展高品质生产软件工具包。②为支持先进软件项目开发，DOE和NSF还将协调发展下一代的表征工具，为算法和软件工具的发展和验证提供基础数据。③美国国家标准与技术研究院主导的“先进材料设计”项目将针对标准基础设施，使材料的发现和优化计算建模和仿真更可靠，该项目将与DOE、NSF的项目密切配合。④美国国防部（DOD）将重点投资计算材料的基础研究和应用研究，提高材料性能，满足广泛的国家安全需求，在材料防御系统保持技术优势，陆军研究实验室、海军研究办公室和空军研究实验室将共同进行该项目的研究。⑤DOE能源效率和可再生能源部门的新一代材料方案将充分利用计算工具，加速制造和新能源材料的表征技术，新投资领域包括：用于制造过程的新材料，提高材料性能和降低制造成本的新复合材料系统，用于预测空间和时间变化的建模和仿真工具等。⑥NSF和DOD将发挥引领示范作用，培育和发展下一代材料工作者，推动建立政府、学术界和产业界的新伙伴关系。1.5 材料基因组计划应用成功实例

美国国家研究理事会(NRC)最近发表的报告《轻质化技术在军用飞机、舰船和车辆中的应用》中引用了两个成功的ICME合金设计实例[180]。一个是由Olson领导设计由QuesTek创新公司开发的FerriumS53飞机着陆架用齿轮钢[181-182]；另一个是GE开发的燃气涡轮机用GTD262高温合金[180,183]。作者作为共同发明人(江亮博士是主导发明者)参与了GTD262合金的设计和开发。它的设计和开发从概念到生产只用了4年时间，研发所用经费是以前同类合金的开发成本的1/5左右。通过把计算热力学相稳定性的预测与GE内部的材料性能模型和数据库的整合，我们设计GTD262的成分一次到位，没有像以前开发合金那样要经过几次来来回回的重复实验才能达到成分的优化。因为设计时考虑到了很多因素，如可铸性、可焊性和抗氧化等，中试和生产过程中也没有出现任何问题。GTD262合金的设计是一个很好的ICME的例子。但希望它的成功不要给人一种错觉，以为现在就可以在把一个全新的合金的研发时间缩短到4年之内。GTD262是修改一个现有的合金(GTD222)而获得的。在GTD222的成分附近，GE有过去的经验数据库以帮助我们设计。如果是一个成分远离现有合金的全新的合金，我们现在还没有所需的以物理/机制为基础的模型和性能数据库来进行合金设计。材料基因组工程就是要建立这样的模型和性能数据库来实现快速设计新材料。

第二章 组合芯片技术

2.1 背景

组合材料芯片技术是近年来发展起来的一种新型的材料研究方法.区别于传统材料研究中一次只合成和表征一个样品的策略,组合材料芯片技术的基本思想在于大量不同的样品通过并行的方式在短时间内被制备而形成样品库(也称作材料芯片),同时结合快速或高通量的检测技术以获得样品的各项特性,从而达到快速发现和优化筛选新型材料体系的目的.该技术自1995年首次报道以来,已引起了材料学界的极大重视,并先后在光学材料、电子材料、磁性材料等多个技术领域中被成功地加以运用。

2.2 组合芯片技术与基因组计划的关系与意义

组合材料芯片是高通量材料实验技术的重要组成部分，可实现在一块较小的基底上，通过精妙设计，以任意元素为基本单元，组合集成多达10~108种不同成分、结构、物相等材料样品库，并利用高通量表征方法快速获得材料的成分、结构、性能等信息，以实验通量的大幅度提高带来研究效率的根本转变，实现材料搜索的“多、快、好、省”。组合材料芯片技术经历了20 年的发展与完善，已形成一系列较为成熟的材料制备技术与表征方法。

高通量材料制备和快速表征是“材料基因组计划”的三大要素平台之一，而“组合材料芯片”技术在高通量材料制备和快速表征平台中占有独特地位，因此它在“材料基因组计划”中的重要意义与作用是不言而喻的。

2.3 组合材料芯片技术发现、优化新材料的过程步骤

2.3.1 材料芯片的设计和制备

根据所要解决的问题,在掌握现有材料结构、理化性质的基础上,设计涵盖范围尽可能宽的材料芯片———由不同成分、不同掺杂的微小试样组成的试样阵列或梯度试样,然后按照所设计的材料芯片,在同一块基片上以相同或相近的条件同时合成大量的材料试样,形成由众多微小材料试样密集组合而成的材料芯片。目前较为成功的制备技术主要有组合溶液喷射法和结合掩模技术的物理沉积法。组合溶液喷射法是最先发展起来的制备技术。但用这种技术制备的材料芯片试样密度较低,在(1in2)的基片上仅包含100个分立试样;结合掩模技术的物理沉积法已广泛应用于薄膜材料芯片的制备。与传统成膜方法不同的是,该方法是在薄膜沉积的同时结合一定的掩模技术(如二元掩模、四元掩模等),并通过掩模的遮蔽和运动,在基片形成特定的成分分布,从而组合成空间可定位的薄膜材料芯片,其试样密度比组合溶液喷射法要高得多,它能够在(1in2)的基片上制备上千个,甚至几十万个成分连续梯度变化的薄膜试样。

2.3.2材料芯片的处理

制备好的材料芯片上的试样还需要通过后续工艺最终形成设计的材料结构。物理沉积制备的材料芯片是通过在中低温下进行长时间的退火处理,促使组元间的充分扩散、亚稳相的形成和防止组元的蒸发,然后再在高温下经固相反应合成所设计的材料。材料芯片在较低温度下长时间退火后的组织同传统的受控固相反应类似。薄膜有限的厚度和大量的界面使之处于高自由能的状态,为组元间扩散和混合提供了驱动力,也为亚稳相的形成提供了可能。

2.3.3 材料芯片的表征

检测材料芯片的目的是从中快速发现具有较好性能的材料配方,即“线索材料”。由于检测技术必须能在其精度范围内正确反映所测材料的性质,对高密度材料芯片的性能测量提出了挑战。考虑到材料试样库上的试样数量多(可达1000或10000个),而每个试样的量很少(微克至毫克量级),单个试样的尺寸非常小(亚毫米至毫米量级),目前传统的材料表征方法大多不能满足组合材料芯片技术研究对高通量表征的需求。因此发展满足不同芯片性能测量要求的相关检测技术极为重要。现在已发展的检测技术有发光性能的检测、介电/铁电性能的检测、电光/磁光性能的检测和材料结构/成分的检测等。

2.3.4 线索材料的优化

通过前面三个基本步骤,尤其是第三步的芯片表征,可以从材料芯片的试样库中发现“线索材料”。围绕着“线索材料”,重新在较小范围设计更精细的材料芯片,重复前面步骤,对线索材料的组分、结构及热处理工艺等条件进行微调和优化。

2.3.5 目标材料的放大

组合材料芯片中的试样都是以薄膜态的形式出现的,经过上述步骤优化出的目标材料(或称先导材料)可以直接作为研究成果以薄膜的形式加以应用转化。另外,组合材料芯片所形成的数据库和目标材料也为粉体和块体材料的开发提供了先导数据。由于三维的块体材料与二维的薄膜材料之间存在一定的差异,需要目标材料的放大制备和放大检测。作为组合材料芯片技术的最后一个步骤,目标材料的放大主要是采用传统方法合成相应的材料(粉体或块体),并对材料的组分、结构及性能与目标材料(薄膜)进行对照,获得与目标材料性能指标一致的材料。

2.4 组合材料芯片技术优势

由组合材料芯片技术获得的研究结果与用传统方法在块体(粉体)试样上获得的结果具有一致性,可以用于先导材料的快速选择和评判。此外,组合材料芯片技术还具有以下明显优势:（1）高效性

采用组合技术来实现新材料的开发和优化,可以减少试验次数、缩小试验规模、降低试验成本、缩短筛选周期,加快发现新材料的速度。同时,利用组合材料芯片技术制备的试样库包含相关化学成分、制备过程参数、试样性能、结构特征等信息,在客观上还大大增加了材料研究过程中意外发现新材料的几率。

（2）数据库的建立

合材料芯片技术可以快速、系统地建立材料性能与各层次结构、组分间的制约关系和关联数据库,为后续的材料设计提供可靠的科学依据。

（3）特别适用于多元材料体系相图的研究

二元、三元相图的研究已证实了组合材料芯片技术的可行性。鉴于四元以上复杂系统相图研究的艰巨性,若以传统方法逐点制备试样,则组合太多,成本太高,耗时太长,而且由于取点密度的限制,一些窄的相区还有可能被漏掉,而这些区域的材料往往有异常的性能。连续组合方法是研究复杂系统相图的有效手段,并能直观形象地将相区、相界显示出来。

(4)理论研究

材料芯片中大量的组合和界面还为扩散动力学、成核生长等理论的研究提供了丰富数据,从中有望发现新的规律,进而丰富材料科学理论。

2.5 组合材料芯片技术应用

组合材料芯片技术与材料芯片的高通量表征水平的发展密切相关,具备什么样的芯片检测技术才能开展相应的材料研究。受材料芯片检测技术的限制,组合材料芯片技术早期主要集中在发光材料、介电/铁电材料、催化剂等的优化和筛选。近年来随着材料结构/成分、纳米压痕测试技术等的建立,组合材料芯片技术开始在金属材料研究中获得应用。在铁-镍二元合金体系的研究中,组合芯片技术体现出很大的优势。Young等选择铁-镍合金为研究对象,采用X射线衍射仪测定晶体结构,采用扫描霍耳探针和扫描磁光克尔效应测量仪测定磁性能,将组合材料芯片技术应用在铁-镍合金组织和性能的研究中,成功得到了铁-镍合金的连续相图。其结果与用传统方法在块体试样上获得的结果基本一致,但用组合技术获得的研究成果系统性好,效率高,研究周期大大缩短。随后Young等又对铁-镍-钴三元合金系进行了研究,进一步证实了这一结果,同时他们还意外发现了两个狭窄的非晶相区,这是以前用传统方法没有发现的,或是因传统方法相对“粗放”而被忽视的相区。

Banerjee等采用组合材料芯片技术研究了生物医用合金钛-铌-锆-钽体系不同成分的组织,同时通过压痕技术测定了芯片中各组分的硬度和弹性模量,建立了成分-组织-力学性能的数据库。同时指出:对Ti-32Nb-10Zr-5Ta合金,当组织中含有20%α相是有益的,此时可以在保持较小弹性模量的同时提高强度;而当组织中不存在α相时,即使合金成分不变,在保持类似弹性模量下强度也将降低。

Seung等利用纳米压痕技术测量了钛-铝成分梯度试样芯片的力学性能,建立了成分-硬度的关系,发现其结果与块体材料一致,证明采用组合材料芯片技术预测块体材料性能的方法是可行的。

Specht等利用同步辐射加速器测定铬-铁-镍试样芯片的成分、结晶相、晶粒尺寸,描绘了铬-铁-镍纳米薄膜在200～800℃退火的三元相图,显示了铬-铁-镍纳米薄膜的相和晶粒尺寸随成分、退火温度的变化情况。Ludwig等则利用组合材料芯片技术研究了铁-铂体系的成分和退火温度对其磁性能的影响,为退火温度的选择提供了依据。

Jun等采用组合材料芯片技术研究了具有形状记忆效应的镍-钛-铜合金体系,得到了滞后温度值与合金成分的关系,研究结果与镍-钛-铜块体合金一致。他们还首次给出了滞后温度值与转变延伸张量的中间特征值之间的关系,并且确定出可以改进控制形状记忆性能的新的合金成分范围。

最近,中科院上海硅酸盐研究所等开展了“组合材料芯片技术在快速筛选及优化镀锌钢板新体系中的应用”的研究。运用组合材料学思想,使用离子束溅射方法,制备了铝-锌全组分的材料芯片,采用纳米压痕方法对材料芯片的力学性能进行了表征。结果显示,随着铝含量的提高,芯片的硬度和弹性模量均增加。这与传统块体材料结论相似,显示材料芯片结果可以用于预测铝-锌材料的力学性能。同时,采用电化学方法对材料芯片的耐蚀性能进行了表征。在综合阳极极化曲线、线性电阻和平衡电位结果后认为,铝质量分数为50%～73%时耐腐蚀性能最好。而目前在工业上得到广泛应用的热镀锌55%Al-Zn合金恰好处于此成分范围。这一研究结果表明组合技术在优选新型钢铁材料时也大有用武之地。

2.6 材料组合芯片技术发展与展望

从组合材料芯片技术的发展趋势分析,自从1995年美国科学家率先提出创新的组合材料方法学思想以来,组合材料芯片技术已成为当今,乃至今后几十年材料研究的主流方向之一。当前,组合材料研究方法已经在发达国家实际应用于材料科学多个分支,由此将给材料科学和相关产业带来新机遇。该技术最诱人的特点在于大幅度缩短材料研究周期、节省资源消耗、降低研究成本等方面的优势。近年来,中国对新材料界(尤其是以钢铁等为代表的传统产业)实现跨跃式发展和突破的要求很强烈。从某种意义上讲,作为发展中国家,往往更加迫切地需要实现跨跃式发展,或者说更加迫切地依赖于超常规的技术和途径,如果能把握和充分利用新兴组合材料学和组合技术所带来的机遇,就有可能实现发展的大跨越。我国在组合材料研究领域虽已有所部署,但还没有形成以产业为背景的研究和开发势头,在这样的情况下,选择我国有基础优势的钢铁或合金材料为切入点,发展组合材料芯片技术与应用研究,必将加速新钢种和合金的研发进程,进而带动相关技术和产业的发展。

第三章 总结

材料基因组技术是近年来全球新材料研发方法的革命，在美国被列为国家发展战略，在我国被列入新材料重大科技专项的重要主题之一。材料基因组技术是材料研发新理念与高性能计算、材料基因芯片、大数据、互联网+等现代信息技术深度融合的产物，是典型的多学科交叉，是新兴学科生长点。

材料基因组技术旨在数十倍乃至数百倍地加速新材料从研发到应用的进程，提高效率，降低成本，支撑包括电子信息、能源环保、航空航天等先进制造业的发展，是国民经济和国家安全的重要保障。

材料基因组技术基于计算材料科学、高通量实验表征与测试、数据库与数据挖掘技术等，是对传统新材料研发模式提出的全新的变革，是材料科学研究与新材料研发在新时期的重要突破与创新，是解决国计民生与国防工业中关键技术材料瓶颈的重要途径。自材料基因组计划提出以来，得到材料科学家的积极响应并取得一系列重要进展。但是，在当前条件下完全建成材料基因组技术所需要的软件与硬件基础，完全抛弃实验支撑而直接计算出新材料 的成分与工艺，实现新材料的完全按需设计，仍然是不现实的。通过建设与发展高通量计算模拟、高通量实验样品制备与表征、服役环境下材料力学行为的计算模拟、以及数据库等技术，并基于已有的海量实验数据结果，充分利用传统材料科学领域中对材料成分、工艺、微结构与力学性能相互关联规律的认识，积极发挥材料基因组技术在新材料研发过程中的作用、切实推进材料基因组技术发建设与发展，对充分认识并全面推进材料基因组技术在新材料研发中的变革与突破，具有极其重要的意义与价值。

中国的新材料产业与先进国家相比，整体水平仍存在较大差距。

在此背景之下，中国材料界对材料基因组技术已形成基本共识，即必须顺应国际新材料研发的趋势，尽快启动中国版的“材料基因组计划”，变革以“炒菜法（试错法）”为基础的材料研发传统模式，实现新材料领域的超常规速度发展。

材料基因组计划是以市场与应用为导向的材料研发新理念，是新材料研发的“加速器”。中国版材料基因组计划必须根据国情，面向国家战略需求，围绕加速新材料应用。与欧美国家相比，中国的差距是宽谱的、全方位的。因此，需要首先做好5项工作：

1）建设基于材料基因组技术的先进材料创新基础研发平台； 2）尽快研发自主的软硬件技术与工具；

3）大力传播材料基因组技术提出的高效率研究方法、文化和理念； 4）通过国家级科研项目进行有导向性的推广； 5）加快培养材料基因组技术领域专业人才。

材料基因组技术是材料科学技术的一次飞跃，在中国实施材料基因组计划，就是要构建将先进实验工具、模型计算手段与数据无缝衔接的新型材料创新技术框架体系，用高通量并行迭代替代传统试错法中的多次顺序迭代，逐步由“经验指导实验”向“理论预测、实验验证”的新模式转变。在前期充分发挥中国在高通量实验技术上的相对优势，逐渐向“计算引领”过渡，以加速中国关键新材料的“发现—开发—生产—应用”进程，推动中国新材料产业跨越式发展。只有这样，才能实现习近平主席提出的“推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变”的目标。

参考文献：

[1].中国材料基因组计划如何跨出第一步?[J].中国材料进展,2014,Z1:528-529.[2]刘俊聪,王丹勇,李树虎,陈以蔚,魏化震.材料基因组计划及其实施进展研究[J].情报杂志,2015,01:61-66.[3]王海舟,汪洪,丁洪,项晓东,向勇,张晓琨.材料的高通量制备与表征技术[J].科技导报,2015,10:31-49.[4]项晓东,汪洪,向勇,闫宗楷.组合材料芯片技术在新材料研发中的应用[J].科技导报,2015,10:64-78.[5]赵继成.材料基因组计划简介[J].自然杂志,2014,02:89-104.[6]赵继成.材料基因组计划中的高通量实验方法[J].科学通报,2013,35:3647-3655.[7]关永军,陈柳,王金三.材料基因组技术内涵与发展趋势[J].航空材料学报,2016,03:71-78.[8]向勇,闫宗楷,朱焱麟,张晓琨.材料基因组技术前沿进展[J].电子科技大学学报,2016,04:634-649.[9]王海舟.材料基因组计划中的新材料表征技术实验平台[A]..分析科学 创造未来——纪念北京分析测试学术报告会暨展览会（BCEIA）创建30周年[C].:,2015:2.[10]万勇,黄健,冯瑞华,姜山,王桂芳.浅析美国“材料基因组计划”[J].新材料产业,2012,07:62-64.[11]刘茜,陈伟,刘庆峰,归林华,朱丽慧,王利.组合材料芯片技术应用最新进展——新型合金材料的快速发现和优选[J].科技导报,2007,23:64-68.[12]罗岚,徐政,许业文,刘庆峰,刘茜.物理气相法制备材料芯片的发展[J].材料导报,2004,02:69-71+64.[13]秦冬阳.组合材料芯片技术在钛合金研究中的应用[D].东北大学,2010.[14]朱丽慧,朱硕金,刘茜,刘庆峰,王利.组合材料芯片技术及其在金属材料研究中的应用[J].机械工程材料,2008,01:1-4.

2.生物材料与基因技术 篇二

新材料的发展长期以来采用的是通过以经验、半经验为基础的传统“炒菜”式实验来摸索, 并给予确认的研究模式。这种模式的效率很低, 已经难以适应当前世界各国经济快速发展的需求, 而且需耗费大量的资源、能源和人力, 非常不经济。材料科学家一直在寻求研究和发展新材料的更快速、更经济、更有效的新途径。凝聚态物理的多体相互作用模型及理论的重大进展、计算物理学科和方法体系的建立、计算机科学和技术的飞速进步等, 使得对材料的结构进行计算预测及其性能模拟计算日益成为必要和可能。

美国、欧盟、日本、新加坡、中国等世界主要国家/地区都非常注重材料计算与模拟的发展, 组织实施了一系列相关的研究计划和项目。始于2001年的美国能源部“高级计算科学发现项目”是开发新一代科学模拟计算机的综合计划[1]。早在2003年, 美国国家研究委员会针对美国国防部对材料与制造研究的需求进行了研究, 并推荐将计算材料设计研究作为投资的主要方向。欧洲科学基金会的“材料的从头算模拟先进概念”计划 (AB-initio Simulations of Materials, Psi-k2) 致力于开发凝聚态材料在原子层级的“从头算”计算方法[2], “生物系统与材料科学的分子模拟”则关注开发计算工具, 用于了解生物系统以及人工纳米材料的介观结构。2002年, 日本文部科学省启动纳米生物技术、能源和环境领域“生产技术先进仿真软件”的开发;2009年, 开始“间隙控制材料设计和利用技术”;同年, 文部科学省和经济产业省联合推行“分子技术战略”[3]。新加坡高性能计算研究院开发的APEX (Advanced Process Expert) 数据挖掘技术已被用于解决工业问题, 研究内容包括计算化学、多尺度建模、固态电子学和纳米结构等。

2011年6月24日, 美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”计划, 其中一项举措就是实施“材料基因组计划” (Materials Genome Initiative, MGI) ;几乎是同时, 欧洲也启动了“加速冶金” (Accelerated Metallurgy, Acc Met) 计划。这两项大型的研究计划都意在加速材料研发和应用的速度, 并通过降低研发成本和周期降低失败风险。美国试图打造全新“环形”开发流程, 推动材料科学家重视制造环节, 并通过搜集众多实验团队以及企业有关新材料的数据、代码、计算工具等, 构建专门的数据库实现共享, 致力于攻克新材料从实验室到工厂这个放大过程中的问;欧洲则认为, 在过去一万年, 对人类的技术进步, 相比其他材料, 金属和合金贡献最大, 加之欧盟历来重视防范原材料的风险, 因而此次专注于高性能合金的开发。表1所示是美国、欧洲正在开展的材料基因组相关研究的概况对比。

以下对美国、欧洲的这两项计划以及我国开展的相关工作做一概要介绍。

2 美欧材料基因工程计划主要研究内容

2.1 美国:材料基因组计划

2011年6月, 美国总统奥巴马宣布启动“材料基因组计划”, 旨在加快新材料从发现、创新、制造到商业化的步伐, 使材料研究、开发方式从完全“经验型”向理论“预测型”进行转变, 试图把新材料的开发周期缩短一半。该计划将发展一个集成计算模拟、实验和数据库为一体的材料创新平台, 建立材料的成分/工艺-组织结构-性能之间的定量关系。这种定量关系是贯穿材料从发明发现、设计表征、制备生产、服役回收整个周期的主线, 是材料研发的核心[4]。材料基因组计划试图创造一个材料创新框架, 以期抓住材料发展的机遇, 重点包括以下三方面内容: (1) 打造材料创新基础; (2) 通过先进材料实现国家目标; (3) 培育下一代材料工作者。通过材料创新基础设施的融合发展, 将对人类福祉、清洁能源、下一代劳动力、国家安全等领域产生深远影响, 如图1所示。

2.2 欧洲:冶金欧洲

2011年, 欧盟FP 7提出了“加速冶金”科学计划, 致力于高性能合金的研发。Acc Met采用高通量组合材料实验技术, 加快发现和优化更高性能的合金配方, 将通常需要5~6年的研发时间缩短到一年以内[5]。

Acc Met计划项目的核心理念是为未进行开发的合金配方的合成试验和表征测试提供一个集成的中试设施。其创新之处在于使用了新开发的可自动控制的直接激光沉积技术, 这样合金元素粉末的混合物被直接、精确地送入激光的聚焦点, 通过激光束加热沉积在熔池的衬底上, 并最终固化形成具有精确化学计量的完全致密合金[6]。

在Acc Met的基础上, 欧盟2012年提出了“冶金欧洲” (Metallurgy Europe) 研究计划。Acc Met主要集中在合金的设计和模拟方面, 升级的“冶金欧洲”研究计划更注重在工业领域的应用。“冶金欧洲”确定了17个未来的材料需求和50个跨行业的冶金研究主题, 课题研究期间为2012—2022年, 其价值及影响涉及清洁能源、绿色交通、卫生保健和下一代制造等, 如图2所示。

已被确定的50个研究主题在未来几十年对欧洲工业具有很高的战略和技术价值。这些主题主要包括以下三类: (1) 材料发现; (2) 创新设计、金属加工和优化; (3) 冶金基础理论。研究内容包括:理论研发活动、实验、建模、材料表征、性能测试、原型设计和工业规模化等。

3 美欧材料基因工程计划组织及参与机构

两年以来, 美国材料基因组计划从起步阶段仅有4家联邦机构 (能源部DOE、国防部Do D、国家科学基金会NSF以及商务部下属的国家标准与技术研究院NIST) 及6 300万美元投资, 到现在拥有数以亿元计的资金, 以及全美的大学、企业、专业团体、科研人员广泛加入, 共同致力于材料科学与创新领域的发展。

Acc Met属于欧盟FP 7的大型整体合作项目, 共有31个欧洲机构参与该计划, 由欧洲航天局 (ESA) 统一管理。项目跨度5年, 开始时间为2011年6月, 总预算为2 195万欧元。

2012年5月, 欧洲科学基金会发布“Metallurgy Europe–A Renaissance Programme for 2012—2022”报告, 创立了“冶金欧洲”研究计划, 时间跨度为10年 (2012—2022年) 。经费资助主要来自公私两方面, 如欧盟“地平线2020”、欧盟成员国资助机构、欧盟工业界、EIRO论坛和学术界等, 总经费约1亿欧元。全欧洲约有400~500名研究人员将获得该项目的资助, 同时还将与澳大利亚、巴西、加拿大、以色列、俄罗斯和南非等国家开展战略合作。

4 我国相关工作概况

从以上的简要分析可以看出, 材料基因工程的研究受到了包括美国、欧洲、日本等在内的世界主要发达国家/地区的重视, 各国纷纷投入巨资加速新材料的设计。我国在材料基因组方面也正在开展一系列的研究工作。

中国科学院、中国工程院正在组织相关的咨询调研工作。国内不少钢铁企业已经率先认识到计算机模拟的重要性, 引进了热力学、动力学等计算软件及数据库, 用于高附加值优质钢铁材料的研发。国内高等院校和科研院所在第一性原理计算、分子动力学计算、材料设计、材料表征、性能测量、计算热力学与动力学、有限元分析模拟、多尺度集成计算及材料数据库建设等相关领域开展了基础性的工作。

中国科学院和中国工程院于2011年底召开以“材料科学系统工程”为主题的香山科学会议, 以师昌绪和徐匡迪为代表的多位院士提出中国应尽快自主建立以高通量材料计算模拟、高通量组合材料实验、材料共享数据库为基础的“材料基因组计划”平台。2012年12月, 由工程院领衔的“材料科学系统工程发展战略研究———中国版材料基因组计划”重大项目启动。2013年11月11~12日, 中国科学院“材料基因组计划”咨询项目研讨会在北京召开, 与会人员就材料基因组中的高通量计算与材料预测、高通量材料组合设计实验、数据库建立与科学管理和先进物性实验及表征等内容做了专题报告。

经不完全统计, 我国开展材料基因组方面工作的高校、机构和企业有:清华大学、中国科大、南京大学、山东大学、西安交大、电子科大、上海大学、复旦大学、兰州大学、北京化工大学、北京应用物理与计算数学研究所、中国建筑材料科学研究总院、中国电子科技集团、东方电气集团, 以及中科院合肥物质院、物理所、金属所、上硅所、大连化物所、半导体所等单位[7]。

5 启示与建议

我们认为, 材料基因工程技术研究具有两方面的重要作用:一是为高技术新材料研制提供理论基础和优选方案, 对新型材料与新技术的发明产生先导性和前瞻性的重大影响;二是促进材料科学与工程由定性描述跨入到定量预测阶段, 提高材料性能和质量, 大幅缩短从研究到应用的周期, 对经济发展和国防建设做出重要贡献[8]。

不光美、欧加大了材料理论与计算设计方面研究的人力和财力的投入, 争夺该领域某个方面的领先地位[9], 日本在玻璃、陶瓷、合金钢等材料的数据库、知识库和专家系统方面也开展了很多工作[10]。为此, 谨提出以下建议:

(1) 制定专门政策, 加速发展。美国的材料基因组计划启动至今已有两年半, 欧洲的相关研究也不晚, 而我国在相关领域起步比较晚, 整体水平与先进国家相比仍有很大差距。如何加快推进并实施中国版的材料基因组计划, 是当前面临的重要问题。美国的研究工作涉及各种材料的设计及数据库建设, 欧洲则侧重于金属合金材料。在保证安全的前提下, 出台符合我国国情的、有助于推进材料新技术发展的政策, 制定发展路线图, 规划基础研究、产业化、工程应用的发展路线, 且不要陷入反复追赶的怪圈。

(2) 重视大数据管理。开展材料基因工程研究离不开海量数据的处理。2012年3月, 美国政府宣布了大数据研究和发展计划来推进从大数据集合中获取知识和洞见的能力, 从而使增加依靠信息计算技术与专业领域的集成来加速行业发展的思路变得更加清晰。

我国在开展大数据工作的同时, 数据治理需提到重要地位。宏观层面, 解决“数据割据”问题需顶层设计, 各个单元需在“数据孤岛”之间架起桥梁;微观层面, 需注重“数据质量”, 包括数据的正确性、完整性、一致性。此外, 需有法律法规界定数据资产的归属和使用。北大、上海交大、人大、北航等高校已经设立了数据科学的研究机构和专业。

(3) 突出优势, 开展产学研合作。美国在执行材料基因组计划的过程中, 注重高校、研究机构与企业的合作。如美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室“国家能源研究科学计算中心”联合麻省理工学院开发的开放平台网络工具Materials Project与Intermolecular公司合作, 以改善该工具的预测水平。

目前国内先进功能材料技术的发展和应用受到实验室条件的限制, 还存在基础设施上的技术瓶颈需要克服。然而, 以合肥为例, 中科院在该地区具有优势物质学科群, 微尺度物质科学和同步辐射等国家级大型实验平台, 强磁场实验装置、同步辐射装置等大科学装置群, 以及在先进功能材料制备和表征方面具备良好技术优势。美国材料基因组计划是联邦跨部门的合作计划, “冶金欧洲”也涉及欧盟及其成员国层面的机构。我国在开展相关工作时, 也需有国家相关部门以及中科院、工程院、相关学会/协会等的协调, 开展跨界合作, 各取所长, 抱团发展, 鼓励企业介入研发, 切实打通新材料从设计、制备到应用的研发链条。

参考文献

[1]SICDAC.Scientific discovery through advanced computing[J/OL]. (2012-08-03) [2014-07-01].http://www.scidac.gov/about SD.html

[2]EUROPEAN SCIENCE FOUNDATION.Advanced concepts in abinitio simulations of materials (Psi-k2) [J/OL]. (2011-02-11) [2014-07-01].http://www.esf.org/index.php?id=7762

[3]日本科学技术振兴机构研究开发战略中心.分子技术战略——分子水平新功能创造[J/OL]. (2009-08-10) [2014-07-01].http://crds.jst.go.jp/output/pdf/09sp06s.pdf

[4]WHITEHOUSE.About the materials genome initiative[J/OL]. (2013-06-24) [2014-07-01].http://www.whitehouse.gov/mgi

[5]ACCMET.Introduction[J/OL]. (2013-01-07) [2014-07-01].http://www.accmet-project.eu/

[6]SINTEF.ACCMET-Accelerated Metallurgy-the accelerated discovery of alloy formulations using combinatorial principles[J/OL]. (2013-04-26) [2014-07-01].http://www.sintef.no/home/SINTEF-Materials-and-Chemistry/Projects1/2011/ACCMET——Accelerated-Metallurgy——he-accelerated-discovery-of-alloy-formulations-using-combinatorial-principles-1/

[7]万勇, 黄健, 冯瑞华, 等.浅析美国“材料基因组计划”[J].新材料产业, 2012 (7) :62-64

[8]中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择[M].北京:科学出版社, 2013

[9]刘梓葵.关于材料基因组的基本观点及展望[J].科学通报, 2013, 58 (35) :3618-3622

3.生物材料与基因技术 篇三

关键词：基因工程；生物技术；教学

吉林化工学院生物技术专业是2009年新办专业。基因工程为生物技术专业学生的专业课，开设时间为大三下学期。针对本校生物技术专业的培养方案和培养目标，我们对基因工程课程内容进行了重组，对教学方法进行改进，取得了良好的教学效果。

一、教学内容的重组

本校的生物技术专业学生在学习本门课程之前，已经完成了生物化学、微生物学、分子生物学等理论课程和实验课程的学习，具备了较完整的理论知识基础。目前，基因工程理论和技术发展日新月异，而基因工程课程的培养方案规定学时仅为32学时，如何在有限的学时内合理优化教学内容，制订切实可行的教学方案，减少授课内容之间的重复就显得尤为关键。

教材是教学的参考，教材编写中为了知识体系的完整，不同教材知识内容之间难免会有重叠交叉。所以，在教学中教师必须根据本专业学生的特点和本校实际，安排合理的教学内容。我们将基因工程内容分成三大部分，第一部分是理论基础，第二部分是DNA重组技术，第三部分是外源基因的表达。

首先，基因工程的理论基础包含酶学基础和载体构建酶学基础部分，着重给学生介绍各类工具酶的特点及用途，对于分子生物学交叉的部分做简要介绍；载体构建部分主要介绍在微生物、植物、动物中不同载体的使用及简单的构建策略，虽然现在绝大多数的载体都已经商品化，都可以即买即用，但是载体构建的策略体现了基因重组过程中非常重要的思想，让学生了解载体的构建过程有助于对整个基因重组过程的理解。

其次，DNA重组技术是整个基因工程的核心部分，要做重点讲解。主要侧重DNA重组过程的战略设计，从目的基因的获得、载体与目的基因的酶切、拼接、导入受体细胞、重组子筛选等各个环节对实验策略和实验方法做详细的讲解和讨论。

最后，外源基因在宿主细胞中的稳定表达是所有基因工程的最终目的，因此要向学生详细讲解什么是转基因沉默，相应的解决策略是什么。对本校生物技术专业学生来说，主要侧重讨论微生物的基因工程，即主要讨论大肠杆菌的基因工程和酵母的基因工程，而植物和动物基因工程涉及较少，这部分我们只做概述。

二、教学方法

适当的教学方式和教学方法是提高教学质量的重要保证。为了提高基因工程课程的教学效果，我们使用了构建思维导图配合多媒体教学的方式。

思维导图是20世纪60年代由英国著名学者托尼·巴赞提出的一种有效的记忆方法。思维导图以节点来代表一个概念、主题或想法，以线段或弧线来连接它们，从而表示出概念之間、主题与事实、细节之间或想法之间的关系，把各级主题的关系用相互隶属与相关的层级图表现出来，充分运用左右脑的机能，利用记忆、阅读、思维的规律，协助学习者进行高级思维和有效记忆，进而提高创造力。在教学中，由教师一面讲课，一面在黑板上生成思维导图，帮助学生总结归纳、理解记忆。每个知识点，涉及用图片等演示的，用事先准备的多媒体播放给学生，加深学生对每个知识点的理解和掌握，这样就避免了单纯多媒体教学直线性的特点，呈现给学生一个相关主题的知识网络，便于理解记忆。

其次，在教学中采用提问式教学。随时对学过的与基因工程有关的微生物学、生物化学、分子生物学知识进行提问，一方面帮助学生回忆学过的知识，另一方面要让学生了解到，在大学的学习过程中各门课程之间不是孤立的，而是有机地联系在一起的。

最后，采用启发研讨式教学。在基因工程教学中，将每一个重要技术的研究思路引入课堂，如在怎样的情况下催生了Mullis发明了PCR技术，Lederberg又是如何由细菌致育因子想到了基因载体等；通过生动的实例激发学生的学习兴趣，启发学生通过观察去发现问题和解决问题。同时，为了进一步调动学生学习的积极性和主动性，在教师讲解后让学生分小组，就自己感兴趣的新技术及其应用等查阅最新文献资料，并走上讲台讲解，这样就能调动学生学习的主动性，也使学生在阅读能力、自学能力、口头表达能力等方面得到实际锻炼。

三、考核方式

生物技术专业的基因工程是32学时的必修考试课，成绩由期末考试和平时成绩两部分组成。考试成绩占70%，平时成绩占30%，平时成绩包括出勤、作业、课堂表现等方面。

经过上述尝试，生物技术专业学生在课上能够积极配合教师，更重要的是学生真正进行思考，积极参与到整个教学过程中来，取得了良好的教学效果。

参考文献：

托尼·巴赞.思维导图[J].李新，译.北京：作家出版社，1999.

4.生物材料与基因技术 篇四

通过本节教学使我领悟到：

①既然新课程理念关注的是人，追求的是人的发展，我们的教学设计要以此而展开，才能使学生积极有效参与。积极参与和有效参与是相辅相成，相互渗透的，积极参与是有效参与的基础。没有学生的主动探索，知识与技能的形成，情感、态度、价值观的培养是一句空话。体验式探究是追求这一价值目标的重要手段。

5.基因技术与社会不公平 篇五

基因技术与社会不公平

本文从不同角度研究了基因技术在世界范围内引发的.社会不公平问题。作者主要从两个系列研究这一问题，第一个序列包括研究起点的不公平研究过程的不平等，以及基因技术应用的结果的不公平，另一序列包括基因技术应用后，在发达国家与发展中国家，富人与穷人，有知识者和无知识者之间存在的社会不公平问题。

作 者：张国安 作者单位：贵州大学哲学系，贵州 贵阳 550025刊 名：贵州大学学报(社会科学版)英文刊名：JOURNAL OF GUIZHOU UNIVERSITY(SOCIAL SCIENCE)年，卷(期)：20(1)分类号：B82-052关键词：基因技术 社会不公平人类

6.生物基因高中生物课教案总汇 篇六

(1)说出中心法则的发展历程,明确中心法则——遗传信息流向的途径：

①从dna流向dna(dna自我复制);②从dna流向rna，进而流向蛋白质(转录和翻译);③从rna流向rna(rna自我复制);④从rna流向dna(逆转录)。

(2)举例说明基因、蛋白质与性状的关系。

(3)举例说明基因间的相互作用及对生物性状的精细调控。

2.学习建议

1.本节主要介绍了中心法则和基因、蛋白质与性状的关系两部分内容，在“中心法则”的学习中，可充分运用教材中的“资料分析”，探究中心法则的提出和完善过程。

2.关于基因、蛋白质和性状的关系的内容，比较复杂，也较抽象。学习过程中要从遗传现象的实例入手，分析其本质原因，归纳总结三者间的关系。运用两类遗传现象的实例:一类是豌豆的圆粒与皱粒、白化病和侏儒症等实例，说明基因通过控制酶或激素的合成来控制细胞代谢过程，从而控制生物性状;另一类是类似囊性纤维病、镰刀型细胞贫血症等实例，说明基因通过控制结构蛋白的合成，从而直接控制性状。最后得出结论:基因控制性状是通过控制蛋白质的合成来实现的。再通过“人的身高”等事例，了解多基因对性状的控制以及环境对性状的影响等知识。

自我测评

一、选择题

1.下列各项中，正确的是( )。

a.1982年科学家发现rna可复制

b.1957年科学家发现疯牛病是一种结构异常的蛋白质引起的

c.1965年,克里克提出中心法则

d.1970年科学家发现逆转录酶

2.揭示生物体内遗传信息传递一般规律的是( )。

a.基因的遗传定律 b.碱基互补配对原则

c.中心法则 d.自然选择学说

3.囊性纤维病的实例可以说明( )。

a.基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状

b.dna中某个碱基发生改变,生物体合成的蛋白质必然改变

c.基因通过控制激素的合成,控制生物体的性状

d.基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状

4.甜豌豆的紫花对白花是一对相对性状，由非同源染色体上的两对基因共同控制，只有当同时存在两个显性基因(a和b)时，花中的紫色素才能合成。下列说法中，正确的是( )。

a.一种性状只能由一种基因控制 b.基因在控制生物体的性状上是互不干扰的

c.每种性状都是由两个基因控制的 d.基因之间存在着相互作用

5.遗传学家曾做过这样的实验:长翅果蝇幼虫正常培养温度为25 ℃,将孵化后4～7 d的长翅果蝇幼虫，在35～37 ℃处理6～24 h后,得到了某些残翅果蝇;这些残翅果蝇在正常环境温度下产生的后代仍然是长翅果蝇。此实验不能说明( )。

a.环境条件的改变可以引起生物性状的改变

b.控制长翅果蝇的基因的表达受温度影响

c.基因控制生物体性状时受环境影响

d.翅的发育过程经过酶的催化作用

6.当克里克提出遗传信息传递的中心法则后，人们又通过科学研究对中心法则进行的补充包括( )。

①dna复制 ②rna复制 ③蛋白质的复制 ④转录 ⑤逆转录 ⑥翻译

a.①②③ b.④⑤⑥ c.②③⑤ d.①④⑤

7.下列有关细胞质基因的说法中，不正确的是( )。

a.细胞质基因存在于所有的细胞器中

b.细胞质基因存在于线粒体和叶绿体中

c.细胞质基因能进行半自主自我复制

d.细胞质基因控制的遗传病只能通过母亲传递给子代

8.观赏植物藏报春，在20～25 ℃的条件下，红色(a)对白色(a)为显性，基因型为aa或aa的藏报春开红花,基因型为aa的藏报春开白花。但是,如果把开红花的藏报春移到30 ℃条件下,虽然基因型仍为aa或aa,但新开的花全是白色的,这说明( )。

a.基因完全决定性状

b.基因对性状的控制受到环境因素的影响

c.基因型相同,环境条件改变，性状一定改变

d.每种植物在环境条件改变时都能开多种颜色的花

9.在豌豆粒中，由于控制合成淀粉分支酶的基因中插入外来dna片段而不能合成淀粉分支酶，使得豌豆粒不能合成淀粉而变得皱缩。此事实说明( )。

a.基因是生物体性状的载体

b.基因能直接控制生物体的性状

c.基因可以通过控制酶的合成控制生物性状

d.基因可以通过控制蛋白质结构来控制生物性状

10.下列各项中，属于基因通过控制蛋白质分子结构直接控制生物性状的实例是( )。

①人类的白化病 ②囊性纤维病 ③苯丙酮尿症 ④镰刀型细胞贫血症

a.①② b.③④ c.①③ d.②④

11.下列各项中，不是蛋白质合成所必需的是( )。

a.mrna b.核糖体 c.trna d.内质网

12.下列关于基因与性状的关系的说法中，错误的是( )。

a.很多情况下一个基因决定一个性状

b.有的情况下多个基因决定一个性状

c.有的情况下一个基因决定多个性状

d.生物体的性状不会受到环境影响

13.逆转录过程的发现对克里克提出的中心法则来说是( )。

a.完全否定b.毫无意义

c.补充和更加完善 d.彻底完善

14.导致囊性纤维病变的根本原因是( )。

a.cftr基因缺失3个碱基 b.cftr蛋白结构异常

c.支气管中黏液增多 d.细菌繁殖，肺部感染

15.同一株水毛茛，裸露在空气中的叶和浸在水中的叶，表现出了两种不同的形态。下列各项中，对此说法正确的是( )。

a.水上部分只含有控制形成宽形叶的基因

b.水下部分只含有控制形成窄形叶的基因

c.水上部分既含有形成宽形叶的基因，也含有形成窄形叶的基因

d.基因相同则性状相同，基因不同则性状不同

二、非选择题

16.(_)年江苏省高考题)艾滋病(aids)是目前威胁人类生命的重要疾病之一。能导致艾滋病的hiv病毒是rna病毒。它感染人的t淋巴细胞，导致人的免疫力下降，使患者死于广泛感染。请回答下面的问题。

(1)该病毒进入细胞后，能以为模板，在酶的作用下合成，并整合于人的基因组中。

(2)整合后它按照原则进行复制，又能以为模板合成，并进而通过过程合成病毒蛋白。

(3)如果将病毒置于细胞外，该病毒不能繁殖，原因是。

17.已知甲、乙、丙三种病毒，它们的遗传信息传递和表达过程如下图。请根据图回答下面的问题。

(1)这三种病毒的遗传物质依次是：

甲 ;乙 ;丙 。

(2)过程3、10表示 ;

过程6表示 ;

过程1、4、8、11表示 ;

过程2、5、9表示 ;

7.生物材料与基因技术 篇七

转基因技术的魅力在于与生活密切关联,从而往往能极大地吸引公众眼球,成为社会舆论关注的焦点。围绕着食用安全性与道德 (如“黄金大米”事件)等问题,反“转”现象层出不穷。所谓转基因 (GeneticallyModified),就是利用新兴生物技术改变生物原有遗传物质,在原有基因组中嵌入特定的外源基因,使得新物种更加贴合人们需求。转基因作物最早诞生于1983年,是一种含有抗生素药类抗体的烟草,标志着转基因技术的成功应用。但直到11年之后,转基因作物 (一种延熟保鲜的西红柿)才以商品的形式出现在美国。而转基因作物的大规模研发与种植也导致其品种和产量迅猛增长,暂且搁置安全性问题的讨论,仅从社会经济角度而言,转基因技术极大促进了农业生产的发展,为宏观经济带来巨大效益,也正是如此,一些学者发出“反转误国”之声。如若转基因食品的安全可控,那进一步了解和评析转基因技术的经济效益,将成为在全球范围内推广转基因作物种植的关键因素。本文将从经济效益的角度分析转基因作物,以利于更好理解转基因作物的推广如何改变和影响着经济社会。同时,本文讨论并强调转基因作物种植的潜在风险,反“转”之声并非空穴来风,以生物安全为前提的经济发展至关重要。

二、转基因作物产业发展现状

自1996年起,转基因作 物商业化 已持续19年。从规模而言,1996年首次大规模种植转基因性质农作物为166万公顷,而这一数字到2013年增加了100倍,达1.75亿公顷,美国仍然是世界上转基因作物种植面积最大的国家,占全球种植面积的2/5,巴西连续五年居于第二,中国占比3%,排名第六。目前常见的转基因作物包含性状主要为抗除草剂和抗虫,包括转基因抗除草剂的大豆、玉米、棉花、加拿大油菜以及转基因抗虫玉米、棉花和其他如抗病毒南瓜等作物,而转基因作物市场已趋于成熟,其中大豆、棉花、玉米和油菜等常见品种均维持90%以上的市场采用率。

截至2013年,全球共有27个国家种植转基因作物,涵盖发达国家8个、发展中国家19个,而1800万农民中超过1650万名来自发展中国家。来自国家的政治支持也是转基因作物快速发展的动因之一,不少发展中国家的转基因市场僵局被打破,如孟加拉国批准种植Bt茄子、印度尼西亚批准研发具有耐旱性状的甘蔗、巴拿马批准转基因玉米的商业化种植,非洲地区部分国家已进行推广,更多国家开放了转基因作物的田间试验,这意味着发展中国家的转基因作物趋势将得到推升。

据国际农业生物技术应用服务组织 (ISAAA)2013年的报告统计,1996~2012年间,转基因作物种植的正面影响包括:1减少对环境及气候的污染,农作物产值达1169亿美元,减少4.97亿公斤农药活性成分的使用,仅2012年就减少了267亿公斤二氧化碳排放量 (相当于1180万辆汽车一年尾气排量);2节约了1.23亿公顷土 地;3帮助1650万小型农户缓解贫困问题。

全球范围内种植转基因作物的国家和地区主要包括美国、加拿大、阿根廷、南非、澳大利亚、亚洲和南美洲。中国是亚洲地区最早商业化种植转基因作物的国家,于1997年引入转基因抗虫棉。目前主要的转基因种植作物为转基因棉花,区域集中在黄淮海流域 (安徽、山西、山东、湖北、河北、河南和辽宁)、长江流域 (江苏、江西、湖南、四川、浙江)和新疆等地。

尽管转基因作物种植在全球范围内逐渐拉开声势,但不难发现,目前大力推广转基因作物的主要为经济水平欠发展的第三世界国家,而众多发达国家对转基因的态度保持拒绝或中立,表明转基因安全问题的重要性。

三、转基因作物的社会经济效应分析

不少学者关注转基因的商业化运作对经济体造成的影响。范存会、黄季焜从生产者、社会福利分配和技术外部性三个方面进行分析,以基因抗虫棉为研究对象,从农药生产率的测定和使用等分析对生产者的影响;以完全市场化模型为基础研究转基因作物对社会福利分配的影响;从成本收益法分析技术的外部影响。〔1〕张德亮总结了转基因作物经济研究的内容方法和结果,包括生产成本收益分析、与消费相关分析、安全管理的成本收益分析和经济贸易与福利分配分析四个方面的内容。〔2〕周慧、齐振宏、冯良宣主要从消费者认知视角出发,通过来自北京、上海、深圳、苏州、武汉和重庆这六个城市共计1186份抽样调查问卷,分析影响消费者对转基因食品认知的决定因素。〔3〕钟甫宁、陈希根据城市居民入户调查数据,研究了在转基因强制标签政策施行的背景之下,食用油市场份额将如何受消费者特征影响。研究表明,转基因市场份额改变显著受高收入者“结构效应”影响。〔4〕

本文结合PGEconomics和国际农业生物技术应用服务组织 (ISAAA) 近年来对全球转基因作物的研究,从农业收入效应、技术生产效应、环境影响等方面对全球主要转基因作物种植国进行分析,并进一步展示中国当前转基因作物生产状况。

1.农业收入效应

自1996年转基因作物大规模种植以来,农庄收入显著获益于生产力和生产效率两个方面。表1列出了1996~2012年间全球农场转基因作物种植收益的概况,其中,2012年全球农场收益合计188亿美元,贡献了全球四种主要 农作物 (大豆、玉米、油菜和棉花)产量的5.6%。

其中,FR代表转基因作物在2012年的收益,CFR代表1996~2012年农业累计收益;GMR/TR代表2012年转基因作物收入占所有转基因作物种植国总收入的份额;GMR/GTR则代表2012年转基因作物收入占全球同类作物收入的百分比。从表1可见,2012年增收最大的作物为玉米,其次为棉花和大豆,而在所有转基因作物种植国以及全球同类作物中,转基因棉花份额最大,均达10%以上。

观察转基因作物的主要种植国在1996~2012年间的累计创收,其中美国收益最 大,累计创收520亿美元,其次为阿根廷、中国和印度,收益均超过100亿美元,如表2所示。

单位:百万美元

注:表格后两列单位为%;HT 代表抗除草剂,IR 代表抗虫性状;数据整理自英国咨询公司 PGEconomicsLtd报告《转基因作物:全球社会经济和环境影响1996~2012》。

单位:百万美元

注:所有数值均为名义值,数据整理自 PGEconomics Ltd报告。·

发展中国家逐渐加入到转基因作物种植行列,按照是否为发达国家对各种转基因性状作物创收进行分类加总可以发现,仅2012年发达国家各类转基因作物总创收为101亿美元,发展中国 家贡献了 全球46.2%的收入,达到86.6亿美元;统观1996~2012年,发展中国家累计增收为581.5亿美元,占全球转基因作物收入的49.9%,与发达国家相当。

不少研究发现,发展中国家种植转基因作物的品种和比例保持快速增长,可以理性预期,转基因物种将为发展中国家创造更大的经济效益。

2.技术生产效益

目前,比较常见的转基因性状作物主要包括抗除草剂作物和抗虫作物,如果不采用该技术,传统种植方法为了达到除草和除虫的目的会耗费更多人力、财力等资源,还可能导致对生态环境的破坏。而抗除草剂作物和抗虫作物能够有效提高传统种植作物的产能和效率,从而带来更大范围的农业增收。转基因技术的运用为作物带来了额外增产,主要体现在大豆、玉米、棉花和油菜四种作物上。以抗虫性状为例,抗虫棉和抗虫玉米的种植,分别带来99.3%和97.1%的额外产量,从1996年起实施转基因性状作物种植的全部国家和地区在过去的17年中平均收益增加16.1%(棉花)和10.4% (玉米)。图1描述了几种转基因作物2012年以及累计额外产量。

注:图形根据报告相关数据绘制。其中额外增产作物还包括甜菜,但该作物从2008年才开始运用于美国和加拿大,累计增产仅60万吨,故此图未将其纳入统计。

3.环境影响

目前, 常用环境 影响指数 (Environmental ImpactQuotient,EIQ)度量农药使用情况对环境的影响。通过分离转基因与传统使用的杀虫剂对人体和环境的影响,得出单种作物每公顷土地的主要毒性和环境影响数据,如表3所示。

注:前两列单位分别为百万千克和百万土地 EIQ 值/公顷。

表3中△a.i.是指活性 成分使用 变化量,△EIQ表明环境影响指数的变化,△a.i. (%)和△EIQ (%)分别表明转基因作物种植国家活性成分使用和环境影响指数的变化比率。从表3可以看到,1996年到2012年,由于转基因性状能够减少转基因作物对除草剂和杀虫剂的使用,使得杀虫剂中活性成分使用量减少5.03亿千克 (约8.8%),类似地,指数下降幅度为18.7%,大幅降低了对环境的伤害。其中,棉花和玉米的种植对活性成分和指数变动贡献最大。这意味着,相比传统农作物,种植转基因农作物对环境影响更小,存在更大的正外部效应。值得注意的是,HT甜菜的种植加大了环境负担。

四、中国转基因作物的经济效益分析

目前,中国广泛种植的转基因作物主要是抗虫棉。棉花种植有着相当悠久的历史,但棉花产量深受棉铃虫影响,也因此造成棉农极大损失。而研究分析发现,转基因抗虫棉中含有的抗虫基因苏云金杆菌 (简称Bt)能够有效减少 虫害影响。Huangetal.研究发现,普通农民种植Bt棉花主要获益于以下几个方面:抗虫害减少的损失、更高效的产出和节省了杀虫剂的费用。在中国,种植Bt棉的农户平均能减少56%的杀虫剂费用支出、而产出则平均增长8%左右。〔5〕

中国政府对转基因作物种植业给予了高度支持,自1986年起,生物产业便被列入国家重点研究、发展对象,2008~2020年,中国斥资38亿美元批准转基因生物新品种培育重大专项,2013年,国务院将生物育种产业列入国家优先发展的战略性新兴产业。我国虽土地广袤,但耕地资源稀缺、人口众多亦是事实,每年的农产品如大豆、玉米等面临着大量缺口,需靠进口填补,发展转基因作物缓解了产业困境。1997年,我国商业化种植转基因Bt棉的两个品种分别由中国农业科学院 (CAAS)和美国孟山都公司 (Monsanto)研发。对农户而言,最受欢迎的作物品种应当具备用药少、省力和高产的特点,而Bt棉的推广极大增加了黄淮海和长江流域地区的棉花产量。对农户而言,Bt棉的种植到底带来了什么样的经济效益呢?

注:从左到右每一列的单位分别为美元/公顷、美元/公顷、百万美元和%,数据整理自PGEconomicsLtd报告。

表4统计了1997~2012年中国农户种植抗虫棉的收入水平,其中CS代表扣除技术支出后节约的净成本,NI代表每公顷棉花产出的总利润增加净值,INI代表全国农户收入增加 总值,INI/NP代表将全国农户收入增加总值换算成对应的产量增加值,即由于采用转基因技术的增收和成本节约带来的收入等同于当年多少产量的创收。

可以看到,自从我国种植转基因棉以来,平均每公顷田地节约成本178美元,农户每公顷田地的平均毛利润增加342美元,全国农户累计收入增加总值达到152.7亿美元。由此可见,转基因作物的种植为农户创造了经济效益。

进一步地,根据国际农业生物技术应用服务组织 (ISAAA)2013年对中国 部分乡村 调研数据,中国部分省份的棉农种植Bt棉的收入成本分析如表5所示。

注:成本与净收入单位为美元/公顷,杀虫频率单位为次,后三行单位为%,数据整理自ISAAA 调查报告。

可以看到,以上四省农民种植Bt棉的平均净收入为657美元左右;成本方面,最主要的支出是劳动力,占据总成本的58%,其次为化肥支出 (17%)。虽然转基因作物的成本较高,几乎是传统品种的4倍,但种子成本最终被更少的劳动力和杀虫剂支出覆盖,从而整体净收入仍然得到显著提升。

五、转基因作物的潜在威胁

社会舆论不断暴出关于转基因作物及食品的争论,农业现代化与食品安全问题息息相关,转基因食品对人体是否有害尚无定论,但社会舆论并非空穴来风。

首先,安全性问题。由于转基因食品的潜在安全风险,不少研究人员对转基因食品安全进行动物实验。1997年英国一项研究表明,食用转基因土豆的老鼠出现肝癌早期症状、生育系统发育不全、免疫萎缩等症状;1999年JohnLosey研究表明,斑蝶在食用含有Bt基因玉米花粉叶片之后导致了44%的幼虫死亡;瑞士和俄罗斯的研究人员也通过实验发现转基因作物对动物的危害现象,且动物实验多表明转基因的危害在于革“命”,而社会关注的重点是,转基因食品在动物身体上的表征是否也会显露在人体之上?目前转基因食品尚未进行合规的人体安全试验,2012年8月,中国“黄金大米”风波将科学推到道德的风口浪尖上,由于在未经审批、未告知的情况下利用儿童试验转基因食品,使得本次事件中道德占据了制高点,也点燃了民众的“反转”情绪。虽然目前尚未出现因食用转基因食品产生人体健康威胁的负面消息,但是不能否认食用转基因食品可能造成对人体健康的巨大威胁。

其次,对生态环境的威胁。前文提到转基因作物种植有利于减少EIQ和缓解温室效应,也有报告称其有助于改善土壤。但不可否认,转基因作物可能导致对生态环境的威胁。比如抗虫棉的抗虫性状是指将外来的Bt基因与作物整合,形成一种对鳞翅目昆虫有毒的蛋白质晶体,从而达到抗虫目的。然而一方面会急剧破坏生物多样性,从而扰乱食物链的生态平衡,另一方面可能诱发鳞翅目昆虫变异产生抗体,导致更棘手的问题。

那么,各国政府如何对待转基因作物呢?由于转基因作物会为国家和民众创造更多经济收益,各国政府对该技术都很重视。美国是目前世界上转基因作物耕种面积最大的国家,并未严格区分转基因生物和非转基因生物,采取自愿标识制度,可以说美国是世界上转基因种植最多、研究最多、监管最松的国家,在安全管理方面,美国食品药品监督管理局 (FAD)禁止刻意标注“非转基因食品”,以免形成对消费者的误导。然而,美国转基因作物种植虽广,但本国消费只占很小比例,其中还包括用作生物燃料的非食用途径,其余大部分则出口到发展中国家。尽管美国未刻意限制为转基因食品打标签,但部分美国商家仍会选择在标签上标注“有机食品”区分销售。

欧盟对转基因作物的管理则更谨慎,由于转基因生物的潜在风险,需要进行安全审批。此外,由于成员国众多,审批时间长,意见难达一致,因此欧盟地区几乎难见转基因产品身影,至今只有土豆和玉米获得欧盟种植许可,但是否种植还授权于成员国自身。欧盟转基因作物种植面积仅占全球所有转基因种植面积的0.25%,且大部分用作工业原料和动物饲料,食用极少。

日本政府的管理则有松有驰。由于大量食品需要进口,故转基因食品安全是监管重点,日本政府从2001年开始对转基因产品实行标识制度,并加强对转基因农业的安全研究。

中国政府极其重视转基因技术,对转基因作物种植业给予了高度支持,列项目、斥巨资,转基因作物种植带给中国农民收入的变化是不可否认的,但支持转基因研究并不意味着中国政府可以任由其发展。我国于2002年3月20日执行《农业转基因生物标识管理办法》,强制为转基因产品贴标签,但我国在对转基因的生物安全监管层面仍然存在漏洞,否则不会出现类似于“黄金大米”的被商业利益化的科研事件。

六、结论与建议

基于科技进步和国情,转基因技术极大促进了农业生产发展,为宏观经济带来巨大效益,所以学者多发“反转误国”之声。本文通过对转基因作物种植的经济收益等现状分析认为,转基因作物的种植的确能够为国家和农户创造更多收益,且转基因作物对人体是否存在危害仍无定论,因此对待转基因作物不能以偏概全,生物安全监管既要严控,也要科学分类。对于能提高产量、不需直接食用且获取安全证书的转基因作物可以适当扩大生产;而对于抗病毒等性状、需要食用的作物则应当更审慎监管。为了使农户获得更大收益,转基因作物的推广必须做到透明、可控,需要公共部门与私人部门的共同参与和支持。作为供给方,种子公司必须声明市场需求量,披露最初使用某种转基因作物的规模以及符合种植条件的农户;来自其他公共研究部门或生物机构的技术研发者在引入某项技术时至关重要,需要反复试验并且向农户证明如何对比传统作物和转基因作物;一些后续的服务如新品种种植过程中的咨询或指导等也应当具备,以使农户能够最大限度获得转基因技术的好处。

8.生物材料与基因技术 篇八

由于长期以来对转基因科普重视不够，对舆论引导和监管不力，缺乏面对公众的沟通对话机制和风险交流平台，公众对转基因技术及其产品认知程度偏低，转基因舆论环境由负面舆论占主导，并把转基因“妖魔化”。不良舆论环境已成为严重影响转基因新品种研发和产业化发展的主要社会障碍，干扰了政府决策和转基因科学研究，阻碍了转基因新品种产业化进程，挫伤了科技工作者的积极性。

建议：1.完善转基因作物产业化管理机构。国务院办公厅、科技部、农业部层面成立转基因生物研究与产业化工作领导小组，统筹协调全国转基因生物研究与产业化工作。

2.积极推进转基因水稻和玉米的产业化。在我国研发的转基因生物品种中，转基因抗虫水稻和转植酸酶基因玉米产业化条件最成熟，对粮食安全的影响力大。

3.营造有利于转基因产品研发、生产、消费的舆论环境。科协要大力加强转基因科普宣传，尤其要加强对党政干部、科技人员、媒体记者的高级科普。

4.改进转基因生物研究与产业化法律和管理政策。

责编/魏晓文