生物芯片（共12篇）
生物芯片 篇1
生物芯片的原名叫核酸微阵列, 是一种芯片技术, 就是借助微加工和微电子技术, 将大量已知序列的核酸或蛋白质片段有序地组合在一个微小基片表面。通过与标记的核酸或蛋白质分子进行反应, 分析待检标本的相应成分, 属免疫学范畴。生物芯片是生物材料的集成, 像实验室检测一样, 在生物芯片上检查血糖、蛋白等, 是基于同样的生物反应原理。所以生物芯片就是一个载体平台, 这个平台的材料有硅, 玻璃, 纤维素膜等, 平台上摆满了各种生物材料。也就是说, 原来要在很大的实验室中需要很多个试管的反应, 现在被移至一张芯片上了。
美国的科研人员研制的可植入生物芯片, 就是将只有米粒大小的生物芯片植入士兵的体内, 当士兵在战场上受伤时, 能够及时获知伤员的健康状况, 大大提高抢救成功率。另外, 这种植入性生物芯片还可以用来监测航天员的健康指标以及长期监测糖尿病人的血糖。为了降低人体对生物芯片的排异, 科学家们用凝胶体仿制成人体组织, 顺利解决了这个难题。
经预测, 可植入生物芯片技术大约在五年内开始人体实验, 这项技术的研发有着极其重要的意义, 它给医护人员及时获得伤员的生命指标, 正确及时地采取救护措施, 提供重要的依据。
生物芯片 篇2
方法 分别选取50例来我院进行肝炎病毒检测、艾滋病毒检测和鳞癌检测的患者，总共150例对象，通过用基因芯片进行诊断，来与一般的检测方法进行比较，从而进行效果分析。
结果 经统计，这些经生物芯片检测的患者，其病毒和癌症的检测敏感性分别100%、98%和94%。
而且生物芯片检测在早期诊断中就有很好的检测效果，与一般检测相比具有灵敏度高、分辨率好的特点。
借助生物实验激活生物课堂 篇3
[关键词]生物；实验；教学
生物学是一门以实验为基础的学科。通过实验可以解释现实生活中的许多自然现象，也可以更清楚地认识到各种生物体的结构构成并能解释生活中许多现象，还可以得到一系列的生物学理论知识。只有不断加大生物实验教学的力度，强化实验规则和技能，才能更好地激活生物课堂。
一、明确实验目的，指明实验方向
七八年级的学生上实验课只是觉得可以摆弄一些仪器设备，觉得好玩，态度不认真，往往导致生物实验课不能按时进行或是流于形式，没有好的成效。因此，要从根本上解决问题，让学生在明白生物实验在教学过程的作用和在生产生活中的重要意义。生物课实验内容要与教学大纲相呼应，最好设计与课堂教学知识相关的项目，做到理论与实践相结合，课内学习与实验教学相统一，每一个实验都要有一个明确的目的。如：在七年级上册生物实验《生态系统和生物圈》中的实验活动“调查一个生态系统”，其实验目的是“记录一个生态系统的充分，了解生态系统的组成。初步学会调查的方法”。这样就明确了实验的目的，给实验活动指明了方向。
二、划分实验小组，选好骨干同学
由于实验中经常会有外出调查和实地观摩等活动，调查和观摩往往有很大的涉及面，要记录不少的数据，需要多人合作才能完成。这就要成立调查合作小组，明确每个小组成员的任务，分工合作、协调一致。对于七八年级的学生来说，生物实验有些陌生，教师可以事先培养好学生骨干，然后由这些骨干带着其他学生一起来做实验，让他们更快、更好地掌握使用方法和操作要领。在接下来的实验活动中，让这些活动小组都能尽快地行动起来。采取这样的活动分组，可以强化合作意识，促使学生养成良好的习惯。
三、指导实验步骤，规范操作流程
实验是一个不断探索的过程，需要实验者在明确该实验的基本内容、步骤、注意事项的基础上进行有条不紊的操作并不断学习以达到实验的预期目的。规范操作和实验步骤是相互依赖的，只有理解、掌握实验步骤才能规范操作，实验才可能成功。要先写好调查计划，包括调查目的、途径、内容、记录四个方面。还要准备好调查的材料用具（玻璃瓶、网兜、培养皿、望远镜、铲子、放大镜、照相机、记录本和笔等）。实验前，要让学生做好对实验内容的预习，把相对复杂的实验拆分成几个部分这样有利于实验的成功。有时候还需要设计一些调查问卷。调查结束后要写好调查报告（包括时间、地点范围、调查人、调查提纲、调查结果、分析与建议等）。实验结束以后，还要组织学生完成“讨论和思考”的练习。
四、做好实验小结，反思实验过程
实验结束前，可用几分钟时间让学生们讨论一下实验成功的技巧与失败的原因、健康的生活方式以及如何落实到实际中去，克服困难，自觉做好实验和探究报告，达到教育的真正目的。如在进行了“记录一个生态系统的充分，了解生态系统的组成”实验后，可以学生们思考并讨论：进行一项调查活动，需要做好哪些准备工作？你觉得本次调查活动的关键过程是什么？在这次调查活动中，你有哪些收获和不足之处？
五、设计好实验作业，拓展学生能力
为巩固实验成果，要在实验结束后设计好实验作业。布置作业时，应精心设计“刚性作业”和“柔性作业”，培养学生的实验积极性，发展学生的思维能力和创造能力。“刚性作业”通常指的是需要背诵、识记积累的基础知识，是教材中的生物学概念等；“柔性作业”是指课外延伸的拓展型作业，是对课内外教学内容进行科学整合和合理搭配，并对学生作业进行灵活评价，从而提升作业趣味性。例如，在实验课《环境影响生物的生存》之后，教师设计了概念型的作业：影响沙漠植物生存最主要的非生物因素是（ ）A.温度B.光照C.水分D.土壤。这就是“刚性作业”，是需要学生识记的知识点。另外，教师又设计了一个“思维冲浪”的作业，假如在阳光充足的地方放置两盆仙人掌，对A花盆几乎不浇水，对B花盆每天早晚各浇水一次，两周后，发现B花盆里的仙人掌可以腐烂，请同学们分析：1.影响仙人掌生存的主要因素是什么？2.在这个实验中，A花盆的作用是什么？这就是“柔性作业”，可以培养学生用生物学知识解释生活问题的能力，拓展学生思维的广度和深度。
生物芯片技术的发展 篇4
关键词：概念,应用,制备使用,发展展望
一、生物芯片的概念
生物芯片技术是通过缩微技术, 根据分子间特异性地相互作用的原理, 将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统, 以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。按照芯片上固化的生物材料的不同, 可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。目前, 最成功的生物芯片形式是以基因序列为分析对象的“微阵列”, 也被称为基因芯片或DNA芯片。
二、生物芯片技术的应用价值
1、社会价值
基因芯片可为研究不同层次多基因协同作用提供手段。这将在研究人类重大疾病的相关基因及作用机理等方面发挥巨大的作用。人类许多常见病如肿瘤、心血管病、神经系统退化性疾病、自身免疫性疾病及代谢性疾病等均与基因有密切的关系。
生物芯片能为现代医学发展提供强有力的手段, 促进医学从“系统、血管、组织和细胞层次”向“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次”过渡, 使之尽快进入实际应用。
在医药设计、环境保护、农业等各个领域, 生物芯片均有很多用武之地, 成为人类造福自身的工具。
2、经济价值
美国“Fortune”杂志预测“在2005年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售额将达约50亿美元, 2010年有可能上升为400亿美元”。这还不包括用于疾病预防及诊治以及其它领域中的基因芯片, 这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。
由于生物芯片的重大意义和巨大的商业价值, 北美和欧洲许多国家的政府和公司投入大量人力物力来推动此项研究工作。如美国的国立卫生研究院、商业部高技术署、国防部、司法部和一些大公司以及风险投资者投入了数亿美元的巨资。生物芯片以及相关产品产业有可能成为下一世纪最大的高技术产业之一。
3、科研价值
(1) 高密度芯片的批量制备技术:利用平面微细加工技术, 结合高产率原位DNA合成技术, 制备高密度芯片是重要的发展趋势。
(2) 高密度基因芯片的设计将会成为基因芯片发展的一个重要课题, 它决定基因芯片的应用和功能。利用生物信息学方法, 根据被检测基因序列的特征和检测要求, 设计出可靠性高, 容错性好, 检测直观的高密度芯片是决定其应用的关键。
(3) 生物功能物质微阵列芯片的研制:发展高集成度的生物功能单元的微阵列芯片, 特别是发展蛋白质、多肽、细胞和细胞器、病毒等生物功能单元的高密度自组装技术, 研制和开发有批量制备潜力的生物芯片制备技术。
三、生物芯片的制备使用
1、芯片制备
生物芯片的制备主要依赖于微细加工、自动化及化学合成技术。根据不同的使用要求, 可以采用微加工技术在芯片的基底材料上加工出各种微细结构, 然后再施加必要的生物化学物质并进行表面处理。而更为简单的芯片制备如DNA芯片的制备, 则是在基底上利用自动化或化学合成方法直接施加或合成必要的生物化学物质, 对基底材料并不做任何微细加工。通常比较典型的DNA芯片制备方法有4种:光引导原位合成法、化学喷射法、接触式点涂法、合成DNA探针法。不管何种方法, 目的都是希望能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置上。
2、核酸样品的制备
分离和纯化核酸样品并不是一件容易的工作, 它包括了细胞分离、破胞、脱蛋白、提取DNA等多方面的工作。在细胞分离方法上较突出的有过滤分离和介电电泳分离等。
3、检测方法
目前, 常用的芯片检测方法有芯片毛细管电泳分离检测和亲和结合分析。对DNA芯片而言, 亲和结合分析主要是通过核酸之间的杂交结合来进行的。杂交的复杂程度取决于芯片上探针的长度和被测DNA片段的长度以及DNA二级结构的稳定度。利用杂交可进行杂交重复测序、DNA突变检测和基因表达分析。但对于基因芯片的制作者和用户来说, 在芯片上从事杂交目前所获得的结果并不是很完美的, 还存在着一些问题。
4、信息采集
目前, 大多数的DNA芯片分析采用的是荧光检测。荧光检测重复性好, 是目前研究人员广泛使用的一种方法。除此之外, 还有飞行时间质谱仪、光波导、二极管阵列检测、直接电量变化检测等。
四、生物芯片技术的发展展望
生物试题之生物进化 篇5
选择题：
21.一个生态系统无论大小，都是由( )。
A.生产者、消费者和分解者组成的B.动物和植物组成的
C. 生物部分和非生物部分组成的 D.所有生物组成的
22.东北某林区，山底是落叶阔叶林，中部是红松林，山顶是冷杉林，造成这种分布状况的主要因素是：
A.阳光 B.水 C.温度 D.土壤
23.你在探究“光对鼠妇生活的影响”实验时，如何保证实验结果的不同只是由于光照的不同而引起的?
A.实验中保证充足的光照 B.给以不同的光照和湿度
C.实验中只设定光照这一个变量 D.除了光照不同外，还要给以不同的营养
24.要想最经济的利用生产者固定下来的太阳能，应选择哪一组食物结构?
A.鱼和鸡蛋 B.谷物和蔬菜 C.兔肉和水果 D.豆腐和牛肉
25.小亮调查完公园的生物种类后，将有关的生物分成了动物、植物和其它生物三类。他所采用的分类依据是
A.生活环境 B.形态结构 C.生物用途 D.个体大小
二.非选择题
26.(10分)请你帮忙：
(1)请将下列现象与相应的生物特征用线连接起来。
①老鼠见到猫就逃 a.生物的生活需要营养
②鲸呼气时产生水柱 b.生物能对外界刺激作出反应
③动物每日排尿和排便 c.生物能进行呼吸
④鸽子长大能产蛋并孵出小鸽 d.生物能排出身体内产生的废物
⑤园丁常给花草施肥 e.生物能生长和繁殖
(2)判断是非(用√或×表示)
①所有的生物的生存只需要阳光和营养物质。 ( )
②收集和分析资料是科学探究中常用的方法之一。 ( )
③生物与环境之间彼此孤立，互不影响。 ( )
④无论哪种生态系统，主要的消费者都是野生动物。 ( )
⑤生态平衡是指各种生物因素不能变化的平衡。 ( )
高中生物学中的“生物放大” 篇6
关键词 高中生物学 教学 生物放大
中图分类号 Q-49 文献标志码 E
1973年“生物放大”的概念被广泛应用，其含义是通过捕食食物链的逐级积累，使某物质的含量逐渐增大。这是特指的“生物放大”现象。事实上，“生物放大”的现象是普遍存在的。如小分子物质生成大分子物质、低能量转变成为高能量、群落的演替、生物的进化、生物的个体发育过程中遗传信息的放大都属于“生物放大”。这是泛指的“生物放大”现象。在生物学教学中，教师应当完整、准确地理解生物放大的科学含义，不断发展生命科学理论。
1 物质的浓度放大
1.1 C4植物对CO2浓度的放大
C4植物利用将CO2固定在C4化合物中，C4化合物经过一系列变化后，又将CO2释放出来。该过程的生理意义在于，C4途径中能够固定CO2的酶对CO2有很强的亲和力，可促进PEP将大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，并使得C4集中到维管束鞘细胞内的叶绿体中，供维管束鞘细胞内的叶绿体中C3途径利用。科学家将C4植物的这种独特作用比喻为“CO2泵”，它将空气中浓度较低的CO2转变成了浓度较高的CO2，通过放大CO2的浓度，提高了光合作用效率。
PEP的再生需要ATP提供能量。这时ATP的水解产物是AMP而不是ADP，所以相当于2个ATP转化为ADP的能量。因此，在C4途径的运转中，每同化一个CO2，要消耗5个ATP和2个NADPH。由此看出，C4途径的运转较C3途径有更高的能量需求。
由此还可以判断，在光强较弱以及温度较低的情况下，C4植物并不占优势。
1.2 有毒物质通过食物链的富集作用而发生放大
DDT是一种人工合成的有机氯杀虫剂。发明DDT的瑞典科学家Müller由于这项成果获得了诺贝尔奖金。人们最初将DDT应用在农业生产实践上，后来又应用在军事上，都获得了十分理想的效果。但DDT的化学性质十分稳定，不易分解且易扩散，易溶于脂肪并在动物的脂肪组织中积累，从而对人体造成损害。
DDT进入人体的途径有2条：
① 通过植物的茎叶及根系进入植物体，植物被草食动物摄食，草食动物再被肉食动物摄取，逐级浓缩；
② 喷洒的DDT落在地面上，先进入土壤动物，再进入食虫动物最后通过肉食动物捕食逐级积累浓缩。
一句话，DDT是通过牧食食物链进入人体，在人体内得到积累浓缩。这就是人们说的“生物放大”作用。食物链越复杂逐级积累的浓度就越大，呈现倒金字塔型。
在美国的Michehigan湖，湖底的淤泥中DDT浓度为0.014 mg/L，浮游动物体内已增加10倍，最后在吃鱼的水鸟体内，DDT的浓度已上升到98 mg/L。营养级越高富集的能力越强，放大量也越大。
1.3 通过细胞膜使无机离子浓度放大
在人体的红细胞膜上含有一种“Na-K泵”的载体，人的红细胞中K+的浓度比血浆中的K+浓度高出30倍，而红细胞中的Na+浓度却比血浆中的Na+浓度低6倍。可见，红细胞具有不断积累K+的能力，而造成细胞内K+的浓度放大。
2 生命活动的空间放大
2.1 膜面积放大
由粗面内质网上的核糖体合成的蛋白质中，有一部分作为分泌蛋白排出细胞外，在细胞外发挥作用。科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，曾经做过实验：将豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3 min后被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中，17 min后，出现在高尔基体中，117 min后，出现在靠近膜内侧的运输蛋白的小泡中，以及释放到细胞外的分泌物中。这个实验说明了分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网——高尔基体——细胞膜的方向运输的，揭示了先是内质网的膜面积放大，之后缩小再恢复；然后是高尔基体的膜面积放大，之后缩小再恢复；最后是细胞膜的面积放大，之后缩小再恢复到原来的膜面积。
2.2 在动物竞争中，战胜者的领域放大
在动物间的竞争中，由于对双方都不利，因此，自然界的生物形成了很多减少甚至避免竞争的形态和适应行为，从而放大自己的生存空间。比如从植被的垂直剖面上看，动物常常只局限在一定的空间觅食。这种空间分离是由动物的形态和行为特化引起的，可使得每一物种都限定在一定的生态环境中活动，并且利用特定部位的资源。
通过食物的特化避免竞争：绿啄木鸟和椋鸟的食物不同，啄木鸟吃蚂蚁，椋鸟吃昆虫的幼虫。
通过空间的垂直分离避免竞争：鳾在树干和大树枝上取食昆虫的幼虫，而鹟从一个停歇点起飞捕捉飞行中的昆虫。
通过空间水平分离避免竞争：森莺和柳莺各有自己的取食领域，彼此间互不侵犯。
在空间分离的情况下，如果对应的两个物种中有一方不存在，另一方就会扩大自己的垂直或水平活动范围。
3 物质和能量放大
该种放大现象较典型的是绿色植物的光合作用。绿色植物通过叶绿体，利用光能将二氧化碳和水合成以糖类为主的有机物。若从能量角度看，光合作用属于吸能反应。这是因为反应物中的势能低而生成物的势能高，揭示了从势能小的向势能大的一方放大。小分子的有机物也可向大分子的有机物放大或能量低的向能量高的一方放大。如葡萄糖合成淀粉、氨基酸合成蛋白质、甘油和脂肪酸合成脂肪等反应均属有机小分子放大为有机大分子。在此过程中，也使得含能量较少的小分子有机物向含能量较多的大分子有机物放大。
4 发育过程放大
4.1 蛋白质对遗传信息的放大
遗传信息存在于DNA分子中。DNA的基本功能有2个：① 通过半保留复制，在生物的传种接代过程中传递遗传信息；② 使遗传信息以一定的方式反映在蛋白质的分子结构上，也就是决定蛋白质的结构。遗传信息通过亲代的有性生殖细胞传递给子代，在子代的个体发育中，遗传信息指导着蛋白质的合成，从而使子代和亲代在性状上相似。遗传信息是用肉眼看不见的，其物质基础是基因上的一段脱氧核苷酸，性状是蛋白质的结构，是一种具体的性状。这样，从看不见的遗传信息到蛋白质的结构，这就是遗传信息被放大。
4.2 植物体对全能细胞的放大
植物细胞具有全能性，即一个植物细胞可以发育成为具有根、茎、叶的植物体。科学研究表明，当植物细胞脱离了原来植物体后，在一定的营养物质、激素和其他外界条件作用下，就可能表现出全能性，发育成完整的植株。
1958年，美国科学家F.C.Steward将胡萝卜的韧皮部的一些细胞进行培养，由于细胞分化而最终发育成完整的新植株，使得植物的离体器官或组织放大成为植物体。
4.3 群落演替放大
群落演替的类型有不同的划分标准。高中生物学是按照起始条件来划分的，这类演替是群落从简单到复杂的变化过程。这里以美国的密执安湖沙丘上的群落演替为例，来说明原生演替的过程：
沙丘是湖水退却后逐渐暴露出来的，因此，沙丘上的基质条件是裸地性质的，从未被任何生物群落占据过。湖水退却过程中的不同时期时所形成的陆生群落沿着湖边向外围的方向上形成一个演替系列。
植物群落学家H.C.Cowles（1899）进行了最早的植物群落演替研究，动物群落学家Shelford（1913）进行了动物演替研究。沙丘上的先锋群落由一些先锋植物和无脊椎动物构成。随着沙丘暴露时间的加长，它上面的群落依次为松柏林、黑栎林、栎—山核桃林，最后发展成为稳定的山毛榉—槭树群落。群落演替开始于干燥的沙丘之上，最后形成冷湿环境型群落环境，形成富有深厚腐殖质的土壤，土壤中出现了蜗牛和蚯蚓。在此过程中，少数动物可跨越两个或三个演替阶段，更多的则是只存留一个阶段就消失了。
演替过程进行的十分缓慢。据Olson（1958）估计，从裸露的沙丘到稳定的森林群落（山毛榉—槭树林），大约经历了1 000年的历史，使得沙丘最后成为稳定的顶级群落，这是原生演替被放大。
参考文献：
[1] 武维华.植物生理学[M].北京：科学出版社，2012：171-175.
[2] 杨持.生态学[M].北京：高等教育出版社，2010：256-259；156-157；158-162.
生物芯片 篇7
针对发展生物技术及产业的难得历史机遇, 科技部中国生物技术发展中心的《中国的生物技术与生物经济》一文中指出, 我国的生物技术产业也在迅速崛起, 2008年全国生物技术产业总产值突破8000亿元, 生物技术人才初具规模, 目前拥有国家、部门和地方政府资助的生物技术重点实验室近200个, 技术和产品研发人员2万多人。
————数据————
转基因作物种植面积380万公顷, 落后于发达国家
自1996年转基因商业化以来, 全球共种植了近10亿公顷的转基因作物, 尤其是最近几年, 种植规模逐年扩大, 发展速度惊人。据中国农业新闻网数据, 2008年美国3530万公顷全国玉米作物中有85%为转基因作物, 其中78%为双性状或三性状杂交作物, 只有22%为单一性状的杂交种。转基因棉花在美国、澳大利亚和南非的全国种植面积占到90%以上, 双性状复合型占到美国所有转基因棉花的75%, 澳大利亚为81%, 南非为83%。2005年, 转基因作物的全球市场价值为50多亿美元, 2009年猛增到85亿美元, 转基因作物的推广带来了巨大的社会和经济效益。以美国为例, 美国通过转基因技术实现了谷物生产低成本和高品质, 在世界谷物贸易中长期占据霸主地位, 抢占了世界62%玉米市场和60%大豆市场。
我国在转基因品种的培育以及商品化推广等多个方面还远远落后于美国等发达国家, 但我国有丰富的作物种质资源, 作物种质资源总量达39.2万份, 从1986年至2005年, 我国对已有的作物物种资源共进行农艺性状鉴定35万余份 (如表1) 。
2020年石油和天然气对外依存度将分别达到60%和34%
缓解能源压力, 开拓生物质新时代, 需要生物技术强有力的支撑。据生物技术发展中心预计, 2020年, 随着经济发展、城市化进程加快和人民生活水平的提高, 我国一次性能源需求将在25—33亿吨标准煤之间, 最少是2000年的一倍。2020年前至少要新增年产煤炭7—10亿吨, 否则会重新出现煤炭供应紧张的严峻局面。2020年, 我国石油消费量将达到4.5—6.1亿吨, 国内可供量1.8—2.0亿吨, 天然气需求总量将达到1450—1650亿立方米, 进口量为500—600亿立方米, 两种重要能源的对外依存度将分别达到60%和34%。因此, 必须发展新能源和再生能源。生物质能源是最重要的一种替代能源, 美国等一些国家提出发展“氢经济”。开发和利用可再生的生物质能, 以燃料酒精、生物柴油部分代替汽油, 以沼气代煤和天然气, 将为缓解能源压力提供强有力的支撑。
专利成果占全行业17%, 前景可期但成果产业化堪忧
中国生物医药产业作为政府有意培育的一个战略性新兴产业, 近年来产业规模不断扩大, 并保持高速发展态势。据科学技术部中国生物技术发展中心数据显示, 我国生物产业总规模已经超过万亿元。过去5年, 如表2, 我国生物医药产业规模增长了2倍, 研发经费增加了4倍, 国际上发表论文增加了6倍, 申请临床研究的药物数量增加了8倍, 专利数量增加了10倍。预计到2020年, 我国生物医药产业将达到6万亿元的规模。
然而, 生物医药科研成果的产业转化状况不理想正成为困扰产业发展的瓶颈。生物医药研发经费占医药产业整体研发经费的比重不到15%, 却发表了包含生物技术、临床医学和基础医学在内的占全行业43%比重的论文;相比之下, 其专利成果仅占了全行业的17%, 而且这一比例还有下降的趋势。这种研发成果在论文和专利上比重差距较大的现状, 暴露出我国生物医药研发成果产业化能力的薄弱。
————分析————
保障食物安全, 生物途径最有效
预计到2020年, 我国人口将达到14.5亿, 要保障这么多人的吃饭问题, 粮食产量必须达到6.3亿吨。在耕地不断减少、水资源短缺的情况下, 要实现这一目标, 粮食单产必须提高40%-60%, 因此, 利用转基因技术和分子育种等培育超高产农作物新品种是最有效的途径。在保障粮食供应的同时, 还应提高农业资源利用率, 改善农业生态环境。因此, 具有抗旱基因的植物品种将大幅度增加西部地区的植被覆盖率, 再造秀美山川;抗旱作物将使10亿亩旱地变为中高产田, 抗盐植物将可能使5亿亩盐碱地变成农田。
此外, 为保障食品安全, 从根本上改善人民膳食结构, 需要生物技术强有力的支撑。我国许多农产品有害物质残留严重超标、环境污染日趋严重, 食物安全事件日益增多, 形势严峻。生物肥料、生物农药的使用将大幅度降低农业化学品的污染, 新型食品添加剂、保鲜剂的应用将大幅度提高食品的质量和安全性。
来自中国生物技术发展中心的数据显示, 2007年中国食品工业产值已突破30000亿元, 仅是农业产值 (48893亿元) 的61%, 加工水平滞后。按发达国家水平计算, 我国食品工业产值至少还有20%的潜力。挖掘食品工业潜力, 依靠生物技术形成第四代食品, 将形成25000亿元的产业, 为1000多万人提供就业机会。
生物医药技术, 防治疾病新思路
据生物技术发展中心的数据, 目前我国艾滋病感染者达到84万人, 预计到2010年艾滋病病毒携带者将超过1000万;活动性肺结核病人约450万例, 居世界第二;乙型肝炎病毒感染者超过1.2亿人, 占世界携带者的1/3;糖尿病患者超过2000万人, 血吸虫病患者达到80万人。心脑血管疾病死亡率仍持续上升, 2002年的死亡率是1953年的两倍, 恶性肿瘤和心脑血管疾病所造成的死亡占人口总死亡、劳动年龄人口总死亡、特别是最佳劳动力损失人口总死亡的60%—70%左右。人口和健康方面存在的问题堪忧, 每年出生的近1700万人中4%—6%有出生缺陷, 严重影响民族整体身体素质。基因诊断、基因治疗等现代医药生物技术的广泛应用将为预防和治疗难治性疾病提供新的思路, 并可以大幅度降低出生缺陷率。
绿色能源, 缓解资源压力改善生态环境
我国是个化石能源资源十分短缺的国家, 预计到2020年, 我国的石油自给能力无法满足国民经济和社会发展的需求, 石油资源安全和能源安全的问题将越来越突出, 严重影响经济发展和国家安全。我们只有通过节约能源、开发新的可再生替代的生物能源才能保障能源安全。
此外, 我国约85%的二氧化硫和28%的总悬浮颗粒物是由于煤炭燃烧造成的, 导致城市空气质量下降和30%的国土受酸雨危害。2000年我国二氧化碳排放量居世界第二, 占世界总量的13%。如果保持现有的资源利用和污染排放水平, 到2020年, 资源利用对生态环境的影响将是现在的4.4-4.8倍;到2030年前后, 中国二氧化碳的排放量有可能超过美国, 居世界第一位。如果保持现有环境质量, 资源利用率必须提高4—5倍。利用生物能源, 可以减少环境午饭, 同时生物技术大幅度增加绿色植被, 吸收CO2将从根本上净化空气, 减缓气候变暖的趋势。
水土流失也是我国很重要的生态环境问题, 我国水土流失面积为356万平方公里, 占国土总面积的1/3;全国沙化土地169万平方公里, 约占国土总面积的18%, 需要发展抗旱、抗盐碱的生物新品种, 增加地表覆盖;遏制我国土地沙化、荒漠化加剧的势头需要依靠生物技术培育抗旱、抗盐碱的生物新品种。
————建议————
生物产业与信息产业相比, 具有明显的特点, 技术垄断、市场垄断程度较低, 为广大发展中国家, 特别是生物资源丰富的发展中国家提供了一次难得的历史机遇。我国应采取重大举措, 像当年抓“两弹一星”那样抓“生物经济”, 在生物经济时代再创辉煌。
政策支持, 营造发展环境
应实施专利战略和标准战略, 加强知识产权保护, 保护国内市场, 开拓国际市场。尽快制定具有我国自主知识产权的生物技术产品标准, 建立检测技术、安全监控、安全预警、风险评估、进出口监控体系, 提高我国生物技术产品国内市场占有率和国际竞争能力。同时营造有利于生物技术产业发展的环境。并大力发展生物技术中介机构, 为加速生物技术成果的转化和产业发展提供良好的服务。
人才培养, 打造产学研队伍
应牢固树立人才资源是第一资源的观念。实施人才强国战略, 打造一支国际一流的人才队伍。着力营造崇尚科学, 尊重人才, 激励创新, 宽容失败, 有利于人才成长的创新文化与环境。注重和加强优秀人才培养, 造就一批具有国际影响的学术带头人;造就一支既具备科技知识和长远战略眼光又了解市场和产业发展需求的科技与经济结合的复合型管理人才和科技型企业家队伍;政府、学术机构以及企业联合推动, 设立生物技术领军人物基金, 吸引和凝聚尖子人才为国服务和创业。
资金投入, 健全创新体系
应加大对生物技术研发和产业化的公共投入力度。公共投入重点支持原始创新性研究、关键技术和核心技术研发, 基础设施、共性技术平台建设, 健全国家生物技术创新体系。
建立和完善多渠道、全社会投资机制和体系。积极鼓励和吸引企业界、金融界等方面对生物技术研究的投入。在产品开发和产业化方面, 应逐步形成政府给予引导性支持, 企业和社会资金投入为主的格局, 逐步形成适合我国国情和生物技术产业发展的创业投资体系和运行机制。
国际合作, 提升研发水平
应鼓励以各种方式加强国际交流与合作, 通过积极参与国际合作与竞争, 迅速提升我国生物技术的研究开发水平。
鼓励和支持国内机构与国外机构合作, 在国外建立生物技术前沿和核心技术方面的联合实验室、研究机构, 充分发挥留学人员和华裔科学家的作用;同时, 吸引和支持国际知名大学、研究院所在国内建立分支或合作机构。
感知生物思想, 再现生物魅力 篇8
一、感知生活中的生物思想, 体会生物现实意义
生物思想是生物知识的灵魂, 生物知识则是生物思想的具体呈现, 两者是无法分割的整体。生物思想深深地蕴藏于生物知识之内, 生物教学中每一个知识点都寓于生物思想之中。然而生物思想对于高中生来说是较为抽象而高深的, 需要通过教师的挖掘和揭示, 从而让学生感知思想, 启迪智慧[1]。在实际教学中, 教师应通过生物与生活的紧密联系, 从学生熟悉的生活现象和已有经验入手, 接通生活与生物的源头, 将抽象枯燥的生物思想转变为生动形象的具体行为, 让学生体会到生物学科的现实意义。如在讲“生物生态的稳定”一课时, 很多学生对“生态系统具备自我调节功能”这一思想观点存有不解和疑问, 这时可以将日常生活中的实例引入, 让学生联系实际进行思考:人喝水多后排尿的现象;水乡人在河水中洗衣、洗澡、淘米, 可是河水仍旧很清澈的现象;著名的诗句“野火烧不尽, 春风吹又生”所描述的现象等。这些就发生在学生身边的事例, 让他们感觉到非常熟悉和贴切, 当他们对这些生活现象进行思考和探究的同时, 已经主动寻找到了生活中隐含的生物思想。
二、运用多种生物思想方法, 再现生物学科魅力
生物思想是无形而抽象的, 它是通过生物思想方法加以呈现的。因此, 在高中生物教学过程中, 要在引导学生对生物知识进行认知的同时, 注重对学生进行生物思想方法渗透与培养, 只有将知识、技能和方法进行紧密结合, 才能让学生充分感受到生物学科之无限魅力。
(1) 生物思想之“辩证统一思想”。对立统一, 是辩证法的核心, 在生物科学中这种思想比比皆是, 如生活环境与生物之间的相互依赖、相互制约的关系, 生物体功能与结构的统一等。同时, 生命活动的过程也存在着这种“矛盾运动”, 如个体生长发育是异化作用与同化作用的对立统一;促进生物进化的内因, 就是变异和遗传的矛盾;生物进化均使用的是同一“遗传密码”, 因此生命世界实际上是一种“大统一”的整体格局等。这都是蕴涵于生物科学中的“辩证统一”思想, 通过这些思想的挖掘与提示, 可以帮助学生养成辩证的思维习惯和思维方式。
(2) 生物思想之“守恒思想”。同物理和化学中的守恒思想相同, 生物学科中也存在着守恒思想, 它对学生在进行专题知识的学习中起到加快理解和记忆的作用。如在讲到多条肽链蛋白质合成时, 蛋白质方程式是运用原子守恒计算出来的, 而质量也是运用原子守恒进行计算的, 这就是守恒思想的具体表现。而如果将生命活动与守恒思想联系, 最具代表性的则是呼吸作用与光合反应。在生物教学中, 循序渐进地将这些知识与守恒思想进行转化与渗透, 从而让学生学会运用这种思想去理解有关能量转换的问题, 会使那些教学难点和学生的记忆难点迎刃而解。
(3) 生物思想之“理论联系实践思想”。生物教学的目的是让学生“学以致用”, 即如何让生物知识与生物思想成为解决现实问题的“利器”。理论联系实践的思想, 可以帮助学生加强知识与现实之间的联系, 让他们在实践的过程中对生物形成正确认识和深刻理解[2]。如在讲《细胞分裂、分化和衰亡》中《关注癌症》一节时, 可以在现实中各种罹患癌症的病例中取出一到两个典型案例来供学生分析, 通过患者的CT影像, 让学生直观地去认识细胞癌变的现象, 从而分析其诱因, 并向学生及时传授关于预防细胞癌变的常识。而讲到《遗传和染色体》时, 则可以适当导入由近亲结婚而导致畸形儿童发病率增高的现象, 使学生对遗传疾病形成一个正确的认识。
总之, 在高中生物的实际教学中, 教师应清楚地意识到, 只有让学生体会到生物思想之精髓, 才能真正理解生物科学之含义;只有让他们学会了运用生物思想去感知蕴涵在生物科学中的“美”感, 才能领略到生物科学的真正魅力;也只有让学生在学习知识的过程中不断领悟完整的生物思想, 才能使他们的思维更活跃、情感更丰富、精神更强大!
参考文献
[1]黄慧玲.“整体性思想”在高中生物复习课堂中的应用策略研究[J].中学时代:理论版, 2012, (1) :12-13.
生物芯片 篇9
一、模型存在不足, 纠正促进成长
(一) 细胞膜的流动镶嵌模型
制作细胞膜的流动镶嵌模型需要的基础知识有︰组成细胞膜的基本成分、磷脂分子的结构、蛋白质在磷脂双分子层上的分布。
第1组的代表对他们的作品 (如图1) 做了如下介绍︰“我们用深蓝橡皮泥捏成了磷脂的头部, 将橡皮泥附着于白纸上, 将白纸中间剪开制成磷脂的尾部。用红色的橡皮泥捏成了蛋白质和寡糖链。”
其他同学在聆听之后提出了以下几个问题。
(1) 1个磷脂分子应该有一个亲水性的头部和2个疏水性的尾部。你们模型上的磷脂分子的头部和尾部的比例不是1:2的关系, 而是一个亲水性的头部有3-4个疏水性的尾部。
(2) 部分蛋白质应该镶在磷脂双分子层的外表面, 部分蛋白质应该嵌在磷脂双分子层中, 部分蛋白质分子应该是贯穿在整个磷脂双分子层中, 而该模型中的蛋白质只有第3种分布方式。
第一组的成员面对质疑做出了如下的回答︰“我们没有想清楚磷脂的结构, 只是照着课本上的模型捏出了相似的结构。蛋白质的分布方式不全面的原因是由于我们赶时间, 所以没有考虑全面。”
“纸上来得终觉浅, 绝知此事要躬行。”学生平时课堂上仅仅是对这些知识进行机械性的记忆, 并没有理解它的含义。构建生物模型的过程就是一个晒知识的机会, 正如晒衣服一样, 学生把有相关的模型晾出来, 在全班学生的共同侦查下就会发现一些不足, 从而共同构建正确的知识框架。
(二) 线粒体模型
制作线粒体模型需要注意的事项有︰双层膜、内膜向内折叠凹陷形成嵴。
第2组的代表介绍了他们的代表作 (如图2) :“我们小组的取材很特别, 我们用半个花生的壳充当线粒体的外膜, 用一根弯曲的电线充当线粒体的内膜。我们自己对这个模型感到比较成功。”
其他同学在笑过之后提出了2点疑问。
(1) 线粒体的内膜并不是全部折叠, 而应该是部分折叠。请问你们模型上的什么结构代表内膜?
(2) 请问你们这个模型中的内膜面积大于外膜吗?
第一组的组员做出了如下回答︰“我们在选材制作的过程中, 只注意到了线粒体的内膜向内凹陷折叠形成嵴这个显著的特征。我们没有全面考虑线粒体的内膜的特征, 所以出现了该模型中的不足, 在今后的制作过程中我们会注意改进的。”
有知识的人不实践, 等于一只蜜蜂不酿蜜。学生平时掌握的知识只是脑海里零散得储存, 没有完整的完善的构架。动手制作的过程中暴露出一些缺陷, 在小组之间的相互纠错的过程中, 大家思维的都比较迅速, 碰撞出了思维的火花, 从而很快地找到了模型的不足, 完善了知识的构建。
(三) DNA模型
制作DNA模型需要具备的基础知识︰ (1) 磷酸和五碳糖交替连接排在外侧。 (2) 碱基对排在内侧。 (3) 两条脱氧核苷酸链反向平行。学生平时对这三点的理解, 不觉得有什么困难。对做一个DNA模型持胸有成竹的感觉。但是模型还是暴露出了一些瑕疵。
第二组的代表介绍了他们的模型 (如图2) 。“我们用硬纸板剪出了如图的零件, 然后用订书钉将各个零件之间订起来。”
其他同学在聆听之后提出了以下4点疑问。
(1) 该模型中相邻的2个脱氧核苷酸之间没有连接, 而是直接连接在额外的“扶手”上。
(2) 该模型不能体现A-T、C-G之间的氢键数目不同。你们模型仅仅用一个相同的结构体现了碱基之间的氢键。
(3) 该模型不能体现A只能与T配对, C只能与G配对。你们模型中不能看出配对碱基之间的一一对应关系。
(4) 该模型不能体现DNA的两条链之间是反向平行的。
第二组的成员做出了如下的回答︰“我们误解了相邻的两个核苷酸之间的连接方式, 我们就机械地用将一条链中每个核苷酸都连在边上的硬纸板上。不同碱基对之间氢键应该不同。在以后的制作过程中, 我们可以通过不同的形状来体现碱基之间特异性配对。”
这说明学生根本就不理解DNA分子的骨架是什么。只是生搬硬套地凑了两个骨架。这说明学生在制作模型的过程中模仿占了主要地位, 缺少自己的思考。
“学者贵于行之, 而不贵于知之。”司马光的这句名言很好地阐述了学习中“知”与“行”的关系。学生对于DNA结构的特点几乎都能背出来, 但却做了一个DNA的伪劣模型。这说明构建模型有助于学生对知识的理解。
二、实验教学中“纠正”更显重要
在高中生物实验课堂上, 有部分学生实验由于实验室的器材不足或者学生的不规范操作都会导致实验失败。很多教师会在上课之前会为学生打各种各样的预防针, 想让学生做一个严谨的实验获得预期的实验结果。其实我认为, 事先灌输的效果不一定有事后纠错的效果好。实验的预期设计固然重要, 但实验后的总结和失败原因的分析应该是实验课的主要目标之一。
在“探究不同加酶洗衣粉的洗涤效果”这一实验中, 洗衣粉中添加的酶的种类是自变量, 各自的洗涤效果是因变量, 其余变量都是无关变量。无关变量列举如下: (1) 各组所用的水量。 (2) 各组的水温。 (3) 各组的洗衣粉量。 (4) 各组洗涤的材料的质地。 (5) 各组洗涤材料的大小。 (6) 各组污染物的种类。 (7) 各组污染物的污染程度。 (8) 各组的洗涤时间。 (9) 各组的洗涤强度等。其中 (2) 和 (9) 在一般学校的实验室中就很难控制相同且适宜。有部分教师因为无关变量很难控制就避开这个实验不做。其实, 教师只需要在学生实验结束时引导学生分析自己在实验过程中有哪些无关变量没有控制好。反其道而行之, 有时会有一种豁然开朗的感觉。在微生物的培养试验中最关键的注意点就是无菌操作。在一般农村高中没有超净工作台, 只能火焰旁操作。所以最终培养的结果往往要比预期的结果更复杂。教师可以带领学生一起分析自己操作的过程中有哪些步骤可能会使培养基被杂菌污染。还可以趁机让学生观察平板上不同菌落的形态, 根据教师提供的资料学会认识菌落。
三、构建生物模型, 培养学生情感态度价值观
构建模型可以锻炼学生的自信。在这次活动中第三小组用一个最小的材料 (花生壳) , 花了最短的时间, 制作出了一个最逼真的线粒体。他们自认为自己的模型还是可以的, 他们找到了自信, 相信以后在各门学科的学习上都会有进步的。他们相信自己一定能行。
构建模型可以培养良好的人际关系。细胞本身就很小, 肉眼无法看见, 其中的一个结构或一个分子就更小, 但是不管空间有多小, 每一个特定的结构一般都在特定的位置分布着。各个结构都有条不紊的完成着自己的使命, 他们相互联系, 相互合作, 从不互相推卸责任。细胞的各个结构能够相互协调, 达到共赢, 有效地完成着各项生命活动。我们人类应该能够比细胞的各个结构做得更好, 和谐共处, 促进社会精神文明的发展。
制作模型让学生学会了交流。在这个过程中小组内部的成员要相互协作、积极动脑、善于倾听才能在较短的时间内完成作品。制作模型的材料大多数是父母帮忙找的一些废旧的材料。学生请父母帮忙找一些材料, 增加了与父母交流的机会, 促进了家庭的和谐。
制作模型培养了学生的毅力。毅力是人生之宝, 毅力是成功的前提。在制作的过程中, 挫折经常出现, 阻挡着活动的进展。但是绝大部分的学生还是克服了困难, 做出了模型。
著名教育家陶行知先生说过:“手脑双全, 是创造教育的目的。中国教育革命的对策是使手脑联盟。”纠错过程会在学生的知识构建中亮起红灯, 引起注意[1]。改正原有的错误的突触连接, 建立正确的新的突触, 让信息传递的过程更顺利, 让学生在运用时能快速准确地从知识库中提取知识。纠错的方法有多种, 在高中生物课堂中常用的有讲授法、自主合作讨论法。其实利用这两种方法进行纠错的过程中如果只是依赖于抽象的基础知识进行纠错, 有时可能取得的效果很差。在纠错的过程中如果借助于模型、动画等直观的教学辅助工具, 纠正过程可能会取得很好的效果[2]。
摘要：在一次研究性学习活动过程中, 我发现构建生物模型对纠正学生生物知识、改变学生情感态度价值观都具有很大的影响作用。
关键词：研究性学习,构建生物模型,促进成长
参考文献
[1]孔详蛟.纠正式教学法在掷标枪教学中的应用, 考试周刊, 2008 (29) :126.
生物芯片 篇10
生物芯片技术是20世纪影响最为深远的重大科技进展之一,是融合了微电子学、计算机科学、生物科学、化学、物理学等学科为一体的高度交叉的新技术,它既具有重大的基础研究价值,又具有明显的产业化前景[1]。
所谓生物芯片,就是利用微加工技术并结合有关的化学合成技术,将大量探针分子固定于载体(如玻片、硅胶芯片、高分子材料制成的薄膜等),然后与标记的样品分子进行杂交,通过检测杂交信号的分布及强弱,对靶分子的序列和数量进行分析检验的微型器件。生物芯片检测仪则是通过检测杂交信号并把测定结果转变为可供分析、处理的图像数据,从而对生物芯片进行分析的一种检测装置。
目前普遍采用的生物芯片检测技术是光学检测法,如:激光诱导荧光检测法、化学荧光法、化学发光法、酶标法或同位素法等。随着芯片集成度的提高,使用的反应样品量越来越少,产生的信号越来越微弱,对检测系统的要求也就越来越高,必须满足很高的检测灵敏度、高信噪比及大动态范围。电化学检测方法满足灵敏度高、线性范围宽、分析速度快、试样用量少、成本低等要求,而且电化学检测仪易于微型化和便携化,使得在近几年的生物芯片检测技术中越来越受到青睐。
1 电化学检测技术简介
电化学检测技术特别适用于生物组分的检测,因为生物分子的电化学反应会产生生物电流信号,可以直接用于检测,不需要进行其它的信号转换。大多数生物组分如细胞、DNA、蛋白质等均具有电化学活性,在电化学测量的过程中可以直接检测它们反应产生的电化学信号,适用于生物组分进行准确、快捷和大信息量的检测分析。
本文所讲生物芯片电化学检测仪的检测电极采用三电极体系:工作电极(W);辅助电极(A);参比电极(R)。在整个检测过程中,所有的参比电极均连在一起,工作电极和辅助电极则分别引出。电化学检测方法众多,如:电流-时间法(I-T)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)、阶梯扫描伏安法(SCV)、差示脉冲伏安法(DPV)、常规脉冲伏安法(NPV)、方波伏安法(SWV)等,通常采用电流-时间法和循环伏安法。电化学反应的原理是在工作电极上加上一定的电压之后,由于电极和溶液之间存在电势差,生物组分中的电活性物质将被氧化或还原,从而在电极和溶液之间形成电流,用于检测。一般电流的大小与被分析生物组分的浓度有关系,通过对电流的检测便可实现对被测组分的浓度检测。
2 系统硬件电路设计
整个嵌入式系统的硬件部分是由生物信号采集卡和计算机数据处理两大部分组成。生物信号采集卡的硬件部分大致包括五个模块,即供电模块、D/A触发模块、模拟信号采集模块、信号处理(A/D)与控制模块、USB通信模块。整个嵌入式系统的硬件电路原理框图如图1所示。
2.1 供电模块设计
由于整个嵌入式系统要实现便携化的特征,所以采用USB供电技术。同时整个系统硬件电路用到的芯片数目众多,而且各自的工作电压不同,所以相应的供电模块油然而生,如图2所示。
2.2 D/A触发模块设计
为了能够对生物芯片施加任意大小和波形的电压,如:电流-时间法(I-T)、循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(ISV)所要求的电压波形,本文选用C8051F020芯片自带的DAC模块来加以实现。通过软件编程方式,可以输出-2.5V～2.5V之间的任意波形和电压值。
C8051F020芯片内有两路12位的DAC,两个电压比较器,CPU通过SFRS来控制数模转换和比较器。DAC为电压输出模式,与ADC共用参考电平,允许用软件命令和定时器2、定时器3及定时器4的溢出信号来更新DAC的输出。
2.3 模拟信号采集模块设计
模拟信号采集模块主要用来实现对工作电极上检测到的微弱电流信号进行一级放大、二级放大、滤波以及采集的功能。本模块主要由运算放大器ICL7650、OP-07,多路选择器MAX396,低通滤波电路等构成。
在生物芯片的电化学检测过程中,所检测到的电流强度一般在10e-9到10e-3A之间,需要先进行放大然后才可以检测。本文设计的模拟信号采集系统,首先对电化学反应产生的微弱生物电流信号进行放大处理,然后经A/D转换之后变成数字信号送入上位机处理显示。为了使得上位机能够实现高精度控制处理,所以对整个数据信号采集系统中的信号放大器和A/D转换器的高精度要求就显得非常重要,采用的是C8051F020自带的A/D转换器,精度可以达到12位,但是对于前期放大电路自身所产生的电压失调和电流飘移却无法改善,所以必须设计一种高精度、低漂移、高输入阻抗的自稳零斩波的运算放大电路来实现整个系统的精度要求。
为了避免在微弱电流信号放大过程中出现常见的电流、电压失调和零点漂移现象,需要设计两级放大电路。第一级放大电路需要进行电流-电压转换(I-V转换),根据电化学反应产生的微弱电流信号特点,选用具有输入偏置电流小,失调电压小、温度漂移小以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力的自稳零斩波运算放大器ICL7650[2]。总的来说,ICL7650有如下几个特点:(1)极低的输入失调电压。整个工作温度范围(约100℃)内只有±1μv的失调电压;(2)很低的输入偏置电流:10pA。符合本次模拟信号的处理要求;(3)极高的开环增益,CMRR,PSRR均≥130dB;(4)极高的转换速率:SR=2.5V/μs;(5)单位增益带宽可达2MHz;(6)具有内调制补偿电路,相位裕度≥80°;(7)内部有箝位电路,能减少过载时的恢复时间;(8)在输入端、输出端只有极其微小的斩波尖峰泄漏。
第二级放大电路采用一种高精度低漂移的运算放大器OP-07,同时放大倍数程控可调,增益的调节可以通过信号处理和控制模块进行控制。同时由于供电模块电源的波动,会对整个系统的零点产生影响,所以需要在电路中加入二极管来稳定系统的零点。
由于本系统的模拟信号采集过程是多路信号同时采集,所以需要采用多路选择器MAX396在不同的信号间进行切换。MAX396自身的工作电流在10e-9A数量级,和电化学反应产生的模拟信号数量级相近,所以不能直接接在采样电路的最前端,需要放在两级放大电路之间,可以避免引入测量误差。生物组分电化学反应后生成的有效模拟信号是低频信号,所以需要对高频干扰信号(包括电源引入的高频信号)进行滤除,本文采用了二阶RC滤波电路。
2.4 信号处理与控制模块
信号处理与控制模块是整个嵌入式系统的核心,经分析比较,决定采用CYGNAL公司的C8051F020单片机作为本模块的核心单元来管理整个系统的协同运行。C8051F020具有一下优点[3]:
(1)采用高速8051微控制器内核,运算速度快。该芯片采用流水线指令结构,与标准的8051结构相比,指令执行速度有很大的提高,70%的指令执行时间为一个或两个系统时钟周期;当工作在最大系统时钟频率25MHz时,执行速度可达25MIPS。
(2)片内集成了模拟外设:多通道12位(或8位)的A/D转换器,而且最大的采样速率可以达到100kbps(或500kbps),不必外加ADC芯片就可以满足系统要求。
(3)片内集成了JTAG调试和边内扫描功能。片内JTAG调试电路可以提供全速非浸入式的电路内部调试,不需要仿真器;完全符合IEEE1149.1的边界扫描标准。
(4)片内存储空间大。该芯片具有64kB的系统可编程Flash程序存储器,4kB内部数据RAM以及外部64kB数据存储器接口,同时Flash存储器还可用于非易失性数据存储,安全可靠。
(5)片内集成了两个增强型URAT串口
(6)具有合适的工作温度范围,满足系统的环境使用要求。
(7)供电电压位于2.7～3.6V之间,而且具有多种节电休眠和停机模式。
A/D转换部分采用C8051F020自带的ADC子系统,由逐次逼近型ADC采样、多通道的模拟输入选择器和可编程增益放大器构成。当ADC工作在最大采样速率时,可以提供真正的12位(或8位)精度[4]。C8051F020除了一个12位的ADCO子系统外,还有一个8位的ADC1子系统,当ADC1工作在最大的采样速率500ksps时,可以提供真正的8位精度。与DAC子系统相似,ADC也有灵活的转换机制,允许用软件命令、定时器溢出或外部信号输入等方式来启动ADC转换机制,ADCO和ADC1可以用软件来强制同步转换。
同时,在模拟信号采集卡上预留了与MCU相连的JTAG仿真接口,可以实时地对C8051F020进行程序写入,方便以后系统的升级[5]。
2.5 USB通信模块
本文设计的生物信号采集卡是一个外置电路板,同时由于电化学反应产生的电流信号比较微弱,而且在电路设计过程中为了尽可能避免引入干扰噪声,放大电路、采集电路均尽量地靠近信号源,使得本文的通信方式不便于选用PCI接口的内置方式,从而选择日渐流行的USB通信方式。该方式具有安装方便、带宽高、易于扩展等诸多优点,已成为现代数据传输的发展趋势。选用的USB芯片是CY-PRESS公司生产的CY7C68001,支持USB2.0协议,最高的传输速率可以达到480Mbps,大大高于以前的RS232串口的传输速度[6]。
CY7C68001内部不含微控制器,只是上位机(PC)和下位机(模拟信号采集卡)之间用来连接的从设备。CY7C68001芯片支持高速(480Mbps)或全速(12Mbps)传输;3.3V的操作电压,采用外部晶振的振荡频率24MHz;内部集成了串型接口驱动(SIE)、电压调节器和4kB的FIFO;可以选择8位或16位的总线传输方式;同时对用户也可以提供足够的端口、缓冲区和传输速度;支持USB2.0协议所要求的四种全部的传输方式(中断传输、控制传输、同步传输、批量传输),可以满足用户的各种数据传输要求。由于CY7C68001芯片自身不带MCU内核,所以USB的驱动程序必须要自己加载完成。
3 系统软件设计
软件设计部分分为两块:模拟信号采集卡MCU(C8051F020)的控制以及数据采集处理部分;上位机(PC)接受并处理MCU发来的数据,显示输出波形结果。
同硬件设计部分相似,软件设计也采用模块化的设计方法,大致包括以下几个模块:系统参数设置(D/A波形产生参数。模拟信号采样参数等)、数据采集控制(Samplerate、Iscontrol等)、采集数据处理(Average、Digital filtering等)和数据传输、显示(Display)等。C8051F020的程序开发使用KeilμVision3的集成开发环境(IDE),编程语言使用C语言和汇编语言相结合的方法。μVision3IDE是一个基于Window的开发平台,包含一个高效的编辑器、一个项目管理器和一个MAKE工具。μVision3源代码级调试器是一个理想的快速可靠的程序调试器,此调试器包含一个高速模拟器能够模拟整个单片机系统包括片上外围器件和外部硬件,而且Keil uWision3IDE可以完成从工程建立和管理,编译,连接,目标代码的生成,软件仿真,硬件仿真等完整的开发流程。尤其C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平,而且可以附加灵活的控制选项,在开发时非常理想。大大缩短了程序的开发周期。
上位机的软件设计部分采用了Microsoft开发的Visual C#编程集成开发环境(IDE)。C#是微软开发的一种面向对象的编程语言,是微软.NET开发环境的重要组成部分。Visual C#编程集成开发环境是为生成在.NET Framework上运行的多种应用程序而设计的。C#简单、功能强大、类型安全,而且是面向对象的,充分利用了PC机强大的图形界面能力和数据处理能力对测试数据进行分析和显示,用户可以通过鼠标、键盘来操作应用程序面板上的各种开关按键来控制仪器,完成测试。采用Visual C#编写应用软件,大大地简化了程序设计难度,提高了程序设计的效率。最新设计的应用程序(如图3所示)可以把采样得到的数据、波形直观地显示出来,同时,根据需要可以对这些数据进行后处理,如局部放大观察,定义坐标,还可以保存用户指定的数据、波形以及打印所需的数据和波形。
4 结束语
本文介绍了一种以单片机C8051F020为核心的迷你型生物芯片电化学检测仪的嵌入式系统,包括系统硬件、软件部分的设计。经过多次反复的测试证明,该检测仪系统可以准确地给出测试结果,而且实时性好,易于携带,具有很大的发展前景。
参考文献
[1]Gooding J J.Electrochemical DNA hybridization biosensor Electroanalysis [Z].2002(14):1149 - 1556.
[2]李孝轩.传感器微弱信号低噪声斩波放大器[J].传感技术学报,1994(3).
[3]潘琢金,施国君.C8051FXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[4]鲍可进.C8051F单片机原理及应用[M].中国电力出版社, 2006.
[5]梁书豪.C8051F020 MCU在高速数据采集系统中的应用[J].检测技术,2006.
生物芯片 篇11
由于人类社会的发展，对于能源资源的需求日益迫切，古代植物积累的能源趋于枯竭。同时，人类大量侵占和破坏原有的绿色空间，导致生物资源短缺。为了获得可再生能源，人们还期望种植高产糖分、淀粉、脂肪酸的能源植物。在耕地十分有限的情况下，只好开发贫瘠的土地，使植物在恶劣的环境下生长，并制造便于转化成能源的产品。这就需要提高能源植物的抗逆性。
在农业史上，人类培育农作物往往因地制宜，而忽视了植物抗逆性的增强，许多高产作物往往抗逆性较差。诚然，要增强植物的抗低温、抗干旱、抗盐碱等能力，还要关注某些特殊基因功能的发挥。如今，植物抗逆性基因研究已经引起广泛重视。本人在研究中发现，从野生物种中获得的基因，包括WRKY家族的基因，对于提高植物对不良环境的适应性有很大作用。
从转化光能和积累生物量总体来说，人们愿意选择光能转化效率高的植物。
例如，巴西广泛种植甘蔗。人们把蔗糖转化成酒精，在替代石油方面发挥了很大作用。美国对swich grass等高光效的能源植物有很多研究。在我国，大家十分关注甜高粱和芒草一类的植物。这些都属于光能转化率高的碳四植物。虽然人们对于提高植物能量转化率方面做了有益尝试，但是对目前植物中的主要成分纤维素如何进行降解和利用依然存在问题。
我们看到吃野草的耕牛在田间辛苦劳作，啃食木头的白蚁却能旺盛繁殖，这些生物转化纤维素的过程很值得我们探讨。人类应该深入研究反刍动物牛胃里和白蚁肠道中的微生物作用，研究其中纤维素酶的活力，探讨它们在常温、常压下高效工作的原理，从中或许能得到有益启示。
沼气池里的微生物能够将纤维素转化成可燃的气体，可能到了寒冬它们的活力就大大降低。因而，培育耐低温的高效菌株，就十分必要。
人类用大量的能源来制造各种化学产物，如塑料。人类健康所需的各种药物多由植物制造。目前利用生物能源的一个比较方便的途径是生物柴油的生成。蓖麻、麻风树、油茶都是很好的生成生物柴油的植物。然而目前对这类植物的选育还存在不足，不同品系的植株产量和积累脂肪酸的效率差别很大。能源植物的思路应当拓宽，能否通过植物吸收光能直接转化出各类产物呢？
有一种珍稀物种叫四合木，有高含量的脂肪酸，这是自然的恩赐。我们要保护这个物种，研究其合成脂肪酸的机制，研究其基因功能，利用别的植物生物反应器来制造脂肪酸。
橡胶树能够流出橡胶，橡胶草也会生成类似的成分。目前已经开始研究生物塑料的合成过程。使高等植物或藻类通过phbB基因先合成聚-3-羟基链烷酸酯(polyhydroxyalkanoate, PHA)，而最终合成生物可降解的塑料。这是一项对环境保护非常有益的技术。
藻类是单细胞的绿色植物。它的优点是光能转化效率高，繁殖快，不占用耕地，而且脂肪酸含量高，有的接近50%，人称“未来的绿色石油”。诚然，藻体的收集方式等还有许多需要探索的地方。
人类的需求是多样的，如果我们借助绿色植物获得能量，借助这种绿色的生物反应器来制造各种复杂的产品，应是很好的办法。有人称这种基因操控技术为分子耕作（molecular farming）。
目前我们对生物能源的利用还处在低水平阶段。其实，生物能源的利用除了政策因素之外，还受技术发展水平的制约。从这个意义上说，亟待发展高新生物技术，而基因工程在生物能源产业发展中的应用前景是十分广阔的。
责编/庞贝
生物芯片 篇12
两家新进入者 (晨星半导体和RDA/Coolsand) 正在加大对中国市场的手机芯片发货量。我们估计RDA/Coolsand已经实现了每月100万件的发货量, 而晨星在400万件左右。RDA/Coolsand采用的是低端市场低价策略 (价格为1.8美元, 而联发和展讯在2.1～2.2美元) 。晨星半导体的业务主要在高端功能手机市场, 部分中国手机厂商采用晨星的芯片产品设计“半智能手机”。
由此, 我们认为领头羊 (联发和展讯) 的2G芯片市场份额将从2011年上半年的92%降至下半年的88%。尽管新进入者的市场份额依然较低, 但在近期也将给价格带来压力。
———WCDMA市场份额的变动依然有限
我们认为, 近期高通在3G市场上的领先地位不会被撼动, 其主要的竞争压力来自于联发的新3G手机解决方案, 但后者的市场需求仍然较低。领先品牌 (华为、中兴和TCL) 仍然在其领先的品牌智能手机中使用高通的芯片产品。只有联想今年年底会使用联发的芯片组, 我们预计订单量将不足100万件。
预计今年高通将在中国内地售出约1.8亿件3G和CDMA芯片 (约3000万件用于智能手机, 5000万件用于功能手机, 1亿件用于数据卡) , 同时联发将成为第二大3G芯片厂商, 不过其总发货量不足1000万件 (其中智能手机不足300万件) 。
———TD-LTE备战中
虽然中移动在积极推广TD-SCDMA, 但TD网络的技术问题以及缺乏智能手机的支持限制了其上升空间。现今大多数TD-SCDMA手机仅仅是功能手机, 价格与2G手机一样低。随着TD-LTE规模试验网建设的稳步推进, 大多数芯片厂商都加快了相关技术开发的步伐, 纷纷把目光投向TD-LTE。
在芯片领域, 展讯应成为2011年TD-SCDMA芯片厂商的第一名, 我们预计公司将销售1000万～1500万件TD-SCDMA芯片。联发和大唐/联芯应排在第2与第3位, 发货量均在500万～1000万件。根据瑞银分析师Steven Chin的看法, 如果2011年下半年OPhone成功增产, Marvell可能会达到400万～500万件的TD-SCDMA芯片发货量。今年晚些时候高通也可能完成TD-SCDMA芯片解决方案 (仅为基带) , 不过我们认为公司的目标是未来的TD-LTE市场。
过去几年, 低端智能手机成为中国手机厂商的热门话题。我们估计2011年中国手机厂商的智能手机总发货量将从2010年的700万部左右增至3500万部左右。尽管相比全球智能手机市场规模, 这一发货量仍然较低 (瑞银估计2011年全球发货量为4.18亿部) , 但增幅却相当强劲。高通将在中国智能手机市场上保持90%的份额。
———机遇
智能手机越来越便宜, 而且有些机型的零售价已经低于1000元。2011年上半年, 大多数1000元以下的智能手机仍然采用600MHz以下的CPU, 意味着这些手机无法顺畅地运行应用程序, 比如热门游戏《愤怒的小鸟》。如今, 大多数1000元以下的新机型都采用600MHz以上的CPU, 有可能解决上述问题。
———挑战
尽管手机厂商和运营商都在积极推广低端智能手机, 但终端需求实际上尚未有明显增长。数据下载服务的较高月服务费以及低端手机的较差性能是需求疲软的主要原因。尽管手机价格可能为零 (由于补贴的缘故) , 但用户支付给运营商的年费用仍然超过1000元 (每月300MB数据传输, 足以满足普通用户查看电邮、微博以及其他普遍使用的应用程序所需) 。此外, 使用智能手机观看视频节目 (比如YouTube) 或下载很多图片的用户每月下载量很容易突破500MB, 这种情况下费用就可能达到每月200元。
中国联通正在积极推广智能手机, 以期实现全年新增用户2500万户的目标。近期的推广活动 (每月96元即可领取免费的中兴V880或联想A60手机) 看似更具吸引力, 因为智能手机的CPU已经升级到600MHz以上, 但尚不清楚这一推广活动能否刺激需求。
在其他新兴国家, 由于ARPU较低, 低端智能手机的推广甚至更为困难。这些国家的大多数用户可能都无法支付高昂的月租费。我们认为“半智能手机”在这些国家可能比真正的智能手机具有更好的机会。半智能手机是基于Media Tek 6235/36或Mstar 8535的产品, 是高端的EDGE功能手机。芯片厂商改变了用户界面, 使它们看起来像智能手机, 不过这些手机并不能访问苹果的App Store或谷歌的Marketplace, 因为它们并非真正的智能手机。
此外, 安卓平台也面临长期的不确定性。安卓智能手机厂商面临的最大挑战是专利问题。由于安卓是免费操作系统而且谷歌的知识产权库不像苹果电脑或微软那么庞大, 因此谷歌不能帮助遭到第三方起诉的安卓智能手机制造商解决专利问题。虽然专利问题在中国通常不那么关键, 但倘若谷歌需要改变经营模式, 国内智能手机厂商就会面临巨大挑战。
现在的安卓3.0和4.0已不再像以前那么开放。同样的, 谷歌最近开始斥资保护相关专利。7月13日该公司从IBM购买了1030项技术专利。8月15日谷歌宣布将收购摩托罗拉的手机业务。可以预见, 安卓最终将从自由操作系统变为封闭系统。如果出现这种情况, 芯片和手机厂商在开发安卓产品时将面临更大困难。