碳晶格最新研究进展论文

层错是晶体面序列上的不规则性。因此，晶体基态结构中的层错与过剩的能量有关，称为层错能(SFE)。

在此，来自美国俄亥俄州立大学的Maryam Ghazisaeidi等研究者，重新讨论了层错能(SFE)的意义和致密合金中晶格位错平衡解离的假设。相关论文以题为“Stacking fault energy in concentrated alloys”发表在Nature Communications上。

论文链接：

SFE测量了相对于另一个原子平面的剪切能量成本，因此，直接与晶体对变形的响应有关。根据Frank法则，在晶格位错分解为部分位错以降低弹性能的过程中，会产生层错。因此，层错区域的大小(部分位错之间的距离)，是由部分位错之间的排斥性弹性相互作用和它们之间产生层错的能量之间的平衡所决定的，即SFE。 在面心立方(fcc)晶体中，SFE和位错的解离宽度会影响位错的迁移率、交叉滑移的能力和孪晶的形成，所有这些因素都决定着晶体的力学行为。

通过合金化引入化学变化，进一步影响SFE，进而影响力学响应。在fcc晶体中，层错区域以部分位错为界，由两个具有六方致密排列(hcp)结构的原子平面组成。Suzuki等人研究表明，该区域溶质的平衡浓度可能与平均体积浓度不同。溶质向或从层错区偏析或耗尽，改变了SFE，进而影响位错行为。而这种现象，已在许多合金体系中广泛观察到。

随着合金的成分变得更加复杂，例如，在不锈钢或高温合金中，SFE的合金化效应，在决定相互竞争的变形机制中起着更加突出的作用。例如，钢中马氏体相变和机械孪生等二次变形模式的激活均与SFE直接相关。随着SFE的减小，变形机制由位错滑移向位错滑移和孪晶(孪生诱导塑性效应或TWIP效应)转变为位错滑移，γfcc转变为ϵhcp马氏体相变(相变诱导塑性效应或TRIP效应)。

高熵合金(HEAs)将成分的复杂性带到一个新的极端。HEAs是等浓度或接近等浓度的多组分合金，其中溶质和溶剂的概念不存在。在这种情况下，SFE很可能受到局部原子构型的影响，因为一些原子键比其他原子键更难打破。Smith等人观察了CoCrNiFeMn中层错宽度沿位错线的局部变化，证明了HEAs中局部效应的重要性。

但在这里，有两个基本问题急需解决：(1)SFE还能被认为是晶体特有的固有属性吗？(2)解离距离和位错迁移率仍然受SFE控制吗?

鉴于此，研究者使用NiCo系统模型进行了计算演示，该模型完全可混溶，可以检测一系列成分和温度。此外，hcp和fcc的有利度以及SFE的符号可以通过改变成分来调整。此外，该体系不容易形成SRO，因此，可以将这种效应从随机合金中仅由成分波动引起的效应中分离出来。

研究表明，SFE在纯金属中具有独特的价值。然而，在超过稀释极限的合金中，SFE值的分布取决于局部原子环境。通常，部分位错之间的平衡距离是由部分位错之间的排斥性弹性相互作用和SFE的唯一值之间的平衡决定的。这种假设被用来从金属和合金中位错分裂距离的实验测量来确定SFE，通常与计算预测相矛盾。研究者在模型NiCo合金中使用原子模拟，研究了在具有正、零和负平均SFE的成分范围内的位错解离过程，令人惊讶的是，在所有情况下，在低温下都能观察到稳定的、有限的分裂距离。然后，研究者计算了去相关应力，并检查了部分位错的力平衡，考虑了对SFE的局部影响，发现即使SFE分布的上界在某些情况下也不能满足力平衡。此外，研究者还证明了在浓固溶体中，位错与局部溶质环境相互作用产生的阻力，成为作用于部分位错的主要力。在这里，研究者证明了高溶质/位错相互作用的存在，而这在SFE的实验测量中是不容易测量且容易忽略的，从而使得SFE的实验值不可靠。（文：水生）

图1 等原子CrCoNi介质熵合金离解位错的表征。

图2 晶格位错离解过程中能量的示意图变化。

图3 NiCo随机合金中边缘位错的解离。

图4 解离过程中作用在肖克利部分位错上的力。

图5 NiCo随机合金有限温度fcc-hcp自由能与局部层错能的比较。

图6 NiCo随机合金中边缘位错的去相关过程。

图7 fcc Co中存在部分位错的Ni溶质相互作用能图。

图8 溶质/位错相互作用的估计。

图9 解离过程中作用在肖克利部分位错上的各种力的图解演示。

麻省理工学院的研究人员说，仅仅通过在一种特殊的液体中晃动就能产生能量的微小的碳纳米管，有朝一日可能成为微型机器人甚至更小设备的突破性动力源。 这种方法还可以为电化学提供一种新的和更有效的电力来源，从环境中获取能量来进行化学转换，从而减少对传统电力来源的依赖。

碳纳米管是微小的空心管，由碳原子的紧密晶格形成。它们已经被用于太阳能发电、更有效的计算机芯片、柔性电池等方面的进展，但麻省理工学院的团队着眼于这种碳纳米管本身的固有电性能。

研究人员发现，将碳纳米管部分涂抹在类似特氟隆的聚合物中，会在电子如何流经它的过程中产生不对称性：从管子的有涂层部分到无涂层部分。不过，要实际上让电子流出来需要将纳米管浸没在一种溶剂中，而这种溶剂会将其去除。

麻省理工学院化学工程系Carbon P. Dubbs教授和该项目的负责人Michael Strano解释说："这项技术很有吸引力，因为你所要做的就是让溶剂流过这些颗粒床。"当然，这种技术离小型发电站的实现还有一段距离。概念验证涉及研磨碳纳米管，以便它们可以形成一个单片：其中一面涂有聚合物。然后切出250微米x250微米的小片并将其浸入有机溶剂中。

"溶剂带走了电子，而系统试图通过移动电子来平衡，"斯特拉诺解释说。"里面没有复杂的电池化学成分。它只是一个粒子，你把它放入溶剂中，它会启动一个电场。"

每个粒子产生约伏的电压，但好处是规模大。将数百个粒子组合到一个小试管中，就形成了一个所谓的 "填料床"反应堆。事实证明，这能够为一个被称为酒精氧化的电化学过程产生足够的电力 - 将酒精转化为醛或酮，而由于外部电力需求，通常不会以这种方式进行。

反应器的未来应用可能包括更多这样的电化学电源，并有可能使用从环境中捕获的二氧化碳来制造最重要的聚合物涂层。Strano的实验室之前已经展示了碳纳米管线如何在逐步加热时产生电力。

不过，除此之外，研究人员表示，微型发电机的想法有更广泛的潜在应用。微型或甚至纳米级的机器人是一种可能性，在这种情况下，它们所处的环境的电力足以让它们运行。这样一来，就不需要传统意义上的机载电池了。

PCR技术是一种体外酶促合成、扩增特定DNA片段的方法。下面是我整理的关于pcr技术论文，希望你能从中得到感悟!

技术的研究进展

摘要 PCR技术是一种体外酶促合成、扩增特定DNA片段的方法。因其高强的特异性和灵敏度以及检测速度快、准确性好等优点，已被广泛地应用于水产、微生物检测等许多领域。该文从PCR技术的原理及应用方面进行了综述，并对其发展做出了展望。

关键词 PCR技术;研究进展;应用

中图分类号 Q819 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2012)10-0047-02

PCR(polymerase chain reaction，PCR)即聚合酶链式反应，它是一种体外酶促合成，扩增特定DNA片段的方法。1985年，美国Karray等学者首创了PCR技术，并由美国Cetus公司开发研制[1]。随着科学技术的发展和突破，PCR技术已在多个领域得到广泛地应用，如微生物检测、兽医学、水产养殖等方面。由于该技术具有较强的灵敏度、准确度和特异性，又能快速进行检测，因而其应用领域也在不断延伸[2-3]。随着PCR技术的不断发展，在常规PCR技术的基础上又衍生出了许多技术，如多重PCR(mutiplex PCR)技术[4]、实时荧光定量PCR(real-time fluorescent quantitative PCR，FQ-PCR)技术[5]、单分子PCR技术[6]。

1 PCR技术原理

PCR技术是根据待扩增的已知DNA片段序列、人工合成与该DNA 2条链末端互补的2段寡核苷酸引物，在体外将待检DNA序列(模板)在酶促作用下进行扩增。PCR的整个技术过程经若干个循环组成，一个循环包括连续的3个步骤：第1步是高温条件下的DNA模板变性，即模板DNA在93~94 ℃的条件下变性解链;第2步是退火，即人工合成的2个寡核苷酸引物与模板DNA链3’端经降温至55 ℃退火;第3步是延伸，即在4种dNTP底物同时存在的情况下，借助TaqDNA聚合酶的作用，引物链将沿着5’-3’方向延伸与模板互补的新链[7]。经过这个循环后，合成了新链，可将其作为DNA模板继续反应，由此循环进行。循环进程中，扩增产物的量以指数级方式增加，一般单一拷贝的基因循环25~30次，DNA可扩增l00万~200万倍[1]。PCR反应的步骤很简单，但是具体的操作是复杂的，如退火温度的确定、延伸时间的长短以及循环数等。因此，不同的反应体系应该确定适当的反应条件，以避免假阴性或假阳性等情况的产生。

2 PCR技术的分类

在传统PCR技术的基础上，根据人们的需要以及各个领域的应用要求，又衍生出很多种类的PCR技术。新技术在各领域广泛应用并逐渐改进，为进一步的研究提供了基础。

实时荧光定量PCR技术

1996年，学者经过研究，在传统PCR技术的基础上，首创了实时荧光定量PCR技术，新技术已经应用至医学领域、分子生物学和其他基础研究领域。实时荧光定量PCR技术基于传统技术的优势，还具有实时性、准确性、无污染，实现了自动化操作和多重反应，是PCR技术研究史上从定性到定量的飞跃[8]。

荧光定量PCR技术最大的特点是能将荧光基团加入到PCR反应体系中，借助于荧光信号，累积实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析[9]。实时监测这一特点是常规PCR技术所不具有的，因为其对扩增反应不能进行随时的检测。常规PCR技术的扩增终产物需要在凝胶电泳等条件下才能进行，无法对起始模板进行准确的定量，而荧光定量PCR技术的反应进程可以根据荧光信号的变化做出准确的判断[10-11]。一个PCR循环反应结束之后，定量PCR仪可以收集1个荧光强度信号，荧光信号强度的变化可以反映产物量的变化情况，这样就可以得到1条荧光扩增曲线[12]。荧光信号在指数扩增阶段，PCR产物荧光信号的对数值与起始模板量之间存在线性对应关系，然后进行定量分析[13]。

多重PCR技术

多重PCR(mutiplex PCR)技术是PCR技术的一种，为同一管中加入多对特异性引物，与PCR管内的多个模板反应，在一个PCR管中同时检测多个目标DNA分子。多重PCR技术可以扩增一个物种的一个片段，也可以同时扩增多个物种的不同片段[14]。

在同一反应体系中，多重PCR技术进行多个位点的特异性扩增时，引物间的配对、引物间的竞争性扩增等会对扩增效果产生重要影响。一方面，如果能选择适宜的反应体系和反应条件，可极大地提高多重PCR的扩增效果[15]。主要包括退火温度、退火及延伸时间、PCR缓冲液成分、dNTP的用量、引物及模板的量等。另一方面，DNA的抽提质量也影响多重PCR扩增效率，如DNA抽提不干净或降解都将影响PCR扩增效果[16]。

单分子PCR技术(SM-PCR)

单分子PCR技术是在传统PCR技术的基础上发展的，基本循环过程相同，但在反应条件、模板数量、DNA 聚合酶选择、引物设计方面具有不同点。该技术是以少量或单个DNA分子为模板进行的PCR[17]。

单分子PCR技术反应中，DNA 模板浓度极低，这就要求模板有较高的质量。因为这是试验成败的决定性因素。在设计引物时，应该严格控制GC的含量和Tm值，同时尽量避免引物间存在可配对序列。在反应混合物模板数极低的情况下，若引物之间存在少量配对序列，扩增时极易形成二聚体，使反应无法进行，得不到所需要的产物[18]。由于单分子PCR技术反应的变性温度(96~98 ℃)大多比常规PCR技术(94 ℃)略高，因而对DNA 聚合酶热稳定性的要求也更加严格，需要有较好的热稳定性，以防止温度过高而使其失活。其变性时间(5~15 s)、退火时间及延伸时间也短于常规PCR技术[17]。

3 PCR技术的应用

PCR技术在水产上的应用

基因表达是检测某个基因在不同发育期或不同组织中的表达量变化，或受到某种试验处理过程中的影响而出现表达量变化的情况。有学者应用real-time PCR技术研究碳水化合物含量对翘嘴红鲴糖代谢酶G6Pase、GK以及PEPCK表达量的影响[19-21]，研究结果可为翘嘴红鲴饲料配方中的最合适糖含量提供理论依据。孙淑娜等[22]研究叶酸拮抗剂对斑马鱼心脏发育相关基因BMP2b及HAS2表达的影响，表明叶酸拮抗剂对早期胚胎的心脏发育影响较大，可导致斑马鱼心脏发育延迟及心脏形态异常，并下调斑马鱼心脏发育相关基因BMP2b及HAS2的表达，这可能是叶酸生物学活性受抑后导致心脏发育异常的机制之一。Sawyer et al[23]以斑马鱼的未受精卵、胚胎、仔鱼和成鱼为研究材料，采用实时荧光定量PCR技术，检测了P450aromA和P450aromB在不同组织的表达量，表明在各组织中均有2种基因的表达，但表达量显著不同，呈现组织特异性。

PCR技术在微生物检测上的应用

1990年，Bej et al[24]在利用多重PCR的方法检测了Leg-ionella类菌种和大肠类细菌，其结果是通过点对点方法固定的多聚dT尾捕捉探针和生物素标记的扩增DNA进行杂交来检测的。张志东等检测口蹄疫病毒(FMDV)持续性感染的带毒动物，表明实时荧光定量PCR技术具有快速检测、准确、客观等优势，较优于传统的检测方法[25-26]。Metzger-Boddien et al[27]对PCR-ELISA的方法进行了评价，结果显示，样品中沙门氏菌的检出率可以达到98%。

4 展望

传统PCR技术以及衍生出来的新型PCR技术自面世以来，已被广泛应用到生命科学的各个领域。随着技术方法的不断改进与完善，荧光定量PCR技术将会逐渐完善并广泛应用。多重PCR技术在食品病原微生物、非致病微生物及环境微生物检测中具有重要作用;未来的研究主要集中在去除食品抑制因子干扰、改进样品前处理技术等方面，其次是整合应用多重PCR与其他技术，必将在未来食品微生物检测中有非常好的应用前景。

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