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国内外科技动态
【研究进展】
·人类观察微观世界的能力突破一百亿分之一米
·欧洲药物发现和生物技术发展的新趋势
·能源开发的新思路
【科技纵横】
·专家认为:
转基因食品并不比正常食品危险
·未来学家:
高科技是世界变革的关键拼图
【传媒扫描】
·气候预测的新途径----20年来地球反射太阳光总量的变化
·克隆骡子新启示:
科学家找到对付癌症的新线索
·现代数学基础及应用中的若干前沿方向研究取得进展
·干细胞能够恢复受损的肝脏组织
·日学者用荧光物质预测抗癌药物效果
·美国合成人造跳跃基因使基因的自由开启成为可能
·“中国气候系统模式研究”正式进入模式研制
·科学家发现太阳系外最年轻的行星
·帮助诊断心脏病发作的新标准
人类观察微观世界的能力突破一百亿分之一米
日前,FEI公司电子光学产品部(原飞利浦电子光学公司)的科学家,成功地使用200千伏加速电压的透射电子显微镜打破了1埃的分辨率极限,人类可以观察到相当于一百亿分之一米的微观世界。
这个历史性的突破使得高分辨透射电镜第一次拥有可直接观察的、优于1埃的分辨率,而不需要常规的计算机辅助解释。
著名科学家、中国科学院院士李方华教授称:
“这是一个振奋人心的消息。
这无疑将使从事材料科学研究的电子显微学家能在镜下大饱眼福,把材料微结构的研究推上一个新的高度。
”
1埃是什么概念?
它相当于1纳米的十分之一,一米的一百亿分之一,是原子尺度研究的关键长度单位。
科学家认为,这种可以直接观察无畸变超高分辨率的能力,为纳米科学工作者打开了新的探索大门。
小于1埃分辨率,是在FEI公司200千伏TecnaiF20S-TWIN型号的透射电子显微镜上实现的。
这架独特设计的电子显微镜装有CEOS公司的球差矫正器和FEI公司的电子单色器,同时样品拥有足够的活动空间,保证一些新兴的电子显微技术在亚埃量级的应用。
这些新技术包括三维重构、束扫描、样品在特殊条件(如温度、应力、化学环境)下的实时变化等,都将对纳米材料科学研究带来重大的冲击。
从上世纪三十年代电子显微镜诞生以来,更高的分辨率就一直是电子显微学家追求的目标。
普通光学的分辨率定义,即判别图像中最近的两点之间距离,不再适用于相干成像的透射电子显微镜。
从高分辩技术诞生以来,人们就给透射电镜赋予两个独立的分辨率概念:
一个是直接分辨率,即点分辨率,它是指最佳条件下高分辨像上可直接解释的分辨率;另一个是间接分辨率,即信息极限,它限定了最小的可记录信息,但需要使用这部分信息必须依赖计算机的模拟或特殊的图像处理计算。
到目前为止,常规的电子显微镜拥有的直接分辨率在2埃左右,即使是配有场发射电子枪的电镜,间接分辨率的极限也在0.12nm至0.14nm。
上世纪末发展起来的球差系数矫正器,既可以大大提高电镜的直接分辨率,而又不影响到样品的灵活性。
同时球差系数不再限制直接分辨率,而限制因素转变为电子源非单色性引起的间接分辨率,两个独立的分辨率(在数值上)就此合二为一。
因此,要进一步提高分辨率就必须提高电子源的单色性。
另一方面,电子单色器也是近几年来兴起的新技术。
发明单色器的初始动力,是使电子能量损失谱拥有更高的能量分辨率,以探测材料的电子结构,如氧化态、半导体能隙等。
结合电子单色器和球差系数矫正器,是大幅度提高电镜分辨率的必然途径。
FEI公司电子光学产品经营高级副总裁罗伯·法斯特诺(Rob·Fastenau)说:
“这一成就直接证实了我们对先进电子显微技术发展的许诺。
上世纪90年代末FEI公司首次将球差矫正器与透射电子显微镜接合。
2000年FEI首次而且至今仍是唯一拥有已证实的单色器技术的公司。
今天,FEI又是第一次将这些先进技术结合为一体,打破了1埃的界限。
”
纳米科学家高度赞赏这一重要的技术突破。
“成功地应用电子束单色器来改进球差矫正电镜的分辨率,是电子显微领域的一个重要里程碑。
”美国加州伯克利大学国家电镜中心的麦克·欧克夫(MichaelO'Keefe)教授指出:
“理论早就预言单色器能够进一步改进S-TWIN型号球差矫正的1.4埃的分辨率。
可是,众所周知,附加单色器而又不影响电子束成像的质量极为困难。
值得为FEI的这一卓越的成就祝贺。
”
著名科学家、中国科学院院士郭可信教授认为,这一成就“将使材料(特别是纳米材料)的微观结构研究进入一个全新的境界。
可以预期,惊人的新发现将指日可待”。
信息来源:
欧洲药物发现和生物技术发展的新趋势
欧洲进入生物技术领域的时间比美国晚,但现在,来自欧洲的技术供应商们却为该领域在研究、药物发现和药物开发方面的成功应用提供很多关键技术。
欧洲研究人员在基因组测序和蛋白组发展方面发挥了先驱作用。
欧洲在少数研究领域已经形成了很强的研究实力,特别是在转基因科学的发展方面涌现出许多各种各样的成长型企业。
另一个充满希望的领域是干细胞技术,既包括动物干细胞研究,也包括人类干细胞研究。
很多公司在跟踪该领域的最新进展。
北欧地区的公司已经形成了几个细胞线。
基础技术方面的欧洲公司也在蓬勃发展。
几个从事高通量筛选、化学库和其他领域研究的公司有很好的商业模式。
供应商们更为关注产品开发和综合生物学技术,将各种类型的信息综合在一起,为用户提供更为先进的模型。
它们不再停留在低价值的信息服务业务上,因为制药行业需要的是高价值的服务。
财政方面的问题
财政方面的问题在欧洲生命科学工业的进一步发展中将起关键作用。
欧洲比美国拥有更多的生物技术,但美国投入该领域的资金要多得多。
这是瑞典Cellectricon公司首席执行官JakobLindberg注意到的现象。
他说:
“如果你比较一下早期的融资情况,数字是非常相似的。
但美国后期的融资情况要比欧洲好得多。
“
另外,英国Genetix公司高级应用专家MarkTruesdale说,欧洲的生命科学供应商无法回避该大陆经济发展落后所产生的影响,特别是因经济问题而发生的很多兼并和收购事件的影响。
但这未必能阻碍新的工具和技术的开发。
Sequenom公司的德国子公司欧洲销售经理MikeDyson解释说:
“各个公司在寻找最有效的途径来发现目标并采取行动。
”Gilson公司欧洲仪器销售经理GeorgeHutchinson同意这种看法,他说:
“人们在做法上正在变得非常实际。
”
欧洲的生命科学有一个强大的政治靠山。
德国MorphoSys公司高级营销经理JoanneCrowe说:
“欧洲委员会终于开始认识到蛋白组学的重要性,并开始支持该领域的几个重大研究计划。
‘第6个欧洲框架计划'(一个支持跨国研究项目的计划)的很大一部分资金流进生命科学、药物发现和蛋白组学。
”
技术公司有责任支持这种类型的研究项目。
在本报告中,我们介绍欧洲供应商表现出相当实力的几项技术以及为这种实力作出贡献的几家公司。
这些技术如热循环装置等已经非常成熟的工具到相对较新的组合库都有。
新型热循环装置
上个世纪80年代初,科学家门在加热块或水浴中完成了首批聚合酶链式反应(PCR)实验。
今天,研究人员采用热循环装置来进行实验,它们是用微处理器控制的、可编程的加热块,能让使用者预先设定温度和每个温度的时间长短,然后让热循环装置在无人照料的情况下运行。
通过降低每次实验之间的差异,这种装置将有助于对实验结果进行比较。
WhatmanBioMetra、Eppendorf和ThermoMolecularBiology前ThermoHybaid公司 等供应商集体提供一系列专门的装置来满足从小规模到大通量等各种不同应用的需要。
例如,WhatmanBioMetra公司提供的热循环装置既可满足小规模研究小组的需要,又是适合在大型制药公司使用的理想的自动化系统。
Eppendorf公司最近推出一种新一代热循环装置,该公司市场经理CordulaKroll说,这种装置称之为SystemCyclerEP,它与以前的循环装置相比在6个方面有了改进:
速度更快;更容易编程;允许研究人员使用已有的协议;可随实验室规模的扩大而扩展;允许从96-井格式轻松改成384-井格式;对敏感的化验具有很高的可靠性。
她补充说:
“这是目前市场上最快的热循环装置,可进行由机器驱动的热起动PCR。
”
微阵列方法
DNA微阵列或芯片可让科学家在几乎完全相同的条件下同时测定数量非常大的cDNA寡核苷酸。
研究人员经常使用微阵列进行基因表达甄别研究和单核苷多态性(SNP)分析。
美国公司Affymetrix是这一领域的先驱,它通过最初开发用于制造半导体的掩蔽技术来生产DNA微阵列。
现在,几家欧洲公司也紧随其后,开始在该领域提供产品。
FebitAG等欧洲公司根据其他技术提供其所制造的微阵列。
几个研究小组希望制造他们自己的微阵列产品。
他们一般依赖于由斯坦福大学PatrickBrown小组开发的“定位阵列技术”,并采用在他们自己感兴趣的生物中所表达的一组特定的基因。
尽管比商业阵列成本要低,但“定位阵列”需要复杂的仪器设备,如自动定位仪(automatedspotters)、群落采集仪(colonypickers)、下游探测和分析仪器等。
ApogentTechnologies、Genetix和GenomicSolutions等公司提供一系列制造和使用微阵列所需的产品。
供应商的目标是满足其客户的最新需要。
Genetix公司的Truesdale说:
“一些客户曾经用以前买的芯片(比如说30000点的芯片)做过实验,然后需要只在几百个点的芯片上做进一步的实验。
所以,我们推出了一种小型的可在实验台上使用的系统,该系统给研究人员提供了更多的探测微阵列奥秘的机会。
我们的所有系统都是灵活的,即它们可应付客户想做的任何事情。
我们还有一个活性试剂部,提供玻片、定位缓冲液和标记缓冲液等。
”另外,该公司还推出了一种微阵列生产装置Qarraymax,可一次对450个玻片进行定位。
Truesdale说:
“环境控制和定位技术在最大限度地增加生产时间方面是很独特的。
”
SNP分析系统
SNP分析在识别健康个体与害病个体在基因水平上的差异方面扮演着越来越重要的角色,这项工作可帮助医生确定什么药物、什么剂量对其患者是最合适的。
管理部门因几种药物在少量患者身上会产生明显副作用而拒绝让其上市,所以识别出对特定药物有耐受性的个体将有助于使这几种药物重现生机。
美国公司CeleraGenomics、MyriadGenetics和OrchidBiosciences正在从事与SNP有关的产品和服务的研究与开发活动。
Sequenom是一家创建于德国汉堡、然后在上市之前将其总部转移到美国的公司。
该公司专注于高性能DNA的研发,其MassARRAY系统将质谱技术用于若干高通量应用,包括基因类型的确定。
Dyson解释说:
“该系统完全依赖于数学和物理,数学的结论是不容质疑的。
MassARRAY是一个一揽子解决方案,同样极为灵活,它是一个在基因类型确定、SNP发现和等位基因频率确定等方面都有应用的平台。
因为它是一种定量方法,我们可用它来进行基因表达分析并进行非常准确的定量研究。
”
新型液体处理方法
随着研究人员从不同生物身上发现越来越多的基因,他们将需要更快的和更强大的筛选方法。
能够处理数量非常小的液体、能够进行重复性移液和洗涤操作的系统和仪器,使得科学家能够生产和筛选大量样品,而不会感到枯燥和繁琐。
供应商们还开发了处理样品尺寸越来越小、数量越来越大的样品的仪器和取样系统(如Microwellplates)。
使用“高通量筛选(HTS)技术”的研究人员现在又需要“超高通量筛选(UHTS)技术”,后者的样品体积在微升范围内,每盘可处理1536个样品。
Gilson公司专业提供一系列液体处理仪器,从处理少量样品的移液管(Pipetman)到进行高通量工作的系统(Quad-Z215LiquidHandler)应有尽有。
Hutchinson说:
“该公司的产品能处理的体积范围也很宽,从纳升一直到毫升。
当需要处理数量很大的样品时通常采用自动化操作,然而,我们相信,当数量很少的样品需要经过很多处理步骤时自动化也起关键作用。
”
Gilson公司最近非常关注产品的人体工学问题。
Hutchinson说:
“我们的Pipetman超级移液管使用起来更舒服。
它们比一般移液管轻,还可以用左手进行操作。
我们的Microman是一种正置换移液管,可转移从蜂蜜到二氯甲烷这样的挥发性物质等任何东西。
”
Eppendorf的液体处理仪器也采用了类似的人体工学设计。
Kroll说:
“市场现在正在寻找不仅涉及手、而且涉及整个人的产品概念。
我们的Physiocare概念首次采用了生理学方法。
”该公司不久将针对小型实验室推出一种自动化移液系统。
化验与抗体
不管实验室的大小如何,从事药物发现的研究人员都想在药物发现过程中尽早将不好的药物候选对象排除掉。
为了做到这一点,他们越来越关注基于化验系统的功能性细胞。
因为他们采用的是活细胞而不是试管中的生物化学分子,所以这样的系统可以更准确地预测一个分子在一个患者身上的行为会是怎样的。
Cellectricon公司的Lindberg说:
“基于化验的功能细胞已经存在很长时间了。
为了增加通量,并为制药工业提供很多数据信息,你需要使传感器和液体控制系统小型化。
总而言之,这样,你将能够获得更好的信-噪比,更高的通量,从而得到关于整个细胞或组织的更高质量的数据。
”
为了实现这些目标,Cellectricon公司开发了Dynaflow芯片,这是一种在微尺度上研究离子通道活性的系统。
该系统可让细胞在一个很短的时间内暴露于各种不同的溶液环境中。
Lindberg解释说:
“通过液体控制,我们既提高了通量,又提高了数据质量。
由于数据质量提高了,这种芯片能够让科学家做以前不能做的实验。
”这种新型芯片还有其他潜在的应用。
Lindberg说:
“它在微液环境中能生成虚拟微型容器。
你可生成一个像棋盘一样的两维系统,你可通过该系统来移动一个细胞或其他类型的探针。
检测时,你可使用各种不同的传感技术,如荧光技术、电化学技术或放射性同位素技术等。
”
在GPCBiotechAG和VertexPharmaceuticals等公司将其药物发现搜索工作基于基因组学之前,很多研究人员觉得基于疗法的抗体应当是一块进行研究工作的沃土。
Genentech公司推出Herceptin(一种基于乳腺癌疗法的抗体)这一事实让我们看到了抗体在医学上应用的可能性。
但是,几家曾经尝试过这种方法的公司却遇到了困难。
为了克服这些障碍,MorphoSys公司专注于完全基于人体抗体的研究工具、诊断方法和治疗手段的开发。
该公司采用了其自己的HuCAL(人类组合抗体库)技术。
该公司高级副总裁DieterLingelbach指出:
“这一技术的最大优点是这样一个事实:
超过100亿个特异性抗体已经存在,可以被迅速筛选。
其速度之快,再加上DNA是可以获得的这样一个事实,使得对任何从事抗体研究的人来说该技术都有巨大的价值,而不管他们是来自什么市场。
对研究工作而言,该技术还有另一个优势:
我们的抗体不是在动物身上产生的。
有了HuCAL,我们将不会受限于动物,我们找到抗原的高亲合力结合体的几率将会非常高。
”
药物发现和生物技术在欧洲的科学界正在蓬勃发展。
随着有相关需求的研究人员继续呼吁制造商们为他们所遇到的问题提供有创造性的解决方案,制造商们也将继续努力为世界提供新的研究工具、诊断技术和治疗方法。
信息来源:
能源开发的新思路
矿物燃料是人类在现阶段的主要能源,由于储量有限,人们一直在寻找可以替代矿物燃料的新能源。
在开发核能、太阳能、海洋能新能源的过程中,科学家和企业家们提出开发新能源的一些新思路。
在这些新思路的指导下,科学家们正在积极研究开发反物质能、电子能级能、太阳能卫星、热聚变和冷聚变及海底甲烷。
反物质能
美国航空航天局目前正致力于开发一种新的用反物质发动机推进的航天器,这种发动机的工作原理与电视系列剧的《星际旅行》中星际飞船“企业”号发动机的工作原理相同。
这种发动机还有可能作为能源,供人类使用。
美国亚拉巴马州茨维尔马歇尔航天中心的研究员达维德·内弗认为,这种发动机决不是科学幻想。
人们已经知道,当反物质与正物质发生碰撞时,这两种物质会相互抵消,并在碰撞的瞬间释放出巨大的能量。
内弗说,针尖大小的反物质与正物质结合时就会释放出难以估算的能量,困难是尚未找到收集并储存反物质能量的方法。
电子能级能
曾在哈佛大学深造的兰德尔·米尔博士在物理学和化学领域进行了深入的研究后宣称:
他发现了一个解决能源问题的独创方法,它在理论上的意义比火对人类的意义还要重大。
解决能源问题只是这一理论的副产品。
他已经找到一种可以使氢原子的电子从高能级轨道向低能级轨道跃迁的方法,在跃迁过程中所产生的能量会以紫外线的形式释放出来。
为了继续从事这项研究工作,米尔斯在新泽西州克兰伯里成立了黑光电力公司。
两家大型的公用电力企业——特拉华州威尔明顿的电力公司和俄勒冈州波特兰的太平洋电力公司现已向黑光电力公司提供了数百万美元的研究经费。
黑光电力公司现已拥有2000多万美元的研究经费。
米尔斯博士说,除了研究开发新能源外,黑光电力公司还在实验中获得了可能具有商业应用价值的“全新化合物”。
使用这种化合物制造的电池所产生的能量可能要比普通电池产生的能量至少高出1万倍。
米尔斯的热情支持者、物理学家谢尔比·布鲁尔认为,米尔斯在氢原子的电子能级方面的研究成果值得称赞,它具有一定的发展前途,应当做进一步的商业开发。
太阳能卫星
太阳能卫星的概念是美国科学家彼德·格拉泽于1968年提出来的。
20世纪70年代美国能源部和航空航天局进行了深入的研究,并把利用太阳能与航天技术有机地结合起来。
随后,由于各种原因,这一研究工作停顿下来。
近年来由于人们对温室效应气体和气候变暖问题的忧虑,以及全世界对能源需求的增长和在太阳能利用及航天技术研究的长足进展,美国航空航天局投入巨资,在许多企业的大力配合下,重新启动这一研究工作。
研究结果表明,一颗太阳能卫星可以提供数兆瓦的电能。
这种卫星配有太阳能吸收塔,其外形像一根长柱,四周装有太阳能收集器。
现在人们正在研究一种不需要太空运载器,可以通过现有的火箭把太阳能吸收塔直接送入太空轨道的技术。
解决太阳能的收集问题后,下一步工作是向地球传输太阳能。
此项试验正在地球上进行。
科学家们认为,收集到的太阳能可通过磁控管变成微波,经特种传输“通道”把太阳能直接传送到地球表面。
这项试验工作现在在印度洋岛屿留尼汪岛上进行。
与此同时,美航空航天局也在研究把来自太空的太阳能转变为电力并输入墨西哥韦拉克鲁斯市的电力供应网。
俄罗斯航天机构下属的能源科技生产公司目前正在试验“阳光反射镜”。
这种反射镜可以将阳光反射到地球上,以便延长农业耕作区的日照时间,也可为北部城市提供照明。
1998年2月,该公司试图利用“进步”火箭在太空展开一面直径为82英尺的太阳能反射镜,但因金属箔制成的镜子未能张开而告失败。
能源科技生产公司的高级顾问杰弗里·曼弗说:
“我们将总结失败的经验和教训,继续研究,同时还将开展其他商业的太空应用研究。
”
研究实践表明,微波和反射镜并不是把太阳能传输到地球表面的惟一手段。
美国航空航天局的科学家贝基正在探索研制一条长达3.52万公里的太阳能传输“线路”的可能性。
从本质上说,这条线路是地球与位于地球同步轨道的太阳能卫星之间的连接“通道”。
这条通道看上去就像一根柱子,一直延伸到遥远的太空。
贝基说,通道的管径为1/4英寸,由一种被称为“巴基管”的碳纤维材料制成。
这种材料的重量比钢轻得多,但其硬度超过钻石。
这种纤维目前仅在实验室中进行小批量生产。
科学家估计,实现这种纤维的规模生产尚需10~15年。
热聚变和冷聚变
某些预言家和科学家把希望寄托在核能上。
利用核裂变反应堆获得电力的方法往往产生大量的放射性废物。
这种废物的处置是个棘手问题,而且铀的地质储量也有限。
目前正在加速研究能变反应堆。
尽管聚变材料氘和氚极为丰富,但由于氘与氚发生核反应时,在反应堆中形成了非常强大的中子辐射,从而引起感生放射性,它虽不像铀裂变产物放射性污染那么严重,但仍有放射性废物的处理问题。
为了不产生放出中子的轻原子核反应链,为了尽量降低废物的放射性强度,科学家们提出了两种新思路:
一是改变核聚变材料。
不用氘和氚,改用氦-3(氦的同位素)和氘。
核科学家认为,建立使用“氦-3”和氘的热核反应堆可以避免中子辐射问题,这就意味着没有放射性废物产生。
专家分析,存在地球上的“氦-3”储量不大,无法满足能源需求。
据登上月球的美国宇航员获得的资料表明,月球上具有足够的“氦-3”。
它存在于月球表面的尘埃中,多达百万吨以上。
俄罗斯库尔恰托夫研究所首席专家尤里·斯米尔诺夫说,月球上的“氦-3”储量足够人类使用1000年。
现在,科学家们对从月球上获取“氦-3”来解决能源问题的方案进行了经济上的论证,用这种方法获取的每度电的成本可以与现有的方法竞争。
利用“氦-3”作为聚变材料的反应堆,目前尚未发现在技术上存在无法克服的困难。
科学家计划发射太空飞行器到月球表面收集尘埃,从中分离出“氦-3”,然后将其变成液态后带回地球。
二是开发冷聚变技术。
与热聚变的反应相比,冷聚变具有低能核反应特点。
冷聚变可用“氦-3”等作为燃料。
一些科学家相信,冷聚变将会成为一种取之不尽的廉价能源。
虽然美国犹他州大学的物理学家庞斯博士和弗莱曼博士在1989年宣布的冷聚变研究成果未能得到科学界的认可,但是美国伊利诺伊大学核物理教授乔治·米利说,他正在利用一种他认为比庞斯博士等人使用的手段还要奇异的冷聚变方法产生可以测量到的能量。
他是用钯、镍、钛和从氢气中提取的质子混合到一起,实现了“低能核反应”。
海底甲烷
甲烷被誉为未来的燃料,很可能是21世纪为人类提供电力的一种新能源。
科学家预计,全世界的甲烷储量是石油和煤炭及其他矿物燃料储量的2倍。
甲烷气体的丰富储量是近几年发现的。
在深海压力和低温条件下,甲烷是以水合物形态存在的。
甲烷是一种碳氢化合物,燃烧后产生较少废弃物。
1立方米的甲烷水合物可以释放出164立方米的甲烷气体。
近年来,已发现30多处储量很大的甲烷气体矿床,其中大多数位于深海海底,在西伯利亚和阿拉斯加的永久冻土地区也偶有发现。
埋藏在深海海底的甲烷开采难度较大,但工程师们认为,开采特别粘稠石油的新技术——蒸汽注入法适用于开采深海海底甲烷。
科学家警告说,深海甲烷是一种“危险”的燃料,它是对环境破坏作用最大的温室效应气体之一。
信息来源:
专家认为:
转基因食品并不比正常食品危险
最近,“转基因”这个词在沉寂一段时间后又开始浮出水面,进入人们的视线。
先是从4月18日欧盟开始允许在市场上出售转基因食品,只是转基因成分超过一定比例的产品必须贴上标签,这被认为是欧盟在解除对
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