第一篇：制圖技術在應用化學專業中應用和進展

制圖技術在應用化學專業中應用和進展

學習應用化學專業的我們，主要學習化學方面的基礎知識、基本理論、基本技能以及相關的工程技術知識，是培養我們將來化工生產具有較好的科學素養，具備運用所學知識和實驗技能進行應用研究、技術開發和科技管理的基本技能。其中，化工制圖技術在化工生產中方面的應用起著非常重要的作用。

1、化工制圖技術的重要性

工程制圖制圖技術是本專業的一門必修課程，也是在培養我國社會主義建設實際需要所開設的一門課程。化工制圖課的核心是,培養我們形成將各種幾何信息在頭腦中進行綜合處理、形成廣泛聯想的形象思維, 以及處理工程圖樣的能力。在中學期間我們就接觸了幾何建模與正投影理論基礎課程，現在學習化工制圖技術又培養了我在二維、三維相互轉換的能力,形成按一定目的構思形體, 拼合、分解、變換并能豐富地聯想、想象和多向思維的潛能。這種潛能在課堂上，老師與我們以徒手草圖加以訓練, 能夠迅速地徒手繪制草圖是捕捉靈感、聯想、創造信息和交流信息的重要手段, 它可以簡便及時地記錄和表達創想結果。

2、學習化工制圖技術，接軌國際工業化

隨著我國與國際工業上技術交流日益增加,為了在引進和消化國外先進技術，面對國外工業圖樣的資料，我們必須具備這方面的基礎知識，而化工制圖技術課程的開設剛好提供了這一條件,是熟悉國外工程圖樣的畫法十分必要。

3、化工制圖技術在機械制圖中重要性

化工制圖技術專門研究化工圖樣的繪制和閱讀,它與機械制圖既有緊密的聯系,又有明顯的專業特征。而我們所學的化工制圖與機械制圖有共同的基礎知識,在投影制圖基礎中解決形成機件形狀問題的處理能力,并在圖例中盡量結合化工專業中有關機件,以達到經過這一環節的學習后能順利解決化工專業圖樣的投影問題。而在化工制圖內容中以化工專業圖樣為載體, 較早地引入化工設備零部件的畫法和查閱有關手冊、選擇結構等的訓練, 進行工程素質、工程技術的培養。

4、學好化工制圖是計算機繪圖的基礎

隨著計算機的普及,計算機繪圖的日益廣泛的應用,將計算機繪圖與化學工程制圖內容結合起來勢必會產生較好的視覺效果。因為在用計算機繪制化學工程圖樣時,要以化工制圖課程的有關知識為依據,如果化工制圖方面的基本知識不扎實,計算機繪圖就不能順利進行,這又促使我們去復習、查找有關化工制圖知識的積極性。另外從計算機輔助設計角度來看,計算機繪圖不僅可以提高繪圖的精度和速度,還為工程圖樣的改進和管理提供了極大的方便。

總之，應用化學專業所開設的化工制圖技術在實際化工工程設計扮著重要的角色，沒有它，可能今天我們的化學實際應用很難保證實施，所以更不別說帶來什么經濟來源和工業最大變革了。

第二篇：分子生物學技術在醫學檢驗中的應用進展

分子生物學技術在醫學檢驗中的應用進展

[摘要] 分子生物學技術是醫學檢驗的重要診療手段。本文概述醫學檢驗中常用的分子生物學技術，列舉其在臨床病原微生物檢驗、腫瘤診斷及評估、遺傳病診斷、免疫系統疾病診斷中的具體應用，分析分子生物學技術應用中應注意的問題，并對發展趨勢進行預測。

[關鍵詞] 分子生物學技術；醫學檢驗；應用；

進展分子生物學是以核酸、蛋白質等生物大分子為研究對象的學科，分子生物學技術即建立在核酸生化基礎上的一類研究手段，現已廣泛應用于醫學檢驗中。研究內容也從DNA鑒定、擴展到核酸及表達產物分析，技術不斷進步為原微生物檢驗、腫瘤診斷及評估、遺傳病診斷、免疫系統疾病診斷提供重要依據和創新思路。現就分子生物學技術在醫學檢驗中的應用進展進行綜述，試分析應注意的問題及預測發展趨勢。

醫學檢驗中常用的分子生物學技術概述

分子生物學技術的核心是聚合酶鏈反應(PCR)，能在最短的時間內擴增。由此衍生出新PCR技術，如原位PCR技術、實時定量PCR、鏈置換擴增技術、LCR、NASBA、TAS等。此外，生物芯片技術、核酸探針技術、生物傳感器、SELEX技術、循環核酸分析技術都極大的完善了檢驗技術，直接解釋生命規律，在臨床診斷和治療中意義重大。

分子生物學技術在臨床中的具體應用

2.1 病原微生物檢驗 PCR和生物芯片技術用于病原微生物檢驗術與傳統的培養鑒定、免疫測定相比，其具有高的敏感性，較短的耗時和更廣的適用范圍[1]。PCR通過向反應管中加入特異性引物可同時鑒定出單種或多種病原體，即便存在大量死菌也能得到準確結果，不受混合標本和微生物生長時間的限制。生物芯片技術則以其更高的靈敏性和高效率，同時檢測出上百種病原微生物，可用于快速查找樣本的耐藥基因指導臨床用藥。

2.2 腫瘤及遺傳病診斷 研究證實腫瘤及遺傳病幾乎都存在著一定的基因缺陷，只要找到人體中與基因相互作用的結合點，從基因水平診斷就能準確診斷。通過基因芯片判定靶基因P53抑癌基因的突變，通過分子蛋白質組學、生物傳感器和流式細胞術診斷腫瘤特異性標志物。在遺傳病中，分子生物技術能識別患病家族基因存在的特定多態性，常用技術有DNA限制性片段長度多態性分析，單鏈構象多態性分析，熒光原位雜交染色體分析，酶基因調控和微陣列技術。

2.3 免疫系統疾病診斷 免疫系統疾病診斷關鍵是確定基因水平上的調控表達。如在人類免疫缺陷病毒的研究中，分子生物納米技術即以抗體為基礎，用免疫分析和磁性修飾的方法來檢測免疫物質，通過酶、熒光劑、同位素把特異的抗體抗原與納米磁性微球固定，既能自動檢測人免疫缺陷病毒1型和2型抗體，為人類防治病毒性疾病提供了有力的武器。

分子生物學技術在檢驗應用的新進展

現階段分子生物學新技術的發展方興未艾，給人們提供了探索人類生命科學的工具，推動了檢驗學發展。分子生物技術最顯著的醫學成就是對遺產病中的致病基因的準確定位及克隆，早在1998年就完成了遺傳性耳聾的基因克隆；2003年SARS肆虐時，科學家就研制出專門診斷該病的基因芯片；2004年后實現了用多重PCR技術對我國新生兒多發的地中海貧血、苯丙酮尿癥、G6DP缺乏癥的產前和病例診斷；近年來，遺傳標記技術的進步，結合現有分子學研究技術，加速了遺傳基因圖譜的制作和相關疾病的基因檢測和鑒定，從而為醫學檢驗的加速發展提供了有效的載體。

存在問題及發展趨勢

現階段面臨的問題主要是技術相對復雜和儀器要求太高、藥品和反應盒昂貴等[2]，限制了臨床推廣。首先，合理選用檢驗項目的問題，分子生物學方法具有高特異性和高靈敏性，但臨床中仍要根據實際需要選用經濟合理的檢驗項目，如結核菌培養和涂片鏡檢就能達到目的，不必舍廉選貴，增加患者負擔。其次，疾病診斷過度依賴檢驗結果問題，應將臨床資料綜合考慮，不能僅靠分子生物學技術檢驗結果就妄下診斷，忽略標本取樣和檢驗過程中的操作不當及病程發展規律造成的假陽性或是假陰性，貽誤病情。再者，上級部門管理不足問題，國家相關部門要擔任監管的職責，參考國際慣例，制定符合我國醫學檢驗現狀的實驗操作管理規章制度，嚴格培訓檢驗人員，規范試劑的準入和儀器的管理，最大程度保證檢驗結果的可信度。

雖然分子生物技術在臨床推廣應用中存在著許多尚待解決的問題，但是它仍然顯現出了快速發展的趨勢。未來其發展會傾向于：①現有、僅停留在實驗室的分子生物學技術逐步向臨床實用型改進，降低實驗投入、簡化操作步驟，推進實驗過程全自動化的實施降低人為因素對結果的影響，根據臨床實際修正技術，提高檢驗的特異性和敏感性。②積極推進實驗室建設，加大儀器和檢驗人員的培訓投入，為分子生物學的臨床應用提供必要的基礎保障，以先進的、可持續性的實驗檢驗手段為臨床提供可靠的依據。

參考文獻

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王耿新 劉德亮 王志群 陳獻業

山東省青島市腫瘤醫院 青島 266042

聚合酶鏈反應（Polymerase Chain Reaction, PCR）又稱體外基因擴增技術或 DNA 擴增技術。自 1985 年美國 PE-Cetus 公司的 K.B Mullis 等人首創了 PCR 技術之后，它以相當驚人的速度被廣泛地應用于醫學及分子生物學等各個領域。現今，PCR 技術已成為一種對標本中特定的 DNA 片段進行分析研究和檢測鑒定的重要方法。近20 年來 PCR 技術在生物醫學等各個研究領域和臨床應用中發揮了重大的作用，在病原體鑒定、遺傳病診斷、免疫學研究、癌基因探索及治療等方面都作出了相應的貢獻。

1.PCR 技術的基本原理與特點 [1-2]

PCR 技術的基本原理是模仿 DNA 體內復制的機制，在體外進行擴增特異的 DNA 片段。它主要是由三個基本步驟組成的循環反應。首先是變性，用加熱的方法使雙鏈 DNA 解鏈成兩股單鏈；其次是復性，用降溫的辦法使這兩股單鏈按堿基互補的原則分別與加入的兩條人工合成的寡聚核苷酸鏈（引物）結合成雙鏈；最后是延伸，在合適的緩沖液、鎂離子及脫氧核苷酸存在的條件下，用 DNA 聚合酶進行催化，按堿基配對的原則合成互補鏈。引物從 3 '端進行延伸，合成的方向為 5 '端（一條人工合成的引物）至 3 '端，從而合成與模板 DNA 結構相同的片段。重復上述三步驟，變性→復性→引物延伸的過程，經過約 30 個周期的循環（每三個步驟為一周期，約需 2-3 分鐘），1-2 小時就能將所需基因擴增幾百萬倍，使極微量的所需 DNA 達到極易檢測的水平。其擴增效率公式為： Y=（1+X）n，式中 Y 為擴增數目，X 為放大效率，n 為循環次數。

PCR 技術具有敏感性高、特異性強、操作簡便、快速省時等特點。其靈敏度可達到 Pg 級，甚至達到 fg 級 [3] 水平，而被擴增的基因片段能與原基因片段保持不變。PCR 技術操作簡便、快速而易掌握，并且對標本要求不高。用過去的方法完成一項試驗少則幾周，多則幾個月。應用全自動 DNA 擴增儀，整個 PCR 過程均由電腦控制，只需數小時即可完成整個試驗過程，用極微量的粗制標本就可獲取目的產物。

2.常用的幾種 PCR 及主要用途 [4-5]

2.1 定量 PCR ：用于 mRNA 定量及轉錄水平的研究。

2.2 抗原捕獲 PCR（AC-PCR）：用于病毒感染的檢測。

2.3 不對稱 PCR（Asymmetric PCR）：用于制備探針或測序。

2.4 彩色 PCR（CCA-PCR）“用于檢測某些多型別病毒的混合感染。

2.5 原位逆轉錄 PCR（In Situ RT-PCR）：定位檢測細胞中 RNA 病毒感染。

2.6 逆轉錄 PCR（RT-PCR）：用于克隆 cDNA、檢測 RNA 病毒、cDNA 探針。

2.7 反向 PCR（inverted PCR）：用于擴增已知基因片段兩側的未知序列。

2.8 膜 PCR（membrane-bound PCR）：可去除污染的雜質或 PCR 產物殘留，檢測低豐度靶 DNA。

2.9 間接原位 PCR（Indirect In Situ PCR）：定位檢測細胞中 DNA 病毒感染，是目前應用較廣泛的一種原位 PCR 技術，其特異性比直接 PCR 強。

3.PCR 技術在醫學檢驗中的地位

現代醫學研究證明，人類疾病多數是直接或間接與基因有關 [6]，如腫瘤、糖尿病和心血管疾病等。在醫學實驗診斷中我們經歷了生化和免疫診斷的發展過程，由于各類擴增技術的出現使我們進入了基因診斷的新時代并成就了現代意義基因診斷的崛起。這將改變以往對疾病的表型認識和表型診斷，從本質上認識疾病和診斷疾病。在各類擴增技術中，PCR 的地位尤為突出。目前，全世界利用 PCR 技術診斷感染性疾病每年達幾千萬人次，其費用早已大幅下降，說明 PCR 有著巨大的潛在市場。美國臨床檢驗標準化委員會于 1995 年頒布了關于感染性疾病分子診斷應用范圍、條件和質量控制細則等準則文件 [7]。而國際臨床化學學會于 1998 年又發布了關于分子擴增在臨床診斷中應用的質量評估基礎的文件并對 PCR 操作的各個環節進行了詳細論述 [8]。由此可見，兩個權威性文件也都肯定了 PCR 技術在醫學檢驗方面的重要性。基因診斷可能將是以后的發展方向并作為疾病的常規診斷技術。

4.PCR 技術在醫學檢驗中的應用

4.1 PCR 技術在腫瘤方面的應用

目前，腫瘤發病的分子機制尚不完全清楚。研究表明，人類許多常見的腫瘤疾病與某些病毒病因及腫瘤相關基因的遺傳學改變有著密切的關系。PCR 技術的腫瘤病毒病因、腫瘤相關基因、腫瘤相關抑癌基因等研究方面已取得可喜成果。

據有關資料表明 [1，4] 前列腺癌、結腸癌和 Kaposi 肉瘤等與人巨細胞病毒（CMV）有關；鼻咽癌和 Burkitt 淋巴瘤與 EB 病毒有關；原發性肝癌與乙型肝炎病毒（HBV）有關；泌尿道腫瘤和食道腫瘤等與人乳頭瘤病毒（HPV）有關。人類腫瘤病毒病因中較為重要的一類病毒是 HPV，其中大部分只與良性增生有關，只有 16、18、31、35、39 等十余型與惡性腫瘤關系密切。PCR 在檢測 HPV，尤其是第 16、18 型有無感染，對子宮頸癌的早期診斷及預防有著顯著的意義。

目前，已知腫瘤相關基因有上百多種，但較常見的是 ras 家族的 H-ras、K-ras 和 N-ras 三種癌基因。它們的結構相似，其表達產物是 P21 蛋白。在不同腫瘤中 ras 家族癌基因的 H-ras、K-ras 點突變多集中在第 12 和 61 號密碼子上，而 N-ras 在第 13 號密碼子上多發生突變。PCR 在癌基因的研究方面主要是 ras 基因與腫瘤的關系。現已查明與 ras 基因突變有關 [1，2，4，9，10] 的腫瘤有幾十種。如：各種急性慢性白血病、精原細胞癌、惡性黑色素瘤、神經母細胞瘤、卵巢癌、胰腺病、肺癌、膀胱癌、結腸癌、子宮瘤等。Rb 基因 [11] 是人類最早（1986 年）發現的抑癌基因，其后又相繼發現了 P53、WT1、NF1、DCC、MCC、APC、P16 和 P21 等抑癌基因。在遺傳性視網膜母細胞瘤研究中發現位于 13 號染色體上 Rb 基因的缺失與癌變有關。在許多常見腫瘤，如骨肉瘤、肺癌、膀胱癌、乳腺癌等惡性腫瘤中，常發現該基因失活 [11]。在對 P53 基因的研究中 [12-14] 發現該基因的突變和缺失是許多腫瘤發生的原因，這些腫瘤主要有子宮頸癌、肝癌、成骨肉瘤等。遺傳學改變主要是引起癌基因激活和抑癌基因的失活，使基因發生突變、缺失、增加和易位等而導致了細胞癌變。PCR 不但能有效地檢測基因的突變、重排、易位等，而且能準確檢測癌基因表達量，可據此進行腫瘤早期診斷、鑒別、分型、分期、治療及預后評估等。

近年，剛興起的熒光定量逆轉錄（RT）-PCR [10] 在腫瘤診斷、治療和微轉移以及微小殘留病灶檢測等方面具有廣泛的應用價值。研究表明，癌細胞或癌前期細胞在進入血液循環以后，通過定量 RT-PCR 檢測外周血腫瘤特異性標志物 mRNA，可進行實體腫瘤的篩查，檢測腫瘤術后及淋巴轉移陰性的病人外周血腫瘤細胞的數量，以便估計腫瘤的復發和轉移，制訂合理的治療方案。另外，定量 RT-PCR 還可用于腫瘤耐藥基因（MDR1）[10] 表達水平檢測，為臨床篩選化療藥物及治療方法提供依據。

4.2 PCR 技術在遺傳病方面的應用

PCR 技術首次臨床應用 [10] 就是從檢測鐮狀細胞和 β-地中海貧血的基因突變開始的。十幾年來，該技術在遺傳病診斷的臨床應用方面獲得了極大的成功。它能用于檢測已知基因序列的任何遺傳病基因的突變，如倒位、缺失 / 插入、動態突變、部分高發的點突變及表達量的異常等都可通過基因分析直接檢測用于臨床進行診斷，像地中海貧血、血友病、杜氏肌營養不良癥、脆 X 綜合征、苯丙酮尿癥等這些遺傳性疾病。PCR 在遺傳病診斷及遺傳病預防與產前基因診斷方面具有明顯的應用價值，PCR 產物直接測序已成為檢測遺傳病基因突變的常用方法。另外，PCR 在鑒定編碼抗生素耐藥性基因 [10]，尤其是在細菌不攜帶同源性序列且取單個菌落進行 PCR 擴增時，具有較高的特異性和敏感性。

4.3 PCR 技術在感染性疾病方面的應用 目前 PCR 在醫學檢驗中對感染性疾病的診斷 [10，15] 極具突出，只要核酸序列是清楚的，就可以檢測到任何有限的病原體。一般實驗室可檢出 10-100 個基因拷貝，而目前，病原體抗原檢測方法一般需要 10 5 ～ 10 7 個病原體才能檢測到。PCR 技術的運用解決了免疫學檢測的“窗口期”問題，可判斷疾病是否處于隱性或亞臨床狀態。再者，抗體檢測不能判定是現癥感染還是既往感染時，也需要用 PCR 方法來確定。另外，病原體感染后的發病時間和病情輕重均與病原體數量有關。如艾滋病（AIDS）由人免疫缺陷病毒（HIV）感染后，可根據 HIV 檢測的含量預知發病的時間。因為 AIDS 潛伏期的長短和臨床癥狀的輕重與血液中的病毒量呈顯著相關。在其它病毒性疾病中也多半存在類似情況，這均需 PCR 來定量說明。

PCR 在 HBV 定量研究中表明，HBV 載量與肝炎的發生、發展、預后以及與藥物療效有關，并證明定量 PCR 是鑒別 HBV 感染各期的良好工具。該技術能有效地確定血清 HBeAg 轉陰和非活動性攜帶者病人的 HBV DNA 水平，而常規雜交法則對這些低病毒血癥的 HBV DNA 探測不到。在抗病毒治療中，通過定量 PCR 檢測 HBV 的載量，來觀察拉咪呋啶及多種聯合用藥治療慢性乙型肝炎的療效具有指導意義。

PCR 對某些傳染性疾病疫苗接種后感染的鑒別也是極為重要的。例如：腮腺炎病毒疫苗接種后感染的病例時有發生，是疫苗引起的還是野生型腮腺炎病毒引起的，這就需要一種行之有效的方法來進行鑒別，以往的血清學、病毒培養及探針雜交等方法都很難做到。

過去，對結核病等其他分支桿菌病的診斷方法雖然很多，但均不夠理想。簡便易行的方法經常查不到抗酸桿菌，也無法鑒別結核桿菌與其他分支桿菌。用分支桿菌培養的方法且陽性率較低又耗時，而麻風桿菌在體外又不能培養，主要靠感染組織的涂片或切片鏡檢。其他方法，如血清學、氣相色譜等方法的敏感性及特異性都不夠理想，PCR 技術的運用使上述問題得到了解決。還有 PCR 技術在技術性病監控和性病病原體的檢測方面也正在擴大，并列為監控手段和作為檢測的金標準。

5.PCR 技術在醫學檢驗應用中的問題 5.1 假陽性

通常 PCR 在醫學檢驗應用中所面臨的問題之一是擴增產物污染帶來的假陽性，而實驗室污染又是假陽性的主要因素。只要實驗室被擴增產物污染，擴增片段隨時都可能污染新的樣本并又被同一 PCR 反應體系擴增出來而產生假陽性。解決的根本措施就是在封閉狀態下進行擴增和產物分析。近年發展了一種熒光定量 PCR 技術，從根本上解決了 PCR 擴增產物污染和不能定量的問題。該技術把基因擴增 PCR、分子雜交和光化學融為一體，實現了對 PCR 擴增產物進行全過程的封閉，并進行實時動態檢測和自動分析結果，進一步提高了其特異性。由于造成假陽性的因素相對單一，因此假陽性并不是困惑檢驗工作的主要原因。

5.2 假陰性

PCR 假陰性的原因相對較為復雜，主要包括有儀器設備的質量、試劑開殼劑和操作問題、PCR 產物的電泳檢測時間及有關 PCR 反應的關鍵環節等。PCR 儀本身的質量問題能使擴增效率下降或造成非特異性擴增而出現假陰性或假陽性。離心機的質量問題或使用不正確，可造成離心標本模板不能分離而產生假陰性。試劑開殼劑和操作問題造成標本 DNA 沒有暴露出來，致使擴增無法進行而導致假陰性。PCR 產物的電泳檢測時間一般為 48h 以內，大于 48h 后帶型不規則甚致消失不出現擴增條帶而程現假陰性。PCR 反應的關鍵環節有模板核酸的制備、引物的質量與特異性、酶的質量及 PCR 循環條件等，在這些環節中操作不當都可引起假陰性。另外，Mg 2+ 濃度和物理因素變性等對 PCR 擴增效率影響也很大。Mg 2+ 濃度過高可降低 PCR 擴增的特異性，濃度過低則影響 PCR 擴增產量。而變性溫度低，變性時間短，極有可能出現假陰性；退火溫度過低，可致非特異性擴增而降低異性擴增效率；退火溫度過高，影響引物與模板的結合而降低 PCR 擴增效率，最終都可導致 PCR 擴增失敗。還有靶序列變異使引物與模板失去互補序列，其 PCR 擴增也不會成功。

6.PCR 技術的應用前景 自從 PCR 技術誕生以來，隨著其深入不斷的發展與完善，許多與其相關的新類型及改良的新方法在不斷的涌現，這些派生出的新類型和新方法解決了以往傳統 PCR 的瓶頸問題。雖然，PCR 可對基因分析直接檢測用于臨床進行診斷，但大部分基因突變還是難以直接檢測。近年來，分子診斷技術最大突破就是集擴增、檢測和靶定量于一體的實時熒光 PCR 技術的問世。該技術的出現，對基因檢測和基因分型的應用范圍將進一步擴大，為 PCR 的臨床應用帶來曙光。因此，PCR 技術將有極大的發展空間和廣泛的應用前景，它將對腫瘤學、遺傳學、免疫學、微生物學、寄生蟲學和基因治療等進一步研究及臨床應用起著積極重要的作用。在現代醫學檢驗中，PCR 的應用將更加廣泛和深入。相信在不久的將來，隨著 PCR 技術的更進一步完善，它將作為常規檢驗方法進行全面普及，發揮更大的作用，為全人類健康做出更大的貢獻。

參考文獻

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第三篇：工程制圖在隧道設計中的應用

工程制圖在隧道設計中的應用

摘要：隨著國民經濟的飛速發展，國內交通事業日益繁榮，修建公路隧道也逐步成為提高公路技術指標、減短路線長度、節約用地和改善行車安全的重要手段，隧道設計也因此成為一項重要的研究課題。

關鍵詞：隧道；設計理念；工程制圖；交通安全

Engineering drawing application in tunnel design

Abstract：With the rapid development of the economic,the domestic transportation business prosperity.Construction of highway tunnel will be improve highway technical index, shorten the length of route, the economical use of land and improve an important means of driving safety.Tunnel design has become an important research topic.Summary:tunnel,design concept，engineering drawing，traffic safety

1.1 設計理念

隧道設計與隧道周圍的環境、公路使用者以及資源的可持續利用等因素有著密不可分的聯系。交通行業的核心價值是“用戶第一、行者為本”，而對環境則要樹立“不破壞就是最大的保護”的理念，因此，只有妥善處理隧道設計與使用者、自然以及資源的相互關系，才能搞好隧道設計的多方面要求，如橫斷面建筑限界選定、洞口設計、洞內路面設計、防排水設計等。

1.1.1 隧道洞口設計

隧道的洞口設計包括其洞口段、洞門、明洞和邊仰坡設計。洞口的設計應該盡可能的與洞口的地形、地質相適合，保護自然環境，盡量避免從洞口開挖。從地質、地形以及圍巖等客觀條件來看，隧道的洞口并不穩定，因此，選擇合理的洞口位置是保證設計質量的關鍵。隧道洞口為了安全，應該避免在：受洪水、泥石流等威脅的位置；巖層松散、破裂、風化嚴重、滑坡、容易發生坍塌的位置；地形等高線與隧道軸線斜角的位置等等。

隧道的洞口是保證施工安全進行的重要保證，具有改善和美化洞口環靜、保持邊坡穩定、防止坍塌等自然災害等作用。隧道的洞口一般采取明洞式和端墻式兩種結構，端墻式一般包括臺階式、柱式、拱翼式洞門，而明洞式則包括削竹式、直削式、倒削式、棚洞式、框架式以及喇叭式洞口。其中，端墻式適用于山凸、斜交地形及仰坡陡峭等狹窄地形，它對于地基的承載能力比較高，而明洞式則適用于地形開闊、仰坡坡度較小等寬敞地帶。

1.1.2隧道內路面設計

隧道內地下水對于路面的影響比洞外更大，洞內行車環境又比外界大，維修難度大，介于種種因素，保證隧道地面的耐久性變得更加重要。

隧道內的路面包括帶仰拱隧道的仰拱填充隧道路面以及不帶仰拱的天然石質路面。前者受地下水的危害相較于后者較小，只要嚴格按照仰拱路面的材料要求和填充要求施工便能保證路面的穩定性、勻質性和密實性。而不帶仰拱的天然石路基則受地下水的影響比較大，因此，需要用完整性好的、沒有顯著軟化的中硬或硬巖以上的巖石作為天然路基。

隧道路面一般采取復合式結構，因此，為了保證行車的安全，要再洞口內外一

定長度內，保持洞內路面和洞外路面的一致。

1.1.3隧道的防排水設計

隧道的水害會由洞內、洞外的多種因素引起，隧道的防排水設計也應該采取防、排、堵截三者的結合，要因地制宜，綜合治理。要做到對地下水以及地表水進行完善處理，形成一個洞內外完整而又通暢的防排水體系。

根據大部分隧道設計在山地，而有些洞口又與溝谷相交叉，因此應該根據溝谷的匯水面積計算其洪水流量，采取改移水道或者架設渡槽等方法來解除水對洞口的安全威脅。

有地下水威脅的隧道應該定制完備的防排水措施，防患于未然，做到有備無患。

2.1隧道的交通安全以及對策

近年來，我國的交通運輸得到長足的發展，山區隧道建設也被帶動，然而，在公路隧道為社會發展、人民便利做出重大貢獻的同時，交通事故又帶來了大量的人員傷亡和巨大的經濟損失。

由于隧道是山區高速的主要結構，在山區高速公路中又占有很高的比例，而公路隧道建設又有著復雜的建筑結構以及對地理環境的高要求，因此很多隧道已經成為了交通事故多發區域。介于此況，從隧道交通事故的起因分析、探討隧道設計的問題、改善隧道的管理有著極其重要的意義。

2.1.1隧道事故多發的原因分析

1）隧道入口處多為彎道、坡道，道路走向受到用地條件的制約，甚至有的隧道入口時多彎道、長下坡的路段。

2）隧道內外光線差異也是引起隧道交通事故的一大原因。較長的隧道內部光線較少，即便隧道內部有著照明裝置，但是仍然存在明顯的明暗程度差異。

3）隧道入口段與隧道內部路面材料的不同也會導致交通事故。瀝青路面具有可燃性，對隧道的消防不利，因此隧道內部一般采用水泥路面，而隧道外部則大多為瀝青路面，兩者材料不同，路面附著系數也因此存在明顯差異。

4）隧道入口處易積水，會對車輛行駛造成較大的影響。

2.1.2隧道事故特征分析

1）冬天、春天交通事故較多，原因是冬季山地結冰現象嚴重，而春季雨水較多，路面潮濕，都影響了車輛在隧道中的正常行駛，因此要著手增加路面附著系數。

2）大貨車、微型車在交通事故中比例較大，原因為大貨車重心高，出現超載的情況極易導致事故發生，而微型車速度過快，重心偏高，也易發生交通事故，因此隧道內部要嚴格控制車速，一變降低事故發生幾率。

3）隧道的交通事故中，追尾事故居多，連環追尾又占有一定的比例，因此隧道內要改變內行車視距以減少此類事故的發生。

2.1.3隧道交通事故的影響因素

1）地理環境

隧道所在地大多為山地地形，隧道入口處多為坡道和彎道，這些地理環境都極易發生交通事故，尤其在雨天、雪天等天氣惡劣時，更易發生車輛甩尾、側翻等交通事故。

2）天氣原因

雨天，路面附著系數大大下降，車輛附著力也因此明顯降低，車輛容易打滑導致方向失去控制，從而產生各種如撞擊隧道壁、原地掉頭、甩尾、橫臥路中的交通事故。

3）視覺影響

車輛高速駛入隧道，容易產生“黑洞效應”，就是在駛進隧道時，從洞外看隧道內感覺像一個黑洞，以致難以辨認導致發生交通事故。剛進入隧道時候，駕駛員一般難以適應光線的變化，因此視覺明暗的突變會引起視覺障礙從而威脅行車安全。

4）路面附著系數變化的影響

隧道相對于外面的路面是封閉環境，塵埃、雜物等長期得不到清除，又得不到雨水沖刷以及陽光的曝曬，路面的附著系數會逐漸降低，因此當車輛高速駛入隧道時，車輛容易打滑而發生甩尾、橫臥等失控狀況，從而導致車禍的發生。

5）隧道線性與線性組合因為隧道內特殊的視覺環境，線性設計不良的隧道更容易發生交通事故。隧道出口處的不良線性組合也經常會導致視距不良和錯覺現象，再加上出洞口時會出現眩目現象，更容易引發交通事故。

2.1.4隧道交通安全對策

1）隧道設計時應該盡量選擇和道路走向適應的地段，而且應該盡量避開彎道、坡道的影響，特別是連續彎道以及長坡道，并且在隧道入口前路段設置必要的減速帶，強制車輛慢行，降低車速，避免發生意外。

2）提高隧道內部路面的附著系數，減小與外界路面附著系數的差距，加建防滑槽，定期對隧道內路面進行清洗，使提高隧道內部路面的附著系數，防止車輛因打滑而造成的種種安全事故。

3）增加隧道內的照明設施，增加亮度，減少洞內外明暗差，從而減少駕駛員明暗適應時間，解決隧道入口處人眼不適的問題，盡量消除隧道進口處的安全隱患。采取合適的明暗交替過渡長度，并且可以采取適當設置，比如在洞口設置遮陽棚等。

4）隧道內外水泥路面和瀝青路面應該提早進行過渡，以便使駕駛員盡早適應，避免在洞內突然改變附著系數，從而受到附著系數差異以及明暗差異的雙重影響，更易引發交通事故。

5）要注意隧道內的防護設施的維修與建設。隧道內一旦發生事故，車輛便會撞擊隧道壁、路緣石，如果車速過快，很容易造成巨大的傷害，因此有必要在隧道內增設護欄，緩解車輛與隧道的沖撞力，在某些時候還能減輕車內人員的傷害程度，同時，護欄還能增加駕駛員的視覺誘導功能，更能避免事故的發生。

6）加強危險信號標志以及路牌，在危險狀況下設置信號預警燈，讓駕駛員能夠得到警示，做好心理準備，盡早提醒駕駛員前方有隧道，應該控制車速。總結：我國的公路隧道事業正在持續而又高速的發展，隧道工程是一個復雜的交通系統，需要保證其安全性，次而才能保證其對人民產生各方面的便利，改善人民的生活質量，提高生活水平，使人民過上舒適、高效、經濟的生活。我國對于隧道工程的設計仍然需要進行進一步的研究，造出更好的公路隧道，為國家、人民、社會和世界謀利。

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第四篇：酶在有機合成中的應用進展匯總

酶在有機合成中的應用進展

許廣帥

（化工學院 化工一班）

摘要：由于有機溶劑易使酶蛋白變性、失活或抑制其反應，因此，長期以來，形成 了一個概念：酶反應需在水溶液中進行。盡量避免使用有機溶劑。隨著酶學研究的進展。經 過近十年的大量研究，人們發現。只要條件合適，酶在有機溶劑中是完全能夠起催化反應的。1985年歐洲生物技術聯合會召開了“生物催化劑在有機合成中的應用，隨后又組織了“有機相中的酶催化討論會，引起了與會科學工作者扳太的興趣。近年來。有機合成化學領域的一個重大進展就是應用微生物或酶進行催化反應。由于酶催化反應具有高度的專一性，使得 這種合成與轉化在合成化學領域中具有很大的理論價值和應用潛力。

關鍵詞：酶、有機溶劑、生物催化劑、催化反應

Abstract: Because the organic solvent is easy to make enzyme protein denaturation and inactivation or inhibit the reaction, therefore, for a long time, form a concept: enzyme reaction should be carried out in aqueous solution.Try to avoid using organic solvent.With the progress of the enzymology.After nearly 10 years of research, people found.As long as conditions are right, enzymes in organic solvents is fully capable of catalytic reaction.In 1985 European biotechnology federation held a “the application of biological catalyst in organic synthesis, and then organized” seminar on enzyme catalysis in the organic phase, aroused the interest of the scientific workers pull too.In recent years.A significant progress in the field of organic synthesis chemistry is the application of microorganism or enzyme catalytic reaction.Because the enzyme catalytic reaction are highly specific, makes the synthesis and transformation in the field of synthetic chemistry has great theory value and application potential.Key words:Enzyme, organic solvents, catalysts, catalytic reaction 1 前言

酶除作用于天然底物外，還可作用于與其底物結構相似的物質發生非自然催化，從而構戚了一個特殊的化學合成新銹域。通過酶催化可以完成各種各樣的化學反應，如：氧化、脫氫、還原、脫氨、羥基化、甲基化、環氧化、脂化、酰胺化、磷酸化、開環反應、異構化、側鏈 切除、縮合以及鹵代等反應。由于酶催化較化學法催化具有區域選擇性、立體選擇性、條件 溫和、反應速度快等優點，因此形成了生物學與化學邊緣領域中十分引人注意的，研究非常活躍的重要課題，并已出現許多科研成果。實際上，酶催化已經應用于制藥、精細化工、食品添加劑以及日用化合物等的合成。酶在有機合成中的應用

多肽合成、脂類合成、抗生素的修飾、有機酸、光學活性氨基酸的制備、日用化合物生產。

2.1鹵過氧化物酶

2.1.1鹵化反應

氯是目前地球上含量最多的鹵素，其次是溴和碘。鹵素被有機體用來產生鹵素代謝產物，從哺乳動物體內的甲狀腺激素到某些植物產生的有毒的氟化脂肪酸。藻類，特別是海藻是目前最豐富的鹵素代謝產物的來源1221。海藻在鹵過氧化物酶的幫助下合成了鹵化合物。這些化合物包括吲哚、萜、酚類、揮發性的鹵代烴等。鹵化酶所產代謝物大都具有生物學的抗真菌、抗細菌、抗病毒和抗炎的活性，例如鹵代的吲哚，具有抗炎和抗癌的活性。鹵化反應可以被亞鐵血紅素鹵過氧化物酶以及釩鹵過氧化物酶和細菌鹵過氧化物酶所催化。早在1961 年，Hager等∞l就報道了CPO能和B一酮酸發生鹵化反應。鹵化作用的代表是氯過氧化物酶催化的卡爾里霉素的生物合成1241。近年來，由于具有可以鹵化一系列有機化合物的力，鹵過氧化物酶引起了商業和藥學界的濃厚興趣。由鹵過氧化物酶催化的鹵化反應缺乏立體特異性，這與無酶鹵化反應是一致的，具體的細節仍有爭論閉，但某些糖烯的區域選擇性溴化反應例外倒。糖烯在氯過氧化物酶、HX(鹵化氫)和H：O：存在下反應生成相應的2一脫氧一2一溴糖，且具有高的區域和立體選擇性。該化合物是非常有用的生物活性糖類和合成纖維，此方法對于鹵代糖類的合成是一種新的方法。2.1.2氧化反應

炔在各種化合物的合成中是一個非常重要的中間體。已經研究了很多炔上三鍵的氧化反應。然而，對于氧化炔丙基的例子并不多。手性丙炔醇是對應選擇性合成復雜分子(特別是生物學活性物質)的重要標準部件。Hager等[271報道了CPO在H20：或TBHP(叔丁基氫過氧化物)的存在下，催化氧化2一炔到醛的反應。從炔到醛的炔丙基氧化過程中，不對稱的炔丙醇作為一個中間體。在H：0：和CPO的水溶液中，醇完全、快速地轉化成了醛(92％～95％)。在己烷(或乙酸乙酯)和緩沖溶液(pH=5．0)的兩相體系里，CPO可以催化一系列伯醇生成相應的醛閻。CPO也可以不對稱地催化前手性的l，3一環己二烯，反應有高的對應選擇性，且有很高的產率。2.1.3環氧化作用

環氧化合物是非常重要的有機合成中間體。通過官能團轉化反應，可以從環氧化合物制備一系列不同結構的手性化合物。目前，工業應用的烯烴環氧化合成環氧化合物的方法主要有氯醇法和Halcon法。在氯醇法中，合成反應會產生大 量含CaCl：及各種有機氯化物的廢水，造成嚴重的環境污染，而且設備腐蝕嚴重；Halcon法工藝流程太長，投資大，對原料質量要求較高，操作條件嚴格，且聯產品多，故這兩種生產方法均不能滿足可持續發展的要求。隨著人們對環保的日益重視及對環氧化產品需求的不斷增加，發展工藝簡單、污染小的綠色環氧化合物合成新工藝顯得更為迫切1291。應用于烯烴環氧化的酶主要有氯過氧化物酶(chloroperoxidase)和單加氧酶(monooxygenase)。自從發現CPO能作為一種環氧化反應的催化劑以來，這個反應的選擇性和產率一直是人們關注的問題。研究發現，CPO能催化各種烯烴的不對稱環氧化，且有很高的產率和對映選擇率。另外，CPO還可以催化茚，經過茚二醇中間體。直接衍生出手性環氧化物[30l]。

總結：鹵過氧化物酶能催化多種反應，且催化的多數反應以立體特異性的方式實現。此外，催化反應條件溫和，無環境污染，應用前景廣闊。但是，當H20：氧化劑濃度高時，容易失活；且大多底物水溶性差。近年來，已經開發了一些方法來改善這些不利因素，例如：C礦、M礦等多種離子可以提高無輔基鹵過氧化物酶的穩定性、耐熱性和耐有機溶劑的能力例；利用抗氧化劑來提高氯過氧化物酶的操作穩定性I擁。因此，對鹵過氧化物酶進行修飾、改進將是今后發展的重要方向。隨著研究的不斷深入，相信在不久的將來，鹵過氧化物酶必將成為現代合成化學和醫藥工業中重要的手性催化劑。

2.2氰基水解酶

2.2.1氰基水解酶簡介

早在三十年代，為了 解釋一些化學合成的氰基衍生物對植物生長的 促進作用，就有人提出 某些植物器官能將氰化物轉化成酸。哈佛 大學的 Thimann和 Mahadeven認為這是一個酶促反應，并于1964年從大麥葉子中正式分離到這個酶，定名為氰基水解酶。目前的研究表明，腈化物的酶水解通過兩種途徑： 一是通過氰基水解酶將氰基直接轉化成羧酸，二是先通過氰基水合酶；將氰基轉化成酰胺，再通過酰胺酶的作用轉化成羧酸。通常所說的廣義的氰基水解酶即包括這兩種途徑所涉及的三種酶。本文除特別指出外，均指廣義的氰基水解酶。2.2.2氰基水解酶在有機合成中的應用

在有機合成中，常常需要水解氰基時不傷害其它可水解基團，如酰基、縮醛、醚鍵等。Faber小組在對固定化酶SP409的研究中發現，這種復合酶對乙酯，磷酸酯類底物顯示出了化學選擇性，而對甲酯及酰基取代的底物則不具有選擇性（Figure4），酯鍵也水解了，這可能是由于SP409不純，含有能使甲酯和乙酰基水解的酯酶。

氰基水解酶的工業應用氰基水解酶的溫和高效特點使之在工業生產上有很重要的應用價值。當今最主要的工程應用是日本Nitto公司的丙烯酰胺工程(Figure20)，年產已達30000噸。在這項工程中，酶催化與傳統的酸水解相比具有絕對優勢,不僅能有效地將反應中止在第一步,不致生成丙烯酸，而且產率可達100% ,遠遠高于傳統酸水解的65%，同時可以避免在中和強酸時生成的副產物硫酸銨。

2.3微生物環氧化合物水解酶

2.3.1催化機理

環氧化合物水解酶是一種a/B-折疊型水解酶，遵循兩步催化機理：(1)酶的天冬氨酸殘基親核進攻環氧乙烷中的一個碳原子，形成一個共價結合的酯中間體；(2)在酶的作用下，一個水分子被激活，將酯中間體水解成產物。Rink等的研究發現，細菌A．radiobacter幻婦燈環氧化合物水解酶的Aspl07(親核進攻作用)、Asp246(輔助組氨酸殘基發揮作用)和His275(活化水分子)3個氨基酸殘基組成了該酶三位一體的催化功能。2.3.2有機合成上的應用

隨著被發現的微生物環氧化合物水解酶種類的增多，其應用方面的研究也不斷深入。許多實驗研究已經擴大到生物反應器中，光學活性環氧化合物的制備規模已經達到幾十克的水平。在這些拆分反應中，不僅使用了生物反應器，而且采用了高底物濃度、兩相體系，甚至用自來水代替緩沖液等多種新的方法，展現了良好的應用前景。WeUem等““報道了在水一有機溶劑兩相體系中，利用酵母細胞硒。出n ck咖“出環氧化合物水解酶進行了大規模的拆分反應，獲得了高濃度(0.9ml，L)、高光學純度(98％ee)的(s)一1，2一環氧己烷(6.5g，30％收率)。在級聯的中空纖維膜生物反應器中進行連續轉化時，比產率為3.8g/L/H，運行12d，獲得了38g高光學純度(98％ee))的-1，2-環氧已烷。

在藥物合成方面，利用環氧化合物水解酶制備光學活性的環氧化合物，解決了許多重要的生物活性物質合成途徑上的限制性環節。Faber等“23利用冷凍干燥細胞對底物進行不對稱水解開環，得到了一種合成松樹甲蟲信息素的重要中間體——(s)-Frontalin。Furstoss的研究小組利用黑曲霉選擇性水解環氧苧烯底物，獲得了光學純的6，7-雙羥基香葉醇和(4s，8s)-防風根醇，后者是護膚品、洗滌劑和多種軟膏的重要成分。在拆分(±)一a一甲基-異丁基苯基環氧乙烷的反應中，他們還采用了化學．酶法。首先通過黑曲霉催化的不對稱水解獲得r s-構型環氧化合物，然后將生成的R-二醇采用化學的方法環化為消旋的環氧化合物繼續進行拆分。(s)-a-甲基一異丁基苯基環氧乙烷在開環后可以轉化成重要的生物活性藥物——s-布洛酚。同時，他們利用該環氧化合物水解酶拆分330moL/L的對-硝基苯基環氧乙烷(54g/L)，經過6h的水解反應得到了光學純度高達99％的S-構型環氧化合物，然后在酸性條件下對產物進行水解及重結晶獲得了光學純度為98％的R-二醇，最后加氨合成了肛阻斷劑類手性藥物尼芬爾醇。這種化學酶法在拆分外消旋環氧底物獲得光學活性環氧中間體以制備藥物(R)-3，5-二羥-3-甲基戊酸內酯的合成中得到了應用。此外，Furstoss等還報道了利用兩種選擇性互補的微生物A.niger和S.tuberosum環氧化合物水解酶，共同催化對-氯苯基環氧乙烷的不對稱水解反應，得到了神經保護藥物Eliprodil的關鍵性手性合成子——光學活性的R-二醇，其對映體過剩值高達96％，轉化率達93％。利用真菌S．tuberosum環氧化臺物水解酶水解茚環類環氧化臺物，他們還獲得了抗愛滋病藥物齊夫爾定(Indina-vir)的重要前體物質：光學純度為98％的(1R，2S)——環氧化合物(收率20％)和光學純度為69％的(1R，2R)——二醇(收率48％)。

生物酶在有機合成中的應用是20世紀80年代發展起來的生化技術。由于它有許多優點，如反應條件溫和（常溫、近中溫），具有高度的區域選擇性、立體選擇性和對映體選擇性，可避免敏感官能團發生變化，可產生許多光化學活性物質，尚可完成一些用傳統的化學反應；另外還有產品純、無三廢、無環境污染等優點，因此越來越受到有機化學研究者的青睞，實驗表明在有機溶劑中進行酶催化反應具有以下優點：增加非極性底物的濃度，很多不溶于水或在水中不穩定的產物能在有機溶劑中用酶來催化生成；有機溶劑能保護酶免受有毒反應物和反應條件的損壞，提高酶的耐溫性等。酶催化反應的類型包括氧化還原、酶合成、酯交換、脫氧、酰胺化、甲基化、羥化、磷酸化、脫氨、異構化、環氧化、開環聚合、側鏈切除、聚合及鹵代等。

酶在有機合成中的應用以逐漸被人們所認識，并且近年來已取得了較大進展，利用酶催化的不對稱可以合成許多手性分子，隨著酶技術的發展，已經克服了酶催化反應中存在的一些問題（如：對有機介質的敏感性、對底物變化的適應性以及醇的不穩定性等）。近年來有關酶技術的進展主要體現在以下幾個方面：

（1）固定化酶：將酶固定在固定支持物上，或通過酶分子之間的交聯而得以固定，通過固定后可以更方便、更有效地利用酶，提高酶催化作用的效率；

（2）酶在低水有機介質中催化反應：多數酶是在水溶液中催化化學反應的，近年來酶低水介質中催化有機反應取得了明顯的進展，從而拓寬了酶應用的領域，到了酶反應只能在水溶液中進行的傳統觀念；

（3）抗體酶：抗體酶是近年來才出現的新概念，是專一作用于抗原分子的有催化活性的、有特殊生物學功能的蛋白質。抗體酶兼備免疫反應的專一性和酶催化反應的活性，因此有可能通過人工制備來獲取高選擇性的催化劑以應用于化學、生物和醫藥學；

（4）模擬酶：通過人工合成制備模擬酶的識別和催化性能的分子，已經越來越引起化學家的注意。合成酶也能像天然酶一樣加速某些化學反應，并顯示出較強的立體選擇性。雖然合成酶的研究剛剛起步，但已顯示出了巨大的誘惑力；

（5）Ribozyme：Ribozyme的功能主要是切斷RNA，有阻斷基因表達和產生抗病毒作用的應用前景，其底物都是RNA分子。

參考文獻：

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第五篇：3D打印技術及其在地學信息領域應用進展

3D打印技術及其在地學信息領域應用進展

作 者：繆謹勵、劉文斐

單 位：中國地質調查局發展研究中心、國土資

源部地質信息技術重點實驗室

地 址：北京市西城區阜外大街45號院 郵 編:100037

摘 要： 3D打印在三維建模方面是一種革命性的進步技術。在地質建模方面可以應用3D打印技術將地理信息數據打印成實體模型。例如地質模型、地形地貌模型、地理信息系統模型、房地產3D沙盤模型。3D打印技術在地質新方面的應用在日益發展。關鍵詞：3D打印、三維建模、實體模型

3D打印技術近年來得到普遍關注。目前，國外3D打印技術在各領域的應用已取得明顯進展，而在國內，3D打印技術還沒有得到全面應用。就地學信息領域而言，僅在個別部門得到初步應用。

一、3D打印技術簡介

（一）發展歷史

3D打印技術最早誕生于1986年美國人查爾斯.豪爾（Charles W.Hull）申請的專利。作為3DSystems公司的創始人，查爾斯.豪爾推出了第一款工業化的3D打印設備。80年代末期，出現了熔融層積成型技術（FDM）與選擇性激光燒結（SLS），并于1992年售出了第一臺基于熔融沉積成型技術的3D打印設備。同年，DTM公司也將選擇性激光燒結技術生產的產品推向市場。1993年，美國麻省理工學院啟動研究“三維打印技術”，并于1995年推出了第一款產品。隨后，一款具有里程碑意義的3D打印機產品--Spectrum Z510于2005年推出，這是第一款能夠實現高分辨率彩色3D打印的設備。此后，世界上推出了幾十種不同的3D打印制造工藝方法，其成本也逐年降低。

（二）工作原理

3D打印技術的工作原理與傳統的噴墨打印技術基本相似，均為基于原料噴射堆疊成型技術。3D打印的主要流程：應用計算機軟件設計三維模型藍圖，通過電腦輔助設計技術（CAD）完成一系列的數據切片，然后將這些切片信息發送至3D打印機，對描述打印對象相關屬性 的數據文件（如STL文件或者CAD文件）進行快速處理，最后用液化、粉末化或絲化的薄層材料逐層連續地進行堆疊，每層材料只有0.1mm-0.2mm厚，層與層之間通過特殊的液體粘合劑進行粘合，并完成固結，直至“打印”出成型的固態實體模型。

（三）優缺點

3D打印技術在三維模型的模擬方面取得了革命性進步。由于3D打印不需要生產線，既節省了模具制作時間，縮短了生產周期，又減少了前期模型各部件設計及粘合的成本消耗，同時也在一定程度上減少了材料的浪費。另外，3D打印技術具有一次成型，快速個性化定制等特點，在小批量、多品種的生產中占有優勢。充分利用3D打印機，消除修改磨具的制作成本消耗，能夠使開發成本節約10倍以上，同時縮短產品開發周期至1/3，同時在制作的過程中無需考慮工具的路徑和脫模的方式。

3D數字可視化技術能夠成功地將真實環境下的目標對象呈現于虛擬環境之下。而3D打印技術制作的三維實體物理模型能夠輔助用戶更好地理解目標對象在現實世界中不同維度下的形態。事實上，3D打印技術在舒適度、基于目標對象特征的探索、分析和實現大規模討論的可行性簡易程度、以及對用戶專業素質的要求等方面明顯優于3D數字可視化技術。

然而，3D打印技術還存在一些技術難點，如3D打印數據、粉末材料和液體粘合劑的準備過程復雜，3D打印機易用性差等問題。STL格式數據輸入的過程很難實現用戶可視化，并且處理后輸出的數據還需進行一系列用戶不可見的不規則數據自動化清理過程。由于3D打印產業不斷發展帶來的社會安全和知識產權保護等問題，也可能影響3D打印技術的發展進程。

（四）工藝分類

目前，比較成熟的主流3D打印技術有十余種，其中SLA快速成型技術是目前應用最廣、精度最高的快速成型方法。每種技術都有其各自的優勢和劣勢。還有一些不常用的技術,如多噴嘴建模系統、V Flash Printer、Desktop Factory、DLP激光成型技術、UV紫外線成型技術、實體磨削固化（SGC）、數碼堆疊成型技術（DBL）、三維焊接（3DW）、直接鑄殼成型技術（DSPC）、直接金屬成型技術（DMD）等工藝方法。

二、3D打印技術的應用現狀

3D打印在制造業已經悄然興起，隨著3D打印技術社會需求量的逐年增加，3D打印機的價格逐年降低。截至2010年初，中國3D打印設備使用量占亞洲總額的30.4%，占世界總額的3%。

（a）（b）

圖 1（a）美國佛羅里達州邁阿密的The Realization Group 多維可視化服務公司采用ZPrinter 310 Plus 制作了這款28 英寸高的邁阿密“The Met”建筑物模型，所用時間和成本為傳統建筑模型制作方法的四分之一。（b）南非德班千禧塔(F.A.D Publishers)以及南非斯坦陵布什大學學生使用ZPrinter 310打印機根據實際工程參數制作的千禧塔三維模型。

3D打印技術在許多領域均有涉及。生物化學醫療方面，3D打印技術可以將CT 和MRI 掃描數據轉化成三維模型，以供學術和臨床用途，包括手術方案的制定、醫學假肢或生物體植入物的設計，還有比較新興的“三維細胞打印”和“仿生定制”等，使活細胞打印有可能在未來成為現實。3D打印技術還可打印化學反應容器，可產生新的化學化合物。3D打印技術可以復制無法翻模、不適于翻模、以及局部殘缺的文物，對于重建古生物化石、考古學復原文化古跡和珍貴藝術品意義重大。由于3D打印技術可用于復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件和構件制造，對于結構復雜、成本高昂的航空航天零件，一旦出現瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成數十萬、上百萬元損失。而通過3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節約了時間和資金。另外，美國航空航天局（NASA）正在研究食物3D打印機，目的是研發新的方式來生產營養食品，并可在漫長的航天任務中進行儲存。3D打印成型的建筑項目模型能讓建筑設計師從創造性和空間感方面考慮問題，有助于與負責按設計施工的工程師之間進行良好的溝通。3D模型也可用于各學科的教學和科研。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經被應用于

教學和科研，其中以麻省理工學院尤為領先。同時，位于南非的斯坦陵布什大學工業工程系也驗證了3D打印技術在教育領域的價值。3D打印技術在資源、能源開采領域也逐漸得到推廣。中國石化工程技術人員首創的“礁灘相儲層開發精細描述技術”，將3D打印技術制作的地下儲層精細的三維地質模型，應用于普光天然氣田的鉆井設計，鉆井成功率達100%，從而解決了世界難題。

三、3D打印技術在地學信息領域的應用

（一）基于地理信息數據制作各種三維實體模型

3D打印技術能夠準確地區分土地、水體、建筑物和其它地形特征，特別是復制一個復雜的等比例自然地形結構或城市構造，使3D打印技術在地學信息技術領域的應用深度逐漸增加。對于大面積的地理結構圖，可將地理模型分段處理，逐塊打印，最終拼接到一起。應用3D打印技術可以將地理信息數據打印成多種實體模型：

1.地質模型：輔助工程人員了解不同地層在水平和垂直方向上的屬性特征、礦體特性、地下水概況和各深度的蓄水層構造。

2.地形地貌模型：提高了商談復雜解決方案的效率。

3.地理信息系統模型：迅速、高質量地呈現鄉村、城市、地形地圖。4.房地產3D沙盤模型：不僅外觀精細準確，內部結構也符合標準比例尺。

（a）（b）

圖 2（a）應用3D打印技術生成的描述地形和地下地質情況的3D模型；（b）應用3D打印技術在水晶玻璃中生成的洞穴幾何形狀及根據地震數據生成的彩色3D模型

（二）應用3D打印技術呈現GIS圖層的技術難點

通過3D打印技術呈現GIS數據的技術仍處于起步階段，存在一定的技術難題，主要包括：

1.需要將大量不同種類的地理空間數據格式轉換成STL文件格式。

2.減少在DEM數據轉換為STL文件格式過程中的數據丟失。STL格式文件是目前3D打印機識別的幾種文件格式之一。研究人員正在通過使用各種軟件和方法分幾個階段獲取3D STL格式的數據。已經成功的一種是將DEM ASCII XYZ直接轉換成3D STL 數據。

3.3D打印技術本質上并不是一個廉價的技術手段，因此在制作實體三維物理模型時，一定要估算打印材料的使用量。

4.3D打印技術可以制作高精度、高分辨率的實體模型，但同時也可能丟失一部分細節特征。模型打印過程中，材質層堆疊的寬度將決定打印的分辨率，以及模型壁的最小厚度極限值。

5.用戶需要提前準備好3D數字模型用于3D打印數據輸入。

6.原始GIS數據被打印成3D模型后，數據的屬性被整合壓縮。但是有時研究人員需要研究數據的個別屬性，需要重新返回平面地圖--參考初始平面形態。

（三）3D打印技術與虛擬三維城市模型(CityGML)的聯系

空間數據的可視化進程經歷了一系列發展階段。起初，僅能應用2D紙質地圖以固定比例的非交互式的靜態模式，對現實事物進行二維展示。隨著信息技術的問世，這些2D地圖可以被掃描至計算機，生成可根據需求進行適度縮放的非交互式數字2D圖像，而虛擬世界的比例尺寸概念成為當時的技術挑戰。隨著地理空間信息技術的提出，附加相應非空間屬性的交互式2D數據得以生成。GIS技術的進一步發展，成功創建了交互式3D數據和附加相應屬性的虛擬模型。緊接著，三維建模功能迎來了一系列快速的進步和技術革新，在此基礎上提出了3D模擬漫游概念，并應用相關軟件生成動態視頻。隨后，隨著硬件的進步，3D打印機的問世很大程度上縮短了三維實體物理模型的生成時間，使之前不可能實現的目標對象制作過程變得簡單易行。

CityGML是一種用于虛擬三維城市模型數據交換與存儲的格式,是開放地理空間信息聯盟OGC認可的標準。與其它3D矢量格式相比，CityGML是表達現實世界的通用拓撲模型。對于特定的領域，CityGML也可以在保存語義互操作性的前提下提供拓展機制來豐富具有識別功能的數據。目標應用領域明確包括了城市和景觀規劃、建筑設計、旅游和休閑活動、三維地籍圖，可采用5個連續的分辨率等級（LOD0-LOD4），打印精度從≤0.2 m至≤5 m不等。現階段許多城市都根據CityGML建立了3D城市模型，如德國的柏林市和荷蘭的阿珀爾多倫市。

四、3D打印技術在地學空間信息領域應用的發展趨勢

當前，3D打印技術在地學空間信息領域的應用主要朝著三個新方向發展：

1.3D打印技術生成的房地產3D沙盤模型，不僅外觀細節精確，分辨率較高，內部結構也符合標準比例尺，從而極大地提升規劃和設計的參考價值。隨著國內有關3D打印產業政策的輿論呼聲日漸高漲，房地產領域在應用3D打印技術向消費者和規劃設計人員進行展示的標準化問題會獲得新進展，國家科技部的相關負責人已經表示，將會制定有關的3D打印行業規范及相關政策。

2.3D地質沙盤也有助于對建筑地基、地下空間構造、隧道等地質數據集成的理解。應用3D打印技術可快速生成三維地質礦產模型，幫助地質和礦山開發人員了解地質礦體情況。3D打印技術在一些技術較發達的國家的地學研究領域已有實踐，在地下礦床油氣田結構可視化、地質研究、野外環境分析、礦產資源能源開采以及軍事指揮中，均有了許多成熟的應用。

3.地理空間信息科學研究需要更高三維精細度的3D模型。目前，全球最為流行的專業3D打印機是Zprinter系列產品，這種型號的打印機可以很好地兼容地理空間信息模型的輸出，并支持全彩打印，從而將地質結構的三維實體特性清晰細致地展現出來，其效率很高。

世界著名商業建筑設計公司Jerde 在波蘭華沙“Zlote Tarasy”項目的波狀玻璃屋頂設計以及加利福尼亞州“Morongo 娛樂場耀眼天蓬”設計時，其效率呈“指數式”提升。麻省理工學院也將Z Corp.3D打印機應用于教學和科研中。不僅提升了學生教育體驗的效益，同時也完善了建筑設計等相關專業的尖端課程，增強了與世界頂級研究機構及重點實驗室的緊密聯系。國內的一些測繪裝備類企業，也積極在為國內的3D打印技術提供著硬件、軟件技術和精準測繪數據上的支持，可以清晰地打印出高標準的模型。

3D打印技術被視為地學信息技術領域最大眾化的發展方向。英國Terrainator.com地圖平臺是一家打印3D地圖工藝產品的網站。用戶可以在網站提供的地圖中，按照一定的比例尺圈定區域，提交給地圖平臺，系統會自動生成三維地形結構圖。網站會根據該區域的版圖面積、地形復雜程度和一些定制化的要求為用戶打印出三維地形模型。目前，該地圖平臺僅支持美國大部分地區、加拿大西部、英國及歐洲少數國家的部分地區。除此之外，美國網站Landprint.com則是一個明碼標價出售3D地理模型和地形模型的公司，主要出售夏威夷群島、世界著名山峰、著名國家公園和月球隕石坑四個類型的3D模型，比如圣海倫斯火山的3D地形模型可賣到195美元的高價。同樣，該公司也提供3D地形定制化服務，滿足客戶的特殊需求。

3D打印技術在地學信息領域應用日趨廣泛，并且技術上已經日臻完善，必將在地質調查三維模擬和地質勘查三維模型成果輸出方面發揮重要作用。

(轉自中國勘測聯合網：www.tmdps.cn 技術百科)