化學遺傳技術的原理精選(九篇)

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第1篇：化學遺傳技術的原理范文

全同態加密、無線空白電視信號頻段、飛輪儲能、光遺傳學……以前的人們尚有權利不了解這些拗口的詞匯，但從今起，你再不能說從未聽聞過它們了。美國《大眾機械》雜志在線版近日將十組科技名詞連同其發展近況一一列出，并指出：這就是2011年人們必須知道的科技概念。

1.名詞：飛輪儲能

概念：指利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成機械能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發電機發電的儲能方式。

如果要重組我們的電網以便吸收更多的可再生能源，其前提是必須找到更好的儲存能量方式。而一種已被談論了數十年的解決方案如今正開始博取眼球――它就是飛輪儲能。

兒時玩過回力玩具車的人們可能會更好理解這種技術的基礎原理――飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質，也沒有任何化學反應發生，旋轉時的飛輪是純粹的機械運動。當然一套飛輪系統要比回力車復雜得多了，它主要包括三個部分：儲存能量用的轉子系統、支撐轉子的軸承系統以及轉換能量和功率的發電機系統。與其他形式的儲能技術相比，飛輪儲能具有使用壽命長、儲能密度高、不受充放電次數限制、安裝維護方便、對環境危害小等優點。

說起來，飛輪儲能技術的起點可不算成功，且“一誤經年”。但就在2011年，首個大型“飛輪計劃”即將展開――Beacon Power公司的“20兆瓦計劃”將于紐約裝置200個飛輪，每一個飛輪的磁懸浮球(轉子)轉速達到每分鐘1.6萬轉。

值得一提的是，飛輪儲能在技術領域大受關注，還有一部分得益于動能回收系統在世界一級方程式汽車大賽(F1)上的運用。現在的F1賽事中，又再允許各個車隊采用動能回收系統。這一部分的工作原理，是通過技術手段將車身制動能量存儲起來，并在賽車加速過程中將其作為輔助動力釋放利用。這種系統中，剎車時的動能回收后可以選擇儲存在飛輪或電池。

而從技術上講，相對于鋰電池的長期能量儲存，飛輪則更適合吸收汽車大力制動下釋放的巨大能量流。作為世界最頂尖技術集成的體育項目，為賽車打造飛輪動能回收系統的FB公司，早在2008年公布的技術參數中飛輪轉速就能達到每分鐘64500轉。

很多人認為F1引入動能回收系統是為增加超車機會、提高比賽興奮度，那就大錯特錯了。F1在領悟全世界汽車工業產業發展與保護環境這對矛盾時，毫不遜色于任何行業。國際汽聯主席馬克思?莫斯利在2006年就曾說過：“世界的趨勢正在發生改變……如果現在我們不改革，必將錯過這一趨勢，F1將變得落后，并最終死亡。”其實，該原則也同樣適用于其他所有行業。

2.名詞：無線空白電視信號頻段

概念：空白電視信號頻段(white space)，是指各電視頻道之間的無線傳輸節目的頻段。這些無線頻譜的設計初衷，是為了防止無線傳播的電視信號之間的干擾。

如果我們能看到電磁譜在空間中的狀態，必然會為它們的擁擠不堪而大驚失色。

早在2008年，在美國無線頻譜拍賣結果公布不到一周之后，互聯網搜索引擎巨頭谷歌公司就向FCC(美國聯邦通信委員會)提出一項建議，建議其將閑置的電視頻段開放用于無線寬帶接入。谷歌希望政府能夠開放閑置的電視頻段，用于無線網絡的接入服務，以擴大無線網絡的覆蓋范圍。

據稱，谷歌并不是為了發展某一任何特定業務而要求推動空白波段的使用。當時他們認為利用空白波段有多種商業模式可以應用，例如構建小型對等網絡，或者建立選擇性全國范圍的無線載波。谷歌早已看到，很大范圍的頻譜范圍沒有被利用，或者利用并不充分。而與其他的自然資源不同，這種頻譜不會消耗，如果不充分加以利用將會是一種巨大的浪費。

而更妙的是，空白電視信號頻段利用的是短波，相對于我們熟悉的無線網絡(WIFI)來講，它在面對長距離以及墻體、樹木等障礙物的阻隔時，表現的會更出色。現在，有先見之明的谷歌，已在美國俄亥俄州的一家醫院與Spectrum Bridge公司共同協作一個試點項目，建成了一種類似“智能網格”的系統。

據悉，在微軟公司的企業園區，也已經有了一個運用該技術而成的無線網絡覆蓋區。

3.名詞：水力壓裂法

概念：又稱水壓致裂法，是一種絕對地應力測量方法。

或許所有的美國人都在受益于“水力壓裂法”，盡管半數以上的人可能沒有聽說過這個名詞。

在今時今日，美國各級政府、企業對頁巖油產業的發展寄予了厚望。美國頁巖油資源極其豐富，在科羅拉多州、猶他州和懷俄明州，被鎖在頁巖之中的油存量達上萬億桶以上，而正是憑借“水力壓裂法”，以前根本不可能企及的大量頁巖油正在被開采。

這種技術方法，在測量時首先取一段基巖的鉆孔，用封隔器將上下兩端密封起來；然后注入液體，加壓直到孔壁破裂，隨之記錄壓力隨時間的變化，并用印模器或井下電視觀測破裂方位。根據記錄的破裂壓力、關泵壓力和破裂方位，利用相應的公式算出原地應力的大小和方向。

該方法于20世紀50年代就被科學家在理論上進行論證，60年代加以完善，在分析了壓裂液滲入的影響后，開始作出大量野外和室內實驗工作。由于水力壓裂法操作簡便，且無須水力壓裂法知道巖石的彈性參量，而得到廣泛應用。由于頁巖油在美國的戰略資源地位和自身需求，美國已進行很多水力壓裂法地應力測量，德國、日本和中國現在也已相繼開展此項工作。資料顯示，目前利用此法已能在5000米深處進行測量。

4.名詞：醫用同位素匱乏

概念：同位素是一種放射性元素，它是核醫學顯像研究中應用最廣泛的放射性元素，可檢測癌癥、心臟病以及其他多種疾病在患者體內的擴散程度。

作為核醫學顯像研究中應用最廣泛的放射性元素，醫用同位素僅在美國，每天就要應用于至少5萬項醫療程序。

全世界約三分之一的醫學影像用“萬能核素”――锝99m，都是由加拿大喬克里弗核反應堆提供的。锝99m由于能夠在人體內迅速衰變，而產生的輻射劑量卻很小，成為了很多核醫學檢查的理想核素，如監測心血管血流以及癌細胞在骨組織中的擴散。

不過，在2009年，喬克里弗核反應堆因發生重水泄漏需要關閉一段時間，加拿大政府于當年6月曾宣布其要停止喬克里弗核反應堆的運行，同時退出醫用同位素生產領域。當時他們認為，其東部安大略省的喬克里弗核反應堆已經有50多年的歷史，正常運行已經難以保證。

在那一年宣布“罷工”之時，卻沒有另一座替代核反應堆的出現。加政府的資金只好先用于喬克里弗核反應堆的維修，期望延長其壽命。此時已有人們擔心，加拿大最終關停這一核反應堆、徹底退出醫用同位素生產領域后，可能導致全球性醫用同位素供應短缺，從而引發醫療危機。

盡管維修過程進展緩慢，但在去年，這座反應堆經過15個月的停堆維修后，重新啟動運行。這使那些嚴重依賴核醫學的醫療機構得以暫緩一口氣。然而，核醫學界已發出嚴重警告，喬克里弗反應堆最終將于2016年徹底關閉，而目前，尚無替代方案。

5.名詞：復合事件處理

概念：可看作一種處理串流(Streaming)的數據庫處理。在關系數據庫中所處理的資料是有許多行(Row)的數據表(table)，復合事件處理將事件串流當作是數據表來處理，事件類型里的屬性相當于數據表的字段。

對于政府和企業來講，處理包含海量信息、圖片的龐大數據，已是例行公事。但現在，這一模式正在發生變化。

以高吞吐量、高利用性、低延遲度為目標的復合事件處理，能夠不僅僅處理單一的事件，也處理由多個事件所組成的復合事件。相較于以往簡單事件，復合事件處理監測分析事件流(Event streaming)，當特定事件發生時才去觸發某些動作。

關于“復合事件”的概念，史丹佛大學的戴維?盧克漢姆與布萊恩?弗萊瑟卡早在上世紀90年代就已提出，在理論的架構中，使用模式比對、事件的相互關系、事件間的聚合關系，目的則是從事件云(event cloud)中找出有意義的事件，以便更加彈性使用事件驅動架構，并使企業或政府快速的開發出較復雜的架構。

以往，使用關聯式數據庫時，先將數據存入關系型數據庫，再用某些語法將數據庫里的數據表做處理；而像提供符合事件處理的StreamBase公司和Tibco公司，則再把處理數據的過程提前，不用通過保存的動作，就在串流中將事件做處理。因此采用的語言也不同。

證券交易、恐怖活動監視、可疑信用卡停用等等，運用復合事件處理的項目不一而足，而該方式的另一個優點就是模式比對的能力――找出事件中各集合的活動、歷史事件中的因果關系、邏輯運算等等，觸發新的事件反應，讓企業或政府能夠達到實時決策。而這些對比查詢過程，都在內存內進行，不須經由儲存裝置。

6.名詞：光遺傳學

概念：結合遺傳工程與光來操作個別神經細胞的活性。

到目前為止，要刺激特定的神經元，研究人員依然只能依靠電脈沖這種不精確和難以控制的技術。這也恰恰是光遺傳學這塊新領域讓人興奮的原因。光遺傳學是研究人員使用一種新的光控方法選擇并打開了某種生物的一類細胞，這對于脊髓中某類神經元的特殊功能的研究同樣提供了啟發。

借助光纖和設計的病毒，研究者便能高度精確地對神經元進行刺激。這也將令移植技術獲得諸如接管因為外傷或中風而受到損傷的大腦區域的功能之類的發展。其原理是：首先，一個被設計出來、旨在當某些特定神經元被光擊中時激活它們的病毒被注入大腦，然后研究人員便能夠通過一條連接著電極的光纖纜繩向大腦發出光線，按照意愿控制神經元的開閉。

可以說，光遺傳學開辟了一個新的讓人激動的研究領域，人們得以挑選一種類型的細胞然后發現其功能。相關的研究一開始使用老鼠進行試驗，但現在研究人員已經把該技術應用到猴子身上。美國國防部高級研究計劃局最近更是宣布了一項旨在運用光遺傳技術幫助傷殘老兵的項目計劃。

同時，光遺傳學也幫助科學家解答一個長期存在的難題，即關于脊髓中某類神經元的特殊功能的研究。作為工具，其能夠激活清醒哺乳動物的單一神經元，并直接演示神經元激活表現出的行為結果，從而使得研究人員能夠獲得關于脊髓回路的一些重要信息。再接下來，則是將光遺傳學研究中的新技術，推廣到所有類型的神經細胞，比如大腦的嗅覺、視覺、觸覺、聽覺細胞等。

7.名詞：機械響應聚合物

概念：可感知和回應環境的“智能”材料。簡單的說，是被施加了機械力后，發生化學反應的聚合材料。其發出的信號可以變色，而這緣于內部一種特殊成分破裂后引起的化學反應，因此可借以看到材料的損傷情況。

據《大眾機械》描述，以美國為例，基礎設施需要全部更新，但很顯然一切不可能一蹴而就，因此需要一個可靠的算法讓人們知道哪一部分結構會最先崩潰，以便安排最為合理的改造計劃。這時候，我們就可以拿出“機械響應聚合物”這項技術。

當機械響應聚合物這種材料受到力的作用時，它會改變顏色，因而可以看到材料的損傷程度。這個現象的原理可以用于許多場合，除了大方面的基礎設施改造，還可用于各種物體的涂層，從橋梁到機翼，甚至對起重行業的鋼絲繩進行檢測，以維護高危險度作業的安全。

對于工程師們而言，這項技術令他們大松一口氣，因為該材料可降低其在關鍵結構中的過失疏忽。而且，當金屬和混凝土材料開始腐朽和無法承重時，眾多小裂縫是典型的提醒信號，但是在一般情況下，塑料斷裂前幾乎不會有任何征兆。而現在，機械響應聚合物的變色將在其斷裂前給出預警。

在2010年8月，美國伊利諾斯大學的研究人員公布了對變色聚合材料的研究成果，就為更好地進行鋼絲繩的檢查和探傷鋪平了道路。其在自修復功能材料研究基礎上進行擴展，利用包括環氧樹脂涂層、纖維復合材料和橡膠等，過程則是通過共價鍵將化合物螺吡喃巧妙融合到聚合材料中，當中心某種成分鏈接斷裂后，其從吸光形式轉變成可見光譜，就使顏色發生變化。盡管該技術還沒有達到商業應用的水平，但卻為開發出損傷探測的有效方法鋪平了道路。

8.名詞：手機診斷

概念：這種手機不僅具備普通手機那樣接打電話的功能，還可作為一種醫療器械產品使用。

時至今日，對于廣大發展中國家而言，訓練有素的醫療護理依舊是僧多粥少，但手機卻早已經成了大路貨。實際上，地球上80%到90%的人現在都生活在移動通訊塔的覆蓋范圍之內。這也讓手機成為將現代醫學帶進偏遠貧窮地區的有力工具。

在一項由麻省理工學院旗下組織SanaMobile和Click-Diagnotics負責的先驅性研究，便是讓農村地區的醫療工作者把X光等醫療信息，通過手機遠程傳輸給外地的專家，幫助其完成診斷；此外，加州大學伯克利分校的科學家與洛杉磯分校獲得項目突破獎的研究者，已經將廉價顯微鏡的配件與普通手機組合起來，使之可以即使記錄和分析顯微鏡圖片，以檢測出瘧疾病毒或結核病病菌。這款伯克利分校設計、并成為手機顯微的的診斷工具，將在今年開始實地測驗。

而同樣是在加州，加利福尼亞州最大電訊公司Qaulcomm開發出一套無線醫療服務新軟件，但凡在加州擁有一只上網手機的人使用Qualcomm電訊公司開發的醫療服務新軟件系統，即可隨時隨地解決健康問題。

9.名詞：同態加密

概念：以往加密手段的一個弊處在于它通常是將數據保存在盒子內而不讓外界使用或者分析數據，除非使用解密密鑰將盒子打開，而完全同態加密方案可以讓你在數據加密的情況下對數據進行分析和計算。

IBM的工程師們近日突破了一項折騰他們幾十年的老大難問題：如何對數據進行加密，這樣其他人可以進行排序和搜索，而無需實際揭示它的內容。

如果說，一種加密算法，對于乘法和加法都能找到對應的操作，就稱其為全同態加密算法。換句話說，它的意義就在于，對于允許任意復雜的明文操作，都能構造出相應的加密操作。但直到目前還沒有真正可用的全同態加密算法，因為“在同步加密方案成為實用工具前，還需要進行很多理論上的工作以提高其效率”。不過，IBM的研究員已使其該方向上前進了一大步，有效性已在逐步改善。

隨著云計算將在未來變得越來越普及，同步加密技術將允許公司將敏感的信息儲存在遠程服務器里，既避免從當地的主機端發生泄密，又依然保證了信息的使用和搜索。用戶也得以使用搜索引擎進行查詢并獲取結果，而不用擔心搜索引擎會留下自己的查詢記錄。

這項技術的關鍵點在于“雙盲”設計――可以檢測加密漏洞并進行修復，而不會造成信息泄露。而最好的消息還在于，它能夠在幾分鐘之內部署在普通的電腦上，而非成為那些天價超級計算機的專屬。

10.名詞：100GBPS光纖

概念：GBPS，千兆比特每秒，作為交換機的背板帶寬單位，其代表了交換機接口處理器或接口卡和數據總線間所能吞吐的最大數據量。目前，100GBPS光纖的應用和部署正在日益加快。

感謝智能手機這類堪稱數據饕餮的電子產品，整個世界正陷入到對帶寬的無限饑渴當中。

幸運地是，新一代光纖能夠滿足這個巨大的需求，它將令人類從現在的10GBPS到40GBPS的速度一躍邁入100GBPS的傳輸新時代。屆時，同步轉播1.5萬個高清電視頻道亦毫無壓力。由于新的光纜在極化和光脈沖相位中分別編入了2個比特而不是1個比特，所以每個信號可以包含的數據數量增加了4倍，并且還減少了電纜中微觀缺陷的影響。

目前，阿爾卡特-朗訊公司已經在兩所德國大學之間進行了38公里距離的測試，并單獨在達拉斯的威瑞森公司進了100GBPS以太網設備的檢測。現在，高速率光纜已經商品化，或許在未來幾年，就能夠傳送你所使用的信息。