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[转载]学习漫谈(9):给理工科学人开一个数学学习科目清单
热度 1 wangwen6172277 2011-7-20 16:01
学习漫谈(9):给理工科学人开一个数学学习科目清单 在近期的博文中,反复强调了理工科学者必须夯实数理知识的基础,而且最好从青年时代做起。尤其是近来基础数学和基础力学有遭忽视的倾向,我们更应该反其道而行之,通过课堂学习和自学,尽早掌握必要的基础知识。 我这里不揣冒昧,拉出 理工科学人 应该学习的数学知识的清单,请朋友们品头论足。 l 应用数学和力学类 必学: 数学分析,高等代数,解析几何,常微分方程,数理方程,微分几何,复变函数论,概率论,数理统计,数值分析,程序设计,偏微分方程的数值解法,离散数学基础; 选学: 实分析,现代偏微分方程理论,非线性动力学基础,渐近分析,计算数学,随机过程与随机分析,运筹学,控制论,组合数学,图论,现代分析,近世代数,近世几何(拓扑学、微分拓扑),数学史与数学文化。 l 工科类 必学: 数学分析,线性代数,解析几何,常微分方程,数理方程,概率论和数理统计,数值方法与程序设计,复变函数论基础; 选学: 微分方程的数值解法,微分几何,计算机代数(符号运算)、实分析,渐近分析,离散数学基础,运筹学。 需要说明的是: 1. 上述清单中,应用数学和力学工作者的必学数学科目清单中的前十个科目是 1983 年林家翘先生在清华大学讲学时应听讲者要求在黑板上写下来的,我一直牢记在心; 2. 这里用“必学”、“选学”这两个词,是为了有别于目下流行的“必修”、“选修”,按常规理解。“修”等同于选课、上课、考试,而“学”则泛指听课、自学,学校不开此课,照样可以自学,这是钱伟长先生的一贯主张,也就是我常说的“学分归学分,学问归学问”; 3. 专业不同,必学、选学科目可变通; 4. 有些科目在内容上有重叠或交叉; 5. 工科本科生不学常微分方程和数理方程是最愚蠢的做法,不符合现代科技发展的潮流,一定程度上束缚了工程技术人员的能力和水平,这种情况亟待改变;此话题日后详谈; 6. 工科学生笼而统之学“高等数学”,也并不明智,必须将数学门类加以细分,不同专业视需要确定不同的学时; 7. 大部分科目应在本科阶段完成,有些科目可在研究生阶段补齐; 8. 按大学层次的不同,可有区别(例如,在美国的一些工科大学里“渐近分析”是本科高年级的选修课,研究型大学完全可以效法); 9. 清单远非完善,需要按实际情况增删。
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几本神经科学的科普书
热度 1 jingpeng 2011-7-4 18:25
几本神经科学的科普书
按照神经科学牛人鲁白的说法,做研究生要有common sense,要学习基础知识,了 解学科背景。我们不止要懂技术,know how,更重要的是know why,知道我们为什么要 花这么大力气,做这些事情。我根据自己的体会,推荐几本科普书籍。这是比较通俗的,不是教条式地罗列知识, 看起来会舒服一些。 1. 《惊人的假说--灵魂的科学探索》,弗朗西斯 克里克著。克里克和沃森发现了 DNA的双螺旋结构后,他认为分子生物学已经没有big problem了,在七八十年代转 到了神经科学。他主要是想从猫、猴的视觉通路入手,理解神经对信息的编码处 理。在本书中,他提出了一个惊人的假说,意识是完全由神经元的连接和活动产生 的。在本书最后,作者甚至猜测了一个人脑中自由意志所在的解剖位置。书中讨论 了神经元的形态结构和信号处理功能间的联系,和我们的工作有点关系。 2. 《意识的宇宙:物质如何转变为精神》, 埃德尔曼 Edelman Gerald M.托诺尼 Tononi Giulio。埃德尔曼也是诺贝尔奖获得者,这本书从神经网络连接的角度, 提出了一些对意识产生的假说。比如reentry(再进入)、动态核心理论。他认为 以往提出的很多假说是虚无飘渺的,不能从科学上检验。他提出的假说是可以检验 的。下面给了一个网上的电子书: 下载地址: http://www.verycd.com/topics/2782862/ Ascoli是神经追踪diadem竞赛的主席,他的主页上有对这本书的评论: http://krasnow.gmu.edu/cn3/ascoli/universe.html 3. 《portraits of the mind》,围绕理解意识的最终目标,系统地介绍了脑成像 技术的发展历史。有大量精美的图片,电子版: Portraits of the Mind.pdf 。 Schoonover, C. E. Portraits of the Mind: Visualizing the Brain from Antiquity to the 21st Century . Abrams, 2010. 4. 《皇帝新脑》罗杰 彭罗斯。这本书真的很难读懂,作者结合了人工智能、量子 力学和神经生物学,试图从这三个学科的角度,探讨意识从物质活动中产生的条 件,并猜测了一些有前景的研究方向。其中说到的不可计算性,很可能是神经信号 处理的一个特点,意味着用冯诺依曼架构的计算机,永远也无法模拟仿真出神经的 意识功能,可能要利用量子计算机的叠加态才有可能。 彭罗斯是数学物理学家,对计算和量子力学理解很深,但神经科学是外行,从他对 神经元信息处理机制的描述可以看出来,神经生物学的讨论不够深入。 附一个评论: Review of Penrose, The Emperor's New Mind 里面提到本书的一段话,暗示了时间的重要性: I suggest that we may actually be going badly wrong when we apply the usual physical rules for time when we consider consciousness! . . . My guess is that there is something illusory here. . .and the time of our perceptions does not 'really' flow in quite the linear forward-moving way that we perceive it to flow (whatever that might mean!). The temporal ordering that we 'appear' to perceive is, I am claiming, something that we impose upon our perceptions in order to make sense of them in relation to the uniform forward time-progression of an external physical reality. (p.443-4) 想起了一篇《scientific american》的文章 Is Time an Illusion? 5. McGinn, Colin. The Mysterious Flame: Conscious Minds in a Material World . Basic Books, 2000. 本书是入门书,系统地介绍了mind-body problem,阐述并且评论了各种观点。作者认为,人本身有局限性,可能不能理解mind和matter的关系。 作者认为,空间和mind的关系一直没有受到重视,这里面可能隐藏了深刻的联系。 Heisenberg, Martin. “Is Free Will an Illusion?” Nature 459, no. 7244 (2009): 164–165. 6. Christof Koch. 意识探秘:意识的神经生物学研究 . 顾凡及, 侯晓迪, 译. 上海: 上海科学技术出版社, 2012. Koch 教授是和克里克紧密合作的,前面介绍的第一本书就是他们两个人合著的。这本书从神经生物学的角度探讨意识。Koch和克里克提出一个概念,神经的意识相关物(NCC),就是能够引起意识的最小神经元集合。这些神经元的活动是直接导致意识产生的。他们一直致力于寻找NCC,这本书 从视觉的研究入手, 介绍了他们的研究思路和历程,里面有大量的神经科学知识。 【1】鲁白的科学网博客,一个科学家的时间观(视频) http://blog.sciencenet.cn/blog-393255-450421.html 【2】Schoonover, C. E. Portraits of the Mind: Visualizing the Brain from Antiquity to the 21st Century . Abrams, 2010.
个人分类: 科学-脑|12839 次阅读|2 个评论
该如何整理自己的思维呢
guogang181 2011-7-4 11:25
该如何整理自己的思维呢 有时间看科学网上的一些大N们的博文,发现他们的思维和想法都很有条理,觉得很佩服。有时候想想自己的生活会突然之间变得很慌乱,没有条理。我想这大抵是和自己的思维习惯相关的吧。 将自己的思维空间格式化,这是一个相对来说很明智的做法。将自己的生活分为不同的模块和区域,分别就不同的区域进行管理和优化,这是一个相当不错的想法。我想自己也可以试着效法一下。 大致的来分的话,有【基础科学】【控制科学】【电力科学】【科研笔记】【规划机制】【指点江山】【心灵驿站】等七个主要模块,分述如下: 【基础科学】鉴于基础知识的相对薄弱,长期坚持基础知识的学习将是必要的,主要的内容包括数学、物理学和外语,当然是跟专业研究方向密切相关的一些知识,有所侧重和针对性的学习。(这个可以多参考 戴世强 老师的博文) 【控制科学】控制科学是科研方向最为重要的理论支撑之一,主要的内容就是对先进的控制理论的学习和研究进行总结和梳理,主要包括控制科学发展史、经典控制理论、现代控制理论、人工智能控制理论等几个方面的专业知识进行学习和总结。 【电力科学】电力科学,尤其是电力系统科学是科研的主要方向,针对此研究方向对相关的科学知识进行认真地梳理和总结是必要的,其中主要包括电力系统分析、电力系统建模、电力系统计算、电力系统运行与控制等几个方面的知识。 【科研笔记】就研究生阶段来讲,该模块的主要内容应该至少包括阅读笔记、装置研发、论文写作、软件应用、科研观点等几个方面,其中科研观点主要是指在每天的科研过程中随时出现的一些新的观点和看法,要求及时记录和整理。 【规划机制】工科的研究不同于理科的很大一个特点就是其必须具有足够的计划性,所以规划机制也是记录内容的主题之一,主要是明确若干要事规划和时间安排,主要包括中期规划(5y)、年期规划、要事规划、月计机制、周计机制等。应该说明的是,每天的科研笔记是周计的主要内容,是对当天主要科研内容的总结和梳理,对创新观点的及时记录;每周的周总是周计机制的主要内容,是对每天科研笔记的总结和梳理;每月的月总是月计机制的主要内容,是对每周周计的总结和梳理,是科研论文的重要来源。 【指点江山】对于国内外、党内外的一些大事要事的关注和思考是构成这个模块的主要内容,大致来说应该至少包括一下几个方面能源环境、民主法治、民生经济、乡村乡村、国际视野等等。 【心灵驿站】内容较为丰富,既包括思想信念、意志品质的培养,也包括诗文阅读、情感经历的感念,主要是为了记录和总结生活和科研过程中的一些非理性因素的存在和影响,更是为了培养健全的人格、独立的思想、自由的精神。 针对现在的状况而言,更重要的不是表达,而是积累。通过各种各样的方式进行高效的积累是必须的,包括阅读交流、装置研发、软件操作等等,不管是理论上的,还是实践经验上的。分区处理的想法只是一个开始,具体实施的话还有很长的一段路要走,接下来的路才是最重要的。
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电阻器基础知识与检测方法
lcj2212916 2011-6-22 06:02
http://radarew.5d6d.com/thread-338-1-1.html
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师生之间的传承关系
blownsand 2011-6-17 11:47
最近和自然地理学专业的研究生们一起去了趟沙漠,白天骄阳似火,夜晚冷风习习,闲暇时间真不少。为防止脑袋生锈,总在思索一些问题,发现师生之间的传承关系挺有意思的。 荀子说,青出于蓝而胜于蓝。 大家都知道的俗语是,黄鼠狼下耗子一代不如一代。 著名数学家数不清(苏步青)先生的名言是“ 严师出高徒,高徒捧名师 ”。一个问题是,师生之间代代相传的到底是什么? 一方面,老师传授给学生的是基础知识、科研方法、思维方式等。有的老师喜欢把自己知道和掌握的一切都竭尽全力灌输给学生,恨不得学生就是自己的翻版;有的老师喜欢点到为止,启发学生独立探索;还有的老师以猫教老虎的方式带学生。老师不过是芸芸众生中的一员,学科专业又千差万别,找到一条放之四海皆准的培养模式是不可能的。 另一方面,学生从老师那里学到的除了专业知识还有什么呢?潜移默化的影响可能更大。从学生身上总是能够看到老师的影子。但是这个影子只在某些方面与老师一致。这就提醒年轻学子要尽量从老师那里继承精华并结合自身特点予以发扬光大。可是,总有些学生喜欢继承糟粕。这也许就是 胜于蓝和 一代不如一代的原因吧! 其实,科学知识都是记录在书本和文献中的,学生也可以独立地探索研究方法并形成成熟的思维方式。科技进步是不可避免的。有了老师,学生不过少走一些弯路而已。 师生之间代代相传的应该是科学精神。
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荒唐言——开篇
yishuweii 2011-5-30 18:35
什么都不是,就是一个从黑土地上,沿着现行的中国式教育之路走来的土博士。博士期间在国际期刊发表了三篇论文后完成博士论文答辩。经历并且参与了铁基超导体研究,通过高压合成手段,参与合成了至今Tc最高的铁基超导材料SmFeAsO(氧空位)。博士毕业后到日本国立材料科学研究所做博后,时至今日,半年有余。研究课题从高压下新型超导样品探索以及高压下超导性质研究,到如今的高压磁性材料探索合成。课题都很大,也很笼统。反读之就是课题不够专。 物理基础知识的不够扎实,让我在研究过程中遇到很多的困惑。如今跟着一个无机化学出身俄国老板,学习材料研究。 希望这里写下的是一些困惑,收获的是一些答案。 ………………………………………………………………………………………… 写到这里应该结束了,不过总感觉字数太少。所以就用春田花花同学会校长的话来结束吧。 “校长:各位同学,本校创校快将五十年,未够五十年,但是,差不多五十年啦。很快,本校创校就要超过五十年啦。   校长:恩,在这接近五十年,未够五十年间,本校已经为社会培养了很多条栋梁,很快,本校会为社会培养出更多条栋梁。   校长:也许有人会问,校长,你在这五十年里,培养了这么多条社会栋梁,实际上,又有什么用呢?在这,我可以很清楚地告诉大家,本校创办,还要很久才够五十周年。   校长:至于本校会不会有机会去庆祝我们的五十周年呢?为我们的社会,培养出更多的栋梁。就要看本校这个月……能不能收齐同学的学费啦。谢谢各位。”
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学习漫谈(42):自由探索 追求深邃——五评爱因斯坦的学问观
热度 14 sqdai 2011-5-26 06:53
爱因斯坦一辈子崇尚学术自由。 1954 年 3 月 14 日 ,在他 75 岁生日那一天,他在《纽约时报》上发表了题为“我所理解的学术自由”的短文,回答了五个有关问题。第一个问题的问答如下: 问:学术自由的根本性质是什么?为什么它对于追求真理是必需的? 答:我所理解的学术自由是,一个人有探求真理和讲授他认为正确的东西的权利。这种权利也包含着一种义务,一个人不应当隐瞒他已认识到是正确的东西的任何部分。显然,对学术自由的任何限制都会抑制知识的传播,从而也会妨碍合理的判断和合理的行动。 他对自己所经历的大学教育不那么满意,在《自述:识别能导致深邃知识的东西》中表述了这种不满。他说:“ 这里的问题在于,人们为了考试,不论愿意与否,都得把所有那些废物塞进自己的脑袋。这种强制的结果使我如此畏惧不前,以致我在通过最后考试后有整整一年对科学问题的任何思考都感到扫兴。 ”随后,他庆幸他所在瑞士 ETH 所受到的这种窒息真正科学动力的限制远少于其它地方:一年只考两次;更让他庆幸的是,他有个朋友听课认真、笔记一流,这位朋友的帮助使他的自由探索的机会大大增加。后来,他在逝世一个月前( 1955 年 3 月)所写的回忆录中告诉我们,这位朋友就是马尔塞尔 • 格罗斯曼( Marcel Grossman ),他不敢想象,没有 格罗斯曼 的帮助,他会怎么样,说不定有些考试就要给“关住”了。他说:“ 对于我这样爱沉思的人来说,大学教育不总是有益的。无论多好的食物强迫吃下去,总有一天会把胃口和肚子搞坏的。 ”他坚定地认为,对于青年学生这样的幼苗,除了需要鼓励以外,主要需要自由,自由探索。要是没有自由,不可避免地会夭折。他认为用强制的责任感能增进观察和探索的乐趣是一种严重的错误。正是出于这一点,他特别赞赏马赫的独立性和自由探索精神;也正因为如此,他后来在普林斯顿大学高等研究院大力倡导了自由探索。 一般人认为, 1902 年至 1909 年,他大学毕业后到瑞士专利局工作是不得已而为之的权宜之计,是大材小用。不然。这个工作是他的挚友格罗斯曼的父亲介绍的,他认为,这七年是他的最富于创造性活动的时期,衣食无忧,成家立业,生活安定,而且他喜欢审批专利权的技术工作,最重要的是:他可以任自己的思想在物理学研究领域里纵横驰骋,自由自在,无拘无束。他不喜欢年轻时代就在大学工作,“ 因为学院生活会把年轻人置于这样一种被动的地位:不得不去写大量的论文——结果是趋于浅薄,这只有那些具有坚强意志的人才能顶得住。然而大多数实际工作却完全不是这样,一个具有普通才能的人就能够完成人们所期待于他的工作。 …… 如果他对科学感兴趣,就可以在他的本职工作之外埋头研究他所爱好的问题。他不必担心他的努力或毫无成果。我感谢马尔塞尔 • 格罗斯曼给我找到这么幸运的职位。 ”大家知道,狭义相对论就是在这一时期问世的。由此可见, 100 多年前,刚从大学毕业的爱因斯坦所面临的问题与当代年轻人何其相似!他的选择和想法提供了一种思路,可供当今的年轻人参考。不过,在现时的社会里,实现起来有一定难度。 爱因斯坦还认为,除了向环境要学术自由以外,自己还要创造条件,形成追求深邃的东西的自由,其中很重要的是:打下扎实的知识基础,特别是数学基础。他不止一次地谈到了这一点。 爱因斯坦对数学的认识有一个反复的过程。 12 岁时,他被欧几里得平面几何所倾倒,折服于它的逻辑之美;而后,他认真学习了基础数学; 17 岁之后,他的兴趣转向更广阔范围的自然知识,特别倾心于物理学。他承认,他在一定程度上忽视了数学,在《自述:识别能导致深邃知识的东西》一文中写道:“ 作为一个学生,我还不清楚,在物理学中通向更深入的基本知识的道路是同最精密的数学方法联系着的。只有在几年独立的科学研究工作以后,我才逐渐明白了这一点。 ”在临终前写的那篇回忆录中,他还说:“ 由于我的无知,我还以为对于一个物理学家来说,只要明晰地掌握了数学基本概念以备应用,也就很够了;而其余东西,不过是不会有什么结果的枝节问题。这是一个我后来才很难过地发现到的一个错误。我的数学才能显然还不足以使我能够把中心的和基本的内容同那些没有原则重要性的表面部分区分开来。 ” 我认为,爱因斯坦很快地发现了他的数学知识的不足影响了他科学探索的自由,一定在科研的同时恶补了数学,我们不能确切地知道其过程,但从他的广义相对论的表述来看,至少他非常精通微分几何和张量分析等数学知识。 读一读爱因斯坦的《自述:识别能导致深邃知识的东西》一文的结束语颇有兴味:“ 谈到这里,我情不自禁地要说,在法拉第 - 麦克斯韦这一对同伽利略 - 牛顿这一对之间有非常值得注意的内在的相似性——每一对中的每一位都直觉地抓住了事物的联系,而第二位则严格地用公式把这些联系表述出来,并且定量地应用了它们。 ”我的体会是:这两对科学家对于科学的感悟能力相近,而后者的数学水平远胜于前者,因此能够抓住更深邃的东西。我们还可以举出更多对这样的例子,例如第谷 - 开普勒。 因此,我探究爱因斯坦的学问观的又一感悟是:要从客观环境争得学术自由,也要从主观上争来做学问的自由,夯实必要的知识基础,首当其冲的是数学基础,在所有自然科学学科全面“数学化”的今天,更应如此。 参考资料: 《爱因斯坦文集》,许良英等编译,商务印书馆, 1976. 写于 2011 年 5 月 26 日晨
个人分类: 寄语学子|8336 次阅读|26 个评论
圆偏振光与12原色的世界
热度 1 readnet 2011-5-13 13:34
sheep021 发表了新博文 5-13 10:02 圆偏振光与12原色的世界 1、偏振光的基础知识   一、自然光和偏振光 光是一种电磁波,属于横波(振动方向与传播方向垂直)。一切实际的光源,如日光、烛光、日光灯 ... ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 【12原色的世界】是否超越已有【科学】【认知范畴】, 不能在科学网讨论? ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 圆偏振光与12原色的世界 已有 75 次阅读 2011-5-13 10:02 | 个人分类: 生活点滴 | 系统分类: 观点评述 | 关键词:基础知识 电磁波 偏振光 日光灯 3原色 12原色 注:互联网上收集的资料,很不完善,仅供参考。 1、偏振光的基础知识   一、自然光和偏振光 光是一种电磁波,属于横波(振动方向与传播方向垂直)。一切实际的光源,如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。这些光都是大量原子、分子发光的总和。虽然某一个原子或分子在某一瞬间发出的电磁波振动方向一致,但各个原子和分子发出的振动方向也不同,这种变化频率极快,因此,自然光是各个原子或分子发光的总和,可认为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。 自然光在窗过某些物质,经过反射、折射、吸收后,电磁波的振动哥以被限制在一个方向上,其他方向振动的电磁波被大大削弱或消除。这种在某个确定方向上振动的光称为偏振光。偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。 二、直线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光 1.直线偏振光 直线偏振光由于光线的振动方向都在同一个平面内,所以这偏振光又叫作平面偏振光。正对光的传播方向看去,这种光的振动方向是一条直线,因此又叫直线偏振光或线偏振光。如图1所示。 图1 自然光与偏振光 图1 2.圆偏振光和椭圆偏振光 (1) 光的双折射现象和晶体的光轴 当一束光线射入各向异性的晶体中时要分裂为两束沿不同方向传播的挑线,这种现象叫双折射现象。发生双折射的两束光线都是偏振光。这两束光线之一恒遵守光的折射定律,在改变入射方向时传播速度不发生变化,这条光线称为寻常光线,用o表示;另一束光线不遵守折射定律,当入射光线方向变化时,它的传播速度也随之变化,光的折射率不同,这束光称为非常光线,用e来表示。 在各向异性晶体中,存在有某些特殊方向,在这些方向上不发生双折射,寻常光线和非常光线传播方向和传播速度相同,这些方向称为晶体的光轴,有一个光轴的晶体叫一轴晶,有两个光轴的晶体叫二轴晶。对于二轴晶,双折射后的两束光线均为非常为光线。 (2) 波晶片 波晶片简称波片,可用来改变或检验光的偏振情况。当自然光沿一轴晶光轴入射时,不发生双折射现象。如果垂直于晶体光轴入射时产生的o光和e光仍沿原入射方向传播,但传播速度和折射率不同,且传播速度相差最大。如果在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片,这时晶片表面与光轴平持,这样制得的晶片叫波晶片。当偏振光垂直于波片光轴入射时,在波片内形成传播方向相同但传播速度不同的o光和e光。如果波片越厚,o光和e光线波波长的整数倍,这种波片叫全波片。依此类推,还有半波片和1/4波片等等。 (3) 圆偏振光和椭圆偏振光的形成 一束自然光以垂直于一轴晶的光轴方向入射所产生的振动面互相垂直的两束偏振光是不相干的。因为自然光是由光源中的不同分子和原子产生的,没有固定的位相差,所以不发生干涉。但是当一束单色偏振光通过双折射物质后,所产生的两束偏振光是可以相干的。相当于两个互相垂直的同周期的振动的合成。 当一束偏振光垂直于一轴晶光轴入射时产生两束偏振光(o光和e光)。由于o光和e光的相位差不同而合成为直线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。O光和e光的相位差由两束光在晶片中折射率和晶片的厚度决定。设No、Ne分别为o光和e光的折射率,d为晶片的厚度,所产生的相位差为Δφ。则 。改变晶片的厚度可得不同相位差的o光和e光。当Δφ为π/2的偶数倍时可产生直线偏振光;当Δφ为π/2的奇数倍时,可产生圆偏振光;当Δφ不是π/2的整数倍时均可产生椭圆偏振光。圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个圆,椭圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个椭圆。圆偏振光和椭圆偏振光在每一瞬间只有一个振动方向,所以仍属偏振光。如图2所示。 图2 2、三原色 艺术领域为:红、黄、蓝 数字领域为:红、绿、蓝 所谓 原色 ,又称为第一次色,或称为 基色 ,即用以调配其他色彩的基本色。原色的色纯度最高,最纯净、最鲜艳。可以调配出绝大多数色彩,而其他颜色不能调配出 三原色 。在三原色的概念的认识上,我们与教科书上基本一致的。三原色分为两类,一类是色光原色,称为加色法三原色;另一类为颜料( 染料 )三原色,又称为减色法三原色。美术书中所述的是后一种。 颜料三原色的混合,亦称为减色混合,是光线的减少,两色混合后, 光度 低于两色各自原来的光度,合色愈多,被吸收的光线愈多,就愈近于黑。所以,调配次数越多,纯度越差,越是失去它的单纯性和鲜明性。三种原色颜料的混合,在理论上应该为黑色,实际上是一种纯度极差的黑浊色,也可以认为是光度极低的深灰色。 品红 与绿、黄与紫、青与橙,各组颜色的混合都接近黑。 美术教科书讲的是绘画颜料的使用,笔者看到大多数教材及著作中都是称红、黄、蓝为三原色。然而在美术实践中和生产操作中的情况与教科书上说的并不一致。彩色印刷的油墨调配、 彩色照片 的原理及生产、 彩色打印机 设计以及实际应用,都是黄、品红、青为三原色。彩色 印刷品 是以黄、品红、青三种油墨加黑油墨印刷的,四色彩色 印刷机 的印刷就是一个典型的例证。在彩色照片的成像中,三层乳剂层分别为:底层为黄色、中层为品红,上层为青色。各品牌彩色 喷墨打印机 也都是以黄、品红、青加黑墨盒打印彩色图片的。按照定义,原色应该能调制出绝大部分的其他色,而其他色都调不出原色。美术实践证明,品红加少量黄可以调出大红,而大红却无法调出品红;青加少量品红可以得到蓝,而蓝加白得到的却是不鲜艳的青;用黄、品红、青三色能调配出更多的颜色,而且纯正并鲜艳。例如:用青加黄调出的绿,比蓝加黄调出的绿更加纯正与鲜艳,而后者调出的却较为灰暗;品红加青调出的紫是很纯正的,而大红加蓝只能得到灰紫等等。此外,从调配其他颜色的情况来看,都是以黄、品红、青为其原色,色彩更为丰富、色光更为纯正而鲜艳。 综上所述,无论是从原色的定义出发,还是以实际应用的结果验证,都足以说明,把黄、品红、青称为三原色,较红、黄、蓝为三原色更为恰当 3、12原色 12原色的世界,是个什么样子。估计只有螳螂虾和光学专家知道了: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=45556do=blogid=443375from=space 青出于蓝而胜于蓝,此说原来最科学 举报 zdlh 2011-5-13 17:02 mirrorliwei2011-5-13 11:14 比较不好。光学和彩色学的部分的解说都不很好,有些不得要领。专业词汇的使用上,也不大规范。 比如这一句:“一切实际的光源,如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。”基本上就可以“枪毙”了 “偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面”的说法也不妥。 讲颜色,首先需要区分发光的颜色和反光的颜色的不同。然后才是别的。 ------ 专业上没有“发光的颜色”这个说法,表示这个意思的是:色温(单位:K)。 举报 mirrorliwei 2011-5-13 12:00 没有办法改,因为不是一处两处的问题。光学部分可以砍掉,因为与颜色基本无关。颜色部分,读一本比较标准的教科书,写出个归纳来也会比这篇文章要好。 另外,“青出于蓝”一句是说原料的来源,并不是说色调的问题。 比如说红、黄、蓝一般是指色相。每个色相里又有色度和明度的差别,而这些又与照明有关。等等的。 博主回复(2011-5-13 13:05) : 本文资料是从网上搜来的。看似蛮专业的。结果还是不行。继续搜 举报 隔壁家的二傻子 2011-5-13 11:45 看来二傻要把 【傻帮讲座(7)咖啡色的波长是多少?】 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=5190do=blogid=379279 往深度继续讨论了。。。特别是:肉眼不可见的佛旗上的【辉色】到底是啥? 举报 mirrorliwei 2011-5-13 11:14 比较不好。光学和彩色学的部分的解说都不很好,有些不得要领。专业词汇的使用上,也不大规范。 比如这一句:“一切实际的光源,如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。”基本上就可以“枪毙”了 “偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面”的说法也不妥。 讲颜色,首先需要区分发光的颜色和反光的颜色的不同。然后才是别的。 博主回复(2011-5-13 11:28) : 非常感谢。不知可否斧正一下 举报 readnet 2011-5-13 11:06 十二原色应该是由二十面体空间结构衍生出来的 博主回复(2011-5-13 11:27) : 我们生活在三维空间 难道螳螂虾生活在12维空间? readnet 2011-5-13 10:47 丁页 举报 hunagxingbin 2011-5-13 10:07 好文!盖个精品大印 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 扩展阅读 傻帮讲座(7):咖啡色的波长是多少?(强化增补版) 2010-11-01 傻帮讲座( 7 ):咖啡色的波长是多少? (强化增补版,敬请阅读新增的【后记】) ... 揭秘光波或电磁波与声波或水波之间在传播上的本质差异 2011-4-19 09:10 0. 引言 光速不变性原理是爱因斯坦相对论建立的基本假设条件,这个条件是根据 麦克尔逊 的干涉度量法实验得出的。然而,这个实验包括后来一系列重做的实验都是以地球为参照系来做的,并没有在相对于地球运动的参照系中进行过验证, 因此,由该实验所得出的“ 光速不变性” 结论是否在整个宇宙空间中都能适 ... 物质波振动源于光圆周运动的投影 2011-05-11 物质波振动源于光圆周运动的投影 众所周知,简谐振动是匀速圆周运动的一维投影 光子和物质都有波粒二象性,既是粒子又是波,其实来源于光子在禁闭维度以光速绕圈 ...
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圆偏振光与12原色的世界
热度 5 sheep021 2011-5-13 10:02
注:互联网上收集的资料,很不完善,仅供参考。 1、偏振光的基础知识   一、自然光和偏振光 光是一种电磁波,属于横波(振动方向与传播方向垂直)。一切实际的光源,如日光、烛光、日光灯及钨丝灯发出的光都叫自然光。这些光都是大量原子、分子发光的总和。虽然某一个原子或分子在某一瞬间发出的电磁波振动方向一致,但各个原子和分子发出的振动方向也不同,这种变化频率极快,因此,自然光是各个原子或分子发光的总和,可认为其电磁波的振动在各个方向上的几率相等。 自然光在窗过某些物质,经过反射、折射、吸收后,电磁波的振动哥以被限制在一个方向上,其他方向振动的电磁波被大大削弱或消除。这种在某个确定方向上振动的光称为偏振光。偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面称为振动面。 二、直线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光 1.直线偏振光 直线偏振光由于光线的振动方向都在同一个平面内,所以这偏振光又叫作平面偏振光。正对光的传播方向看去,这种光的振动方向是一条直线,因此又叫直线偏振光或线偏振光。如图1所示。 图1 自然光与偏振光 图1 2.圆偏振光和椭圆偏振光 (1) 光的双折射现象和晶体的光轴 当一束光线射入各向异性的晶体中时要分裂为两束沿不同方向传播的挑线,这种现象叫双折射现象。发生双折射的两束光线都是偏振光。这两束光线之一恒遵守光的折射定律,在改变入射方向时传播速度不发生变化,这条光线称为寻常光线,用o表示;另一束光线不遵守折射定律,当入射光线方向变化时,它的传播速度也随之变化,光的折射率不同,这束光称为非常光线,用e来表示。 在各向异性晶体中,存在有某些特殊方向,在这些方向上不发生双折射,寻常光线和非常光线传播方向和传播速度相同,这些方向称为晶体的光轴,有一个光轴的晶体叫一轴晶,有两个光轴的晶体叫二轴晶。对于二轴晶,双折射后的两束光线均为非常为光线。 (2) 波晶片 波晶片简称波片,可用来改变或检验光的偏振情况。当自然光沿一轴晶光轴入射时,不发生双折射现象。如果垂直于晶体光轴入射时产生的o光和e光仍沿原入射方向传播,但传播速度和折射率不同,且传播速度相差最大。如果在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片,这时晶片表面与光轴平持,这样制得的晶片叫波晶片。当偏振光垂直于波片光轴入射时,在波片内形成传播方向相同但传播速度不同的o光和e光。如果波片越厚,o光和e光线波波长的整数倍,这种波片叫全波片。依此类推,还有半波片和1/4波片等等。 (3) 圆偏振光和椭圆偏振光的形成 一束自然光以垂直于一轴晶的光轴方向入射所产生的振动面互相垂直的两束偏振光是不相干的。因为自然光是由光源中的不同分子和原子产生的,没有固定的位相差,所以不发生干涉。但是当一束单色偏振光通过双折射物质后,所产生的两束偏振光是可以相干的。相当于两个互相垂直的同周期的振动的合成。 当一束偏振光垂直于一轴晶光轴入射时产生两束偏振光(o光和e光)。由于o光和e光的相位差不同而合成为直线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。O光和e光的相位差由两束光在晶片中折射率和晶片的厚度决定。设No、Ne分别为o光和e光的折射率,d为晶片的厚度,所产生的相位差为Δφ。则 。改变晶片的厚度可得不同相位差的o光和e光。当Δφ为π/2的偶数倍时可产生直线偏振光;当Δφ为π/2的奇数倍时,可产生圆偏振光;当Δφ不是π/2的整数倍时均可产生椭圆偏振光。圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个圆,椭圆偏振光的振动端点在光的传播方向上投影为一个椭圆。圆偏振光和椭圆偏振光在每一瞬间只有一个振动方向,所以仍属偏振光。如图2所示。 图2 2、三原色 艺术领域为:红、黄、蓝 数字领域为:红、绿、蓝 所谓 原色 ,又称为第一次色,或称为 基色 ,即用以调配其他色彩的基本色。原色的色纯度最高,最纯净、最鲜艳。可以调配出绝大多数色彩,而其他颜色不能调配出 三原色 。在三原色的概念的认识上,我们与教科书上基本一致的。三原色分为两类,一类是色光原色,称为加色法三原色;另一类为颜料( 染料 )三原色,又称为减色法三原色。美术书中所述的是后一种。 颜料三原色的混合,亦称为减色混合,是光线的减少,两色混合后, 光度 低于两色各自原来的光度,合色愈多,被吸收的光线愈多,就愈近于黑。所以,调配次数越多,纯度越差,越是失去它的单纯性和鲜明性。三种原色颜料的混合,在理论上应该为黑色,实际上是一种纯度极差的黑浊色,也可以认为是光度极低的深灰色。 品红 与绿、黄与紫、青与橙,各组颜色的混合都接近黑。 美术教科书讲的是绘画颜料的使用,笔者看到大多数教材及著作中都是称红、黄、蓝为三原色。然而在美术实践中和生产操作中的情况与教科书上说的并不一致。彩色印刷的油墨调配、 彩色照片 的原理及生产、 彩色打印机 设计以及实际应用,都是黄、品红、青为三原色。彩色 印刷品 是以黄、品红、青三种油墨加黑油墨印刷的,四色彩色 印刷机 的印刷就是一个典型的例证。在彩色照片的成像中,三层乳剂层分别为:底层为黄色、中层为品红,上层为青色。各品牌彩色 喷墨打印机 也都是以黄、品红、青加黑墨盒打印彩色图片的。按照定义,原色应该能调制出绝大部分的其他色,而其他色都调不出原色。美术实践证明,品红加少量黄可以调出大红,而大红却无法调出品红;青加少量品红可以得到蓝,而蓝加白得到的却是不鲜艳的青;用黄、品红、青三色能调配出更多的颜色,而且纯正并鲜艳。例如:用青加黄调出的绿,比蓝加黄调出的绿更加纯正与鲜艳,而后者调出的却较为灰暗;品红加青调出的紫是很纯正的,而大红加蓝只能得到灰紫等等。此外,从调配其他颜色的情况来看,都是以黄、品红、青为其原色,色彩更为丰富、色光更为纯正而鲜艳。 综上所述,无论是从原色的定义出发,还是以实际应用的结果验证,都足以说明,把黄、品红、青称为三原色,较红、黄、蓝为三原色更为恰当 3、12原色 12原色的世界,是个什么样子。估计只有螳螂虾和光学专家知道了: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=45556do=blogid=443375from=space 青出于蓝而胜于蓝,此说原来最科学
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[转载]给理工科学人开一个数学学习科目清单
热度 2 kakulo 2011-4-24 15:53
在近期的博文中,反复强调了理工科学者必须夯实数理知识的基础,而且最好从青年时代做起。尤其是近来基础数学和基础力学有遭忽视的倾向,我们更应该反其道而行之,通过课堂学习和自学,尽早掌握必要的基础知识。 我这里不揣冒昧,拉出 理工科学人 应该学习的数学知识的清单,请朋友们品头论足。 l 应用数学和力学类 必学: 数学分析,高等代数,解析几何,常微分方程,数理方程,微分几何,复变函数论,概率论,数理统计,数值分析,程序设计,偏微分方程的数值解法,离散数学基础; 选学: 实分析,现代偏微分方程理论,非线性动力学基础,渐近分析,计算数学,随机过程与随机分析,运筹学,控制论,组合数学,图论,现代分析,近世代数,近世几何(拓扑学、微分拓扑),数学史与数学文化。 l 工科类 必学: 数学分析,线性代数,解析几何,常微分方程,数理方程,概率论和数理统计,数值方法与程序设计,复变函数论基础; 选学: 微分方程的数值解法,微分几何,计算机代数(符号运算)、实分析,渐近分析,离散数学基础,运筹学。 需要说明的是: 1. 上述清单中,应用数学和力学工作者的必学数学科目清单中的前十个科目是 1983 年林家翘先生在清华大学讲学时应听讲者要求在黑板上写下来的,我一直牢记在心; 2. 这里用“必学”、“选学”这两个词,是为了有别于目下流行的“必修”、“选修”,按常规理解。“修”等同于选课、上课、考试,而“学”则泛指听课、自学,学校不开此课,照样可以自学,这是钱伟长先生的一贯主张,也就是我常说的“学分归学分,学问归学问”; 3. 专业不同,必学、选学科目可变通; 4. 有些科目在内容上有重叠或交叉; 5. 工科本科生不学常微分方程和数理方程是最愚蠢的做法,不符合现代科技发展的潮流,一定程度上束缚了工程技术人员的能力和水平,这种情况亟待改变;此话题日后详谈; 6. 工科学生笼而统之学“高等数学”,也并不明智,必须将数学门类加以细分,不同专业视需要确定不同的学时; 7. 大部分科目应在本科阶段完成,有些科目可在研究生阶段补齐; 8. 按大学层次的不同,可有区别(例如,在美国的一些工科大学里“渐近分析”是本科高年级的选修课,研究型大学完全可以效法); 9. 清单远非完善,需要按实际情况增删。 转自: http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=330732do=blogid=375047
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应当历史、全面、客观地看待工农兵学员
热度 1 xupeiyang 2011-4-11 16:35
从1970年到1976年,全国有82万工农兵学员被推荐上大学,在1965年到1970年的文革时期,他们正在小学,中学读书,那时又赶上“停课闹革命”,他们绝大数年纪很小,只是红小兵,没有当过红卫兵,更没有去参加造反、游行等活动。他们在学校读书是断断续续的,没有良好的读书学习的环境和条件。他们绝大多数去了农村、兵团、边疆接受贫下中农的再教育。当然,能推荐上大学,成为一名工农兵学员又是极为幸运的。 工农兵学员中,有一批老三届的学生,基础比较好。1980年前后,有的高级科研机构或大学要求工农兵学员回炉学习高中和大学的基础知识一年或更长的时间,并进行了严格的考试。 大概有三分之一的工农兵学员,后来在工作实践中成了大家比较公认的学科、行业专家,各级领导干部,各界的优秀人才。也有不少工农兵学员由于各种原因,后来改行了。 对工农兵学员的水平和能力不能一概而论,因为当时的招生条件,学员结构比较复杂,基础条件大不相同。总体看,他们的政治思想素质较高,实际工作能力较强,他们经历了知识青年的特殊锻炼,成了他们的人生资本,他们的共同特点是比较务实,能吃苦耐劳。 朱晓刚 博文: 说说“工农兵大学生” http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=5889do=blogid=431782from=space
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研一计划
热度 10 JWH115 2011-3-30 11:38
1.每期science nature 必须浏览一遍 2.多阅读专业相关的文献,拓展对催化领域的了解 3.多跟上一年级的学长交流,学习实验技术 4.锻炼写作,试着写一些综述或文章前面的概述 5.每周锻炼一次,每周去书店一次 6.每周给亲戚打电话 7.每天按时起床,三餐及时吃 5.课上布置的任务,下课就去做 6.action while saying 7.及时处理邮件,选择讲座听,节省时间 8.组会报告自己要做,然后去讲 9.锻炼演讲能力,注意演讲技巧,清晰地使用科学语言表达 10.多跟朋友联系,多参与集体活动 11.确定自己要做的课题,不要盲目去看一些不相关的文献,借鉴别人的得失,调整自己的计划 12.根据行情,变动行动计划,周期检查并坚决执行 13.将基础知识迅速扫清,不要留有障碍,把实验的相关细节记录下来,熟悉仪器的部件与原理 14.设置实验计划,确定要考察的影响因素,确立实验目标 15.每周展开班级活动,带领大家参与集体活动,增进班级凝聚力 16.停止抱怨,shut up,不要让负面情绪影响自己 17.看到事物好的一面,坏的一面留在心理 18.看着对方、微笑、saying nothing whiling another speaking 16.坚持就是胜利
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[转载]转载-多肽合成 基础知识汇编 -给自己看的
wzq19810930 2011-3-9 08:36
百度上down到好文,正好给自己用的,特特抄来 ----------------------------------------------------------------------------------------- 多 肽 合 成 基础知识汇编 编制 : 合成部 ----------------------------------------------------------------------------------------- 一 、多 肽 合 成 概 论 1 .多肽化学合成概述:   1963 年, R.B.Merrifield [ 1 ]创立了将氨基酸的 C 末端固定在不溶性树脂上,然后在此树脂上依次缩合氨基酸,延长肽链、合成蛋白质的固相合成法,在固相法中,每步反应后只需简单地洗涤树脂,便可达到纯化目的 . 克服了经典液相合成法中的每一步产物都需纯化的困难,为自动化合成肽奠定了基础 . 为此, Merrifield 获得 1984 年诺贝尔化学奖 .   今天,固相法得到了很大发展 . 除了 Merrifield 所建立的 Boc 法 (Boc: 叔丁氧羰基 ) 之外,又发展了 Fmoc 固相法 (Fmoc:9- 芴甲氧羰基 ). 以这两种方法为基础的各种肽自动合成仪也相继出现和发展,并仍在不断得到改造和完善 .    Merrifield 所建立的 Boc 合成法[ 2 ]是采用 TFA( 三氟乙酸 ) 可脱除的 Boc 为 α- 氨基保护基,侧链保护采用苄醇类 . 合成时将一个 Boc -氨基酸衍生物共价交联到树脂上,用 TFA 脱除 Boc ,用三乙胺中和游离的氨基末端,然后通过 Dcc 活化、耦联下一个氨基酸,最终脱保护多采用 HF 法或 TFMSA( 三氟甲磺酸 ) 法 . 用 Boc 法已成功地合成了许多生物大分子,如活性酶、生长因子、人工蛋白等 . 多肽是涉及生物体内各种细胞功能的生物活性物质。它是分子结构介于氨基酸和蛋白质之间的一类化合物 , 由多种氨基酸按照一定的排列顺序通过肽键结合而成。到现在,人们已发现和分离出一百多种存在于人体的肽,对于多肽的研究和利用,出现了一个空前的繁荣景象。多肽的全合成不仅具有很重要的理论意义,而且具有重要的应用价值。通过多肽全合成可以验证一个新的多肽的结构;设计新的多肽,用于研究结构与功能的关系;为多肽生物合成反应机制提供重要信息;建立模型酶以及合成新的多肽药物等。  多肽的化学合成技术无论是液相法还是固相法都已成熟。近几十年来,固相法合成多肽更以其省时、省力、省料、便于计算机控制、便于普及推广的突出优势而成为肽合成的常规方法并扩展到核苷酸合成等其它有机物领域。本文概述了固相合成的基本原理、实验过程,对其现状进行分析并展望了今后的发展趋势。  从 1963 年 Merrifield 发展成功了固相多肽合成方法以来,经过不断的改进和完善,到今天固相法已成为多肽和蛋白质合成中的一个常用技术,表现出了经典液相合成法无法比拟的优点。其基本原理是:先将所要合成肽链的羟末端氨基酸的羟基以共价键的结构同一个不溶性的高分子树脂相连,然后以此结合在固相载体上的氨基酸作为氨基组份经过脱去氨基保护基并同过量的活化羧基组分反应,接长肽链。重复(缩合→洗涤→去保护→中和及洗涤→下一轮缩合)操作,达到所要合成的肽链长度,最后将肽链从树脂上裂解下来,经过纯化等处理,即得所要的多肽。其中α - 氨基用 BOC (叔丁氧羰基)保护的称为 BOC 固相合成法,α - 氨基用 FMOC ( 9- 芴甲氧羰基)保护的称为 FMOC 固相合成法, 2 .固相合成的基本原理  多肽合成是一个重复添加氨基酸的过程,固相合成顺序一般从 C 端(羧基端)向 N 端(氨基端)合成。过去的多肽合成是在溶液中进行的称为液相合成法。现在多采用固相合成法,从而大大的减轻了每步产品提纯的难度。为了防止副反应的发生,参加反应的氨基酸的侧链都是保护的。羧基端是游离的,并且在反应之前必须活化。化学合成方法有两种,即 Fmoc 和 tBoc 。由于 Fmoc 比 tBoc 存在很多优势,现在大多采用 Fmoc 法合成,如图:   具体合成由下列几个循环组成:  一、去保护: Fmoc 保护的柱子和单体必须用一种碱性溶剂( piperidine )去 除氨基的保护基团。    二、激活和交联:下一个氨基酸的羧基被一种活化剂所活化。活化的单体与游离的氨基反应交联,形成肽键。在此步骤使用大量的超浓度试剂驱使反应完成。循环:这两步反应反复循环直到合成完成。  三、洗脱和脱保护:多肽从柱上洗脱下来,其保护基团被一种脱保护剂( TFA ) 洗脱和脱保护。 2.1 树脂的选择及氨基酸的固定   将固相合成与其他技术分开来的最主要的特征是固相载体,能用于多肽合成的固相载体必须满足如下要求:必须包含反应位点(或反应基团),以使肽链连在这些位点上,并在以后除去;必须对合成过程中的物理和化学条件稳定;载体必须允许在不断增长的肽链和试剂之间快速的、不受阻碍的接触;另外,载体必须允许提供足够的连接点,以使每单位体积的载体给出有用产量的肽,并且必须尽量减少被载体束缚的肽链之间的相互作用。用于固相法合成多肽的高分子载体主要有三类:聚苯乙烯 - 苯二乙烯交联树脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯 - 乙二醇类树脂及衍生物,这些树脂只有导入反应基团,才能直接连上(第一个)氨基酸。根据所导入反应基团的不同,又把这些树脂及树脂衍生物分为氯甲基树脂、羧基树脂、氨基树脂或酰肼型树脂。 BOC 合成法通常选择氯甲基树脂,如 Merrifield 树脂; FMOC 合成法通常选择羧基树脂如王氏树脂。氨基酸的固定主要是通过保护氨基酸的羧基同树脂的反应基团之间形成的共价键来实现的,形成共价键的方法有多种:氯甲基树脂,通常先制得保护氨基酸的四甲铵盐或钠盐、钾盐、铯盐,然后在适当温度下,直接同树脂反应或在合适的有机溶剂如二氧六环、 DMF 或 DMSO 中反应;羧基树脂,则通常加入适当的缩合剂如 DCC 或羧基二咪唑,使被保护氨基酸与树脂形成共酯以完成氨基酸的固定;氨基树脂或酰肼型树脂,却是加入适当的缩合剂如 DCC 后,通过保护氨基酸与树脂之间形成的酰胺键来完成氨基酸的固定。    氨基、羧基、侧链的保护及脱除   要成功合成具有特定的氨基酸顺序的多肽,需要对暂不参与形成酰胺键的氨基和羧基加以保护,同时对氨基酸侧链上的活性基因也要保护,反应完成后再将保护基因除去。同液相合成一样,固相合成中多采用烷氧羰基类型作为α氨基的保护基,因为这样不易发生消旋。最早是用苄氧羰基,由于它需要较强的酸解条件才能脱除,所以后来改为叔丁氧羰基( BOC )保护,用 TFA (三氟乙酸)脱保护,但不适用含有色氨酸等对酸不稳定的肽类的合成。 1978 年, chang Meienlofer 和 Atherton 等人采用 Carpino 报道的 Fmoc(9- 芴甲氧羰基 ) 作为α氨基保护基, Fmoc 基对酸很稳定,但能用哌啶 -CH2CL2 或哌啶 -DMF 脱去,近年来, Fmoc 合成法得到了广泛的应用。羧基通常用形成酯基的方法进行保护。甲酯和乙酯是逐步合成中保护羧基的常用方法,可通过皂化除去或转变为肼以便用于片断组合;叔丁酯在酸性条件下除去;苄酯常用催化氢化除去。对于合成含有半胱氨酸、组氨酸、精氨酸等带侧链功能基的氨基酸的肽来说,为了避免由于侧链功能团所带来的副反应,一般也需要用适当的保护基将侧链基团暂时保护起来。保护基的选择既要保证侧链基团不参与形成酰胺的反应,又要保证在肽合成过程中不受破坏,同时又要保证在最后肽链裂解时能被除去。如用三苯甲基保护半胱氨酸的 S- ,用酸或银盐、汞盐除去;组氨酸的咪唑环用 2,2,2- 三氟 -1- 苄氧羰基和 2,2,2- 三氟 -1- 叔丁氧羰基乙基保护,可通过催化氢化或冷的三氟乙酸脱去。精氨酸用金刚烷氧羰基( Adoc )保护,用冷的三氟乙酸脱去。   固相中的接肽反应原理与液相中的基本一致,将两个相应的氨基被保护的及羧基被保护的氨基酸放在溶液内并不形成肽键,要形成酰胺键,经常用的手段是将羧基活化,变成混合酸酐、活泼酯、酰氯或用强的失去剂(如碳二亚氨)形成对称酸酐等方法来形成酰胺键。其中选用 DCC 、 HOBT 或 HOBT/DCC 的对称酸酐法、活化酯法接肽应用最广。 裂解及合成肽链的纯化 BOC 法用 TFA+HF 裂解和脱侧链保护基, FMOC 法直接用 TFA ,有时根据条件不同,其它碱、光解、氟离子和氢解等脱保护方法也被采用。合成肽链进一步的精制、分离与纯化通常采用高效液相色谱、亲和层析、毛细管电泳等。 4 .固相合成的特点及存在的主要问题   固相合成法对于肽合成的显著的优点:简化并加速了多步骤的合成;因反应在一简单反应器皿中便可进行,可避免因手工操作和物料重复转移而产生的损失;固相载体共价相联的肽链处于适宜的物理状态,可通过快速的抽滤、洗涤未完成中间的纯化,避免了液相肽合成中冗长的重结晶或分柱步骤,可避免中间体分离纯化时大量的损失;使用过量反应物,迫使个别反应完全,以便最终产物得到高产率;增加溶剂化,减少中间的产物聚焦;固相载体上肽链和轻度交联的聚合链紧密相混,彼此产生一种相互的溶剂效应,这对肽自聚集热力学不利而对反应适宜。固相合成的主要存在问题是固相载体上中间体杂肽无法分离,这样造成最终产物的纯度不如液相合成物,必需通过可靠的分离手段纯化。 5 .固相合成的研究发展前景 固相多肽合成已经有 40 年的历史了,然而到现在,人们还只能合成一些较短的肽链,更谈不上随心所欲地合成蛋白质了,同时合成中的试剂毒性,昂贵费用,副产物等一直都是令人头痛的问题,而在生物体内,核糖体上合成肽链的速度和产率都是惊人的,那么,是否能从生物体合成蛋白质的原理上得到一些启发,应用在固相多肽合成(树脂)上,这是一个令人感兴趣的问题,也许是今后多肽合成的发展。 在 Boc 合成法中,反复地用酸来脱保护,这种处理带来了一些问题:如在肽与树脂的接头处,当每次用 50%TFA 脱 Boc 基时,有约 1.4% 的肽从树脂上脱落,合成的肽越大,这样的丢失越严重;此外,酸催化会引起侧链的一些副反应 .Boc 合成法尤其不适于合成含有色氨酸等对酸不稳定的肽类 .1978 年, Chang 、 Meienlofer 和 Atherton 等人采用 Carpino [ 3 ]报道的 Fmoc(9- 芴甲氧羰基 ) 基团作为 α- 氨基保护基,成功地进行了多肽的 Fmoc 固相合成 .Fmoc 法与 Boc 法的根本区别在于采用了碱可脱除的 Fmoc 为 α- 氨基的保护基 . 侧链的保护采用 TFA 可脱除的叔丁氧基等,树脂采用 90%TFA 可切除的对烷氧苄醇型树脂和 1%TFA 可切除的二烷氧苄醇型树脂,最终的脱保护避免了强酸处理 . 6. HPLC 分析和纯化   分析 HPLC 使用柱子和泵系统,可以经受传递高压,这样可以用极细的微粒( 3-10μ m )做填料。由此多肽要在几分钟内高度被分析。    HPLC 分两类:离子交换和反相。 离子交换 HPLC 依靠多肽和固相间的直接电荷相互作用。柱子在一定 PH 范围带有特定电荷衍变成一种离子体,而多肽或多肽混合物,由其氨基酸组成表现出相反电荷。 分离是一种电荷相互作用,通过可变 PH , 离子强度, 或两者洗脱出多肽,通常, 先用低离子强度的溶液,以后逐渐加强或一步一步加强,直到多肽火柱中洗脱出。离子交换分离的一个例子使用强阳离子交换柱。如 sulfoethylaspartimide 通过酸性 PH 中带正电来分离。   反相 HPLC 条件与正常层析正相反。多肽通过疏水作用连到柱上,用降低离子强度洗脱, 如增加洗脱剂的疏水性。通常柱子由共价吸附到硅上的碳氢烷链构成,这种链长度为 G4-G8 碳原子。 由于洗脱是一种疏水作用。大的疏水肽用短链柱洗脱好。 然而,总体实践中, 这两类柱互变无多少显著差别,别类载体由碳水化合物构成, 比如苯基。   典型的操作常由两绶冲剂组成, 0.1%TFA-H2o 和 80% acetonitrile 0.1%TFA--H2o 稀 acetonitrile 。用线型梯变以每分钟 0.5% 到 1.0% 改变的速度混合。常见分析和纯化用柱为 4.6×250mm(3-10μ m) 和 22×250mm(10μ m). 如果用径向填柱,那么大小是 8×100 ( 3-10μ m )和 25×250mm(10μ m)   大量各种缓冲剂含许多不同试剂,比如 heptafluorobutyric 酸, 0.1% 磷酸, 稀 He formic 酸 (5-6%, pH2-4), 10-100mM NH4HCO3, 醋酸钠 / 氨, TFA/TEA ,磷酸钠或钾,异戊酚。这样许多不同组合可形成缓冲剂,但要注意一点:硅反相柱料不能长时间暴露于高 pH ,甚至微碱 pH , 因为这样会破坏柱子。 7. Fmoc― 氨基酸的制备和侧链保护    Fmoc 基团是在有 NaHCO3 或 Na2CO3 存在的二氧六环溶液中,通过以下反应引入到氨基酸中的:   理想的 Fmoc- 氨基酸的侧链保护基应在碱性条件下稳定,在酸性条件下脱除 . 下面对其做一介绍 . 7.1   Asp 和 Glu    Asp 和 Glu 侧链羧基常用 t-Bu 保护 . 可用 TFA 、 TMSBr 等脱除 . 但是用 t-Bu 保护仍有侧链环化形成酰亚胺的副反应发生 . 近年来,发展了一些新的保护基如环烷醇酯、金刚烷醇酯等可减轻这一副反应,这些保护基可用 TMSOTf( 三氟甲磺酸三甲硅烷酯 ) 除去 . 7.2   Ser 、 Thr 和 Tyr    ser 、 Thr 的羟基及 Tyr 的酚羟基通常用 t-Bu 保护 . 叔丁基的引入比较麻烦,首先 ser 制成苄氧羰基酯,再在酸催化下与异丁烯反应 .Ser 和 Thr 还可用苄基保护, Ser 用苄醇引入苄基、 Thr 用溴苄引入苄基 . 7.3   Asn 和 Gln    Asn 和 Gln 侧链的酰胺键在肽合成中一般不加以保护 . 但合成大肽时, Asn 和 Gln 的 α- 羧基活化时可能会发生分子内脱氢反应生成氰基化合物 . 碱性时 Gln 的侧链可以环化生成酰胺 . 而且不保护的 Fmoc-Gln 和 Fmoc-Asn 在 DCM 中溶解度很差 . 为了避免这些问题,可以用 9- 咕吨基, 2 , 4 , 6- 三甲氧苄基, 4 , 4′― 二甲氧二苯甲基或三苯甲基等保护,这四种基因均可用 TFA 脱除 . 7.4   His    His 是最容易发生消旋化的氨基酸,必须加以保护 .   对咪唑环的非 π-N 开始用苄基 (Bzl) 和甲基磺酰基 (TOS) 保护 . 但这两种保护基均不太理想 .TOS 对亲核试剂不稳定, Bzl 需要用氢解或 Na/NHs 除去,并且产生很大程度消旋 .Boc 基团是一个较理想的保护基,降低了咪唑环的碱性,抑制了消旋,成功地进行了一些合成 . 但是当反复地用碱处理时,也表现出一定的不稳定性 . 哌啶羰基在碱中稳定,但是没能很好地抑制消旋,而且脱保护时要用很强的亲核试刘如 .   对咪唑环 π-N 保护,可以完全抑制消旋, π-N 可以用苄氧甲基 (Bom) 和叔丁氧甲基 (Bum) 保护, (Bum) 可以用 TFA 脱除, Bom 更稳定些,需用催化氢解或强酸脱保护, Bum 是目前很有发展前途的 His 侧链保护基,其不足之处在于 Fmoc(His)Bum 在 DCM 和 DMF 中的溶解度较差 . 7.5   Cys    Cys 的- SH 具有强亲核性,易被酰化成硫醚,也易被氧化为二硫键,必须加以保护 . 常用保护基有三类:一类用 TFA 可脱除,如对甲苄基、对甲氧苄基和三苯甲基等;第二类可用 (CF3CO)3T1 / TFA 脱除,对 TFA 稳定 . 如 t-Bu 、 Bom 和乙酰胺甲基等 . 第三类对弱酸稳定,如苄基和叔丁硫基 (stBu) 等, Cys(StBu) 可用巯基试剂和磷试剂还原, Cys(Bzl) 可用 Na/NH3(1) 脱保护 . 7.6   Arg    Arg 的胍基具有强亲核性和碱性,必须加以保护 . 理想的情况是三个氮都加以保护,实际上保护 1 或 2 个胍基氮原子 . 保护基分四类: (1) 硝基 (2) 烷氧羰基 (3) 磺酰基 (4) 三苯甲基 .   硝基在制备、酰化裂解中产生很多副反应,应用不广 . 烷氧羰基应主要有 Boc 和二金刚烷氧羰基 (Adoc)2 、 Fmoc(Arg)Boc 的耦联反效率不高,哌啶理时不处稳定,会发生副反应; Adoc 保护了两个非 π - N ,但有同样的副反应发生 . 对磺酰基保护,其中 TOS 应用最广,但它较难脱除 . 近年来 2 , 3 , 6- 三甲基 -4- 甲氧苯横酰基 (Mtr) 较受欢迎,在 TFA 作用下, 30 分钟即可脱除,但是它们都不能完全抑制侧链的酰化发生 . 三苯甲基保护基可用 TFA 脱除 . 缺点是反应较慢,侧链仍有酰化反应,且其在 DCM 、 DMF 中溶解度不好 . 7.7   Lys    Lys 的 ε-NH2 必须加以保护 . 但与 α - NH2 的保护方式应不同,该保护基要到肽链合成后除去 .ε - NH2 的保护无消旋问题,可以采用酰基保护基,其它常用的保护基有苄氧碳基和 Boc.    7.8   Fmoc 基团的脱除    Fmoc 基团的芴环系的吸电子作用使 9-H 具有酸性,易被较弱碱除去,反应条件很温和 . 反应过程可表示如下:   哌啶进攻 9-H,β 消除形成二苯芴烯,很容易被二级环胺进攻形成稳定的加成物 .Fmoc 基团对不同的碱稳定性不同,可根据实际条件选用 . 7.9  耦联反应   固相中的接肽反应原理与液相中基本一致 . 将两个相应的氨基被保护的及羧基被保护的氨基酸放在溶液内,并不形成肽键 . 要形成酰胺键,经常用的手段是将羧基活化,其方法是将它变成混合酸酐,或者将它变为活泼酯、酰氯,或者用强的失去剂 ( 碳二亚胺 ) 也可形成酰胺键,耦联反应可表示如下: (A :羰基活泼试剂 ) 碳二亚胺是常用的活化试剂,其中 Dcc 使用范围最广,其缺点是形成了不溶于 DCM 的 DCH ,过滤时又难于除尽 . 其他一些如二异丙基碳二亚胺 (DCI) 、甲基叔丁基碳二亚胺也用于固相合成中,它们形成的脲 溶于 DCM 中,经洗涤可以除去 . 其他活化试剂,还有 Bop(Bop - C1) 、氯甲酸异丙酯、氯甲酸异丁酯、 SOC12 等 . 其中 Dcc 、 Bop 活化形成对称酸酐、 SOC12 形成酰氯,其余三种形成不对称酸酐 . 7.10  对称酸酐法   用 Dcc 形成对称酸酐的方法使用较广 . 其缺点是有些氨基酸在 DCM 中不易溶解,生成的 Fmoc 氨基酸酐溶解度更差 . 同时还有些副反应,如形成二肽、消旋等 . 7.11  混合酸酐法   最常用试剂是氯甲酸的异丙基酯和异丁基酯 . 前者得到的酸酐稳定性好 . 只产生很少消旋,在适当的化学计量及溶剂条件下,耦联反应很快 . 而且,在此反应中使用的 N- 甲基吗啉和 N- 甲基哌啶对 Fmoc 基团无影响 . 7.12  酰氯法   在 Boc 法中不常用的酰氯,因为比较激烈,一些保护基如 Boc 不稳定 . 但是, Fmoc 基团可以耐受酰氯处理,生成的 Fmoc 氨基酰氯也很稳定 . 在三甲基乙酸/三胺或苯并三氮唑/二异丙基乙二胺中,反应速度很快,消旋很少 . 酰氯法在固相合成中应用还不多,但已表明, Fmoc -氨基酰氯适用于合成有立体障碍的肽序列 . 7.13  活化酯法   活化酯法在固相合成中应用最为广泛 . 采用过的试剂也很多,近来最常用的有 HOBt 酯、 ODhbt 酯、 OTDO 酯等 .    HOBt 酯反应快,消旋少,用碳二亚胺很容易制得; ODhbt 酯很稳定,容易进行分离纯化,与 HOBt 酯具有类似的反应性和消旋性能,它还有一个优越之处,在酰化时有亮黄色、耦联结束时颜色消失,有利于监测反应; OTDO 酯与 ODhbt 酯类似,消旋化极低,易分离,酰化时伴有颜色从桔红色到黄色的变化等 . 7.14  原位法   将碳二亚胺和 α - N 保护氨基酸直接加到树脂中进行反应叫做原位法 .   用 DIC 代替 Dcc 效果更好 . 其他的活化试剂还有 Bop 和 Bop-C1 等 . 原位法反应快、副反应少、易操作 . 其中 DIC 最有效,其次是 Bop 、 Bop-C1 等 . 遗憾的是 Bop 酰化时生成致癌的六甲基磷酰胺,限制了其应用 . 7.15  裂解及侧链保护基脱除    Fmoc 法裂解和脱侧链保护基时可采用弱酸 .TFA 为应用最广泛的弱酸试剂,它可以脱除 t-Bu 、 Boc 、 Adoc 、 Mtr 等;条件温和、副反应较少 . 不足之处: Arg 侧链的 Mtr 很难脱除, TFA 用量较大;无法除掉 Cys 的 t-Bu 等基因 . 也有采用强酸脱保护的方法:如用 HF 来脱除一些对弱酸稳定的保护基,如 Asp 、 Glu 、 Ser 、 Thr 的 Bzl( 苄基 ) 保护基等,但是当脱除 Asp 的吸电子保护基时,会引起环化副反应 . 而 TMSBr 和 TMSOTf 在有苯甲硫醚存在时,脱保护速度很快 . 此外,根据条件不同,碱、光解、氟离子和氢解等脱保护方法也有应用 .    Fmoc 基团用于固相合成多肽已经有了十多年的历史,在合成一些含有在酸性条件下不稳定的氨基的残基的肽时,具有特别优越之处 . 将 Fmoc 法和 Boc 法互相补充,定会在合成更多、更大的生物分子中发挥。 二、常用保护氨基酸数据 缩写 名称 分子量 缩写 名称 分子量 A-Ala Fmoc- Ala 329.3 M-Met Fmoc-Met 371.5 R-Arg Fmoc-Arg(Pbf) 648.77 F-Phe Fmoc- Phe 387.4 N-Asn Fmoc- Asn (Trt) 596.7 (D)F-Phe Fmoc-D-Phe 387.4 D-Asp Fmoc-Asp(OtBu) 411.46 P-Pro Fmoc- Pro 337.4 C-Cys Fmoc-Cys(Trt) 585.7 S-Ser Fmoc- Ser (tBu) 383.4 Q-Gln Fmoc- Gln (Trt) 610.7 T-Thr Fmoc-Thr(tBu) 397.5 E-Glu Fmoc- Glu (OtBu) 425.48 W-Trp Fmoc- Trp (Boc) 526.59 G-Gly Fmoc- Gly 297.3 (D)W-Trp Fmoc-D-Trp(Boc) 526.59 H-His Fmoc- His (Trt) 619.7 D-Tyr Fmoc-Tyr(tBu) 459.5 I-Ile Fmoc- Ile 353.4 V-Val Fmoc-Val 339.4 L-Leu Fmoc- Leu 353.4 pGlu PyroGlu 129.1 K-Lys Fmoc-Lys (Boc) 468.5 常用试剂种类及数据 名称 分子量 名称 分子量 密度( g/ml ) HOBt 135.1 DIPCDI(DIC) 126.3 0.806 TBTU 321.1 DIPEA(DIA) 129.4 0.76 HATU 380.3 Ac2O 102.1 1.08 DMAP 122.1 Pyridine 79.1 0.983 HOAT 136.1 TFA 114.2 1.44 TMP 121.18 0.92 EDT 94.24 1.123 TIS 158.4 NMM 101.15 0.9168 常见保护基团结构及数据 缩写 分子量 缩写 分子量 缩写 分子量 Fmoc- 222 tBu- 56 Acm- 57 Pbf- 253 OtBu- 72 Mz- 165.1 Trt- 242.3 Ac- 43 Boc- 101.1 Z- 134.1 三、常用氨基酸结构及性质 Name Symbol MW MW (-H2O) Structure Three Letter Code One Letter Code Alanine Ala A 89.09 71.08 Arginine Arg R 174.20 156.19 Asparagine Asn N 132.12 114.10 Aspartic Acid Asp D 133.10 115.09 Cysteine Cys C 121.15 103.15 Glutamic Acid Glu E 147.13 129.12 Glutamine Gln Q 146.15 128.13 Glycine Gly G 75.07 57.05 Histidine His H 155.16 137.14 Isoleucine Ile I 131.17 113.16 Leucine Leu L 131.17 113.16 Lysine Lys K 146.19 128.17 Methionine Met M 149.21 131.20 Phenylalanine Phe F 165.19 147.18 Proline Pro P 115.13 97.12 Serine Ser S 105.09 87.08 Threonine Thr T 119.12 101.11 Tryptophan Trp W 204.23 186.21 Tyrosine Tyr Y 181.19 163.18 Valine Val V 117.15 99.13 四、常见保护基团结构 Name Structure Symbol Formula Residue Wt Acetamidomethyl Acm C3H6NO 72.1 Acetyl Ac C2H3O 43.0 Allyloxycarbonyl Aloc C4H5O2 85.1 6-Amidohexanoate LC C4H7NO 85.1 7-Amido-4-methylcoumaryl AMC C10H8NO2 174.2 7-Amido-4-trifluoromethyl-coumaryl AFC C10H5F3NO2 228.2 5- -naphthalene-1-sulfonic acid EDANS C12H13N2O3S 265.3 Benzoyl Bz C7H5O 105.1 Benzyl Bzl C7H7 91.1 Benzyloxycarbonyl Z (Cbz) C8H7O2 135.1 Benzyloxymethyl Bom C8H9O 121.2 (+)-Biotinyl Biotin C10H15N2O2S 227.3 2-Bromobenzyloxycarbonyl 2-Br-Z C8H6BrO2 214.0 tert-Butyl tBu C4H9 57.1 tert-Butyloxycarbonyl Boc C5H9O2 101.1 tert-Butylthio StBu C4H9S 89.2 2-Chlorobenzyloxycarbonyl 2-Cl-Z C8H6ClO2 169.6 Cyclohexyl cHex C6H11 83.1 2,6-Dichlorobenzyl 2,6-di-Cl-Bzl C7H5Cl2 160.0 4-(4-Dimethylaminophenyl-azo)benzoyl DABCYL C15H14N3O 252.3 2,4-Dinitrophenyl Dnp C6H3N2O4 167.1 9-Fluorenylmethyl Fm C14H11 179.1 9-Fluorenylmethyloxy-carbonyl Fmoc C15H11O2 223.3 Fluorescein Isothiocyanate FITC C21H12NO5S 390.4 Lissamine Rhodamine LR C31H38N2O6S2 598.8 Mesitylene-2-sulfonyl Mts C9H11O2S 183.3 4-Methoxybenzyl Mob C8H9O 121.2 (7-Methoxycoumarin-4-yl)acetyl Mca C12H9O4 217.2 4-Methoxy-2,3,6-trimethyl-benzenesulfonyl Mtr C10H13O3S 213.3 4-Methoxytrityl Mmt C20H17O 273.4 4-Methylbenzyl MBzl C8H9 105.2 4-Methyltrityl Mtt C20H17 257.4 4-Morpholinecarbonyl Mu C5H8NO2 114.1 p-Nitroanilide pNA C6H5N2O2 137.1 2,2,4,6,7-Pentamethyldihydro-benzofuran-5-sulfonyl Pbf C13H17O3S 253.3 2,2,5,7,8-Pentamethyl-chroman-6-sulfonyl Pmc C14H19O3S 267.4 Rhodamine 110 R110 C20H13N2O3 329.3 Succinyl Suc C4H5O3 101.1 4-Toluenesulfonyl Tos C7H7O2S 155.2 Trityl Trt C17H15 243.3 Xanthyl Xan C13H9O 181.2 五、多肽常识 Reconstitution and Storage of Peptides Peptides are usually supplied as a fluffy, freeze-dried material in serum vials. Store peptides in a freezer after they have been received. In order to reconstitute the peptide, distilled water or a buffer solution should be utilized. Some peptides have low solubility in water and must be dissolved in other solvents such as 10% acetic acid for a positively charged peptide or 10% ammonium bicarbonate solution for a negatively charged peptide. Other solvents that can be used for dissolving peptides are acetonitrile, DMSO, DMF, or isopropanol. Use the minimal amount of these non-aqueous solvents and add water or buffer to make up the desired volume. After peptides are reconstituted, they should be used as soon as possible to avoid degradation in solution. Unused peptide should be aliquoted into single-use portions, relyophilized if possible, and stored at -20°C. Repeated thawing and refreezing should be avoided. Methods to Dissolve Peptides The best way to dissolve a peptide is to use water. For peptides that are not soluble in water, use the following procedure: 1. For acidic peptides, use a small amount of base such as 10% ammonium bicarbonate to dissolve the peptide, dilute with water to the desired concentration. Do not use base for cysteine-containing peptides. 2. For basic peptides, use a small amount of 30% acetic acid, dilute with water to the desired concentration. 3. For a very hydrophobic peptide, try dissolving the peptide in a very small amount of DMSO, dilute with water to the desired concentration. 4. For peptides that tend to aggregate (usually peptides containing cysteines), add 6 M urea, 6 M urea with 20% acetic acid, or 6 M guanidine•HCl to the peptide, then proceed with the necessary dilutions. Preparation of HBTU/HOBt Solution for the Peptide Synthesizer 1. Preparation of 0.5 M HOBt in DMF: o Weigh 13.5 g anhydrous HOBt (0.1 mol, MW 135.1) into a 250 mL graduated cylinder. o Add DMF until the 200 mL level is reached. 2. Preparation of 0.45 M HBTU/HOBt solution: o Add the solution prepared in step 1 to 37.9 g HBTU (0.1 mol, MW 379.3) contained in a beaker or an Erlenmayer flask. 3. Stir for about 15 min with a magnetic stirring bar until HBTU is dissolved. 4. Filter the solution through a fine pore size sintered glass funnel. 5. Pour the filtered solution into an appropriate bottle for attachment to a peptide synthesizer. * This solution is stable at room temperature for at least six weeks. Biotinylation of Amino Group 1. Wash 0.1 mmol resin with DMF. 2. Dissolve 0.244 g (+)-biotin (1 mmol, MW 244.3) in 5 mL DMF-DMSO (1:1) solution. A little warming is necessary. 3. Add 2.1 mL 0.45 M HBTU/HOBt solution and 0.3 mL DIEA to the solution prepared in step 2. 4. Add the activated biotin solution to the resin and let stir overnight. 5. Check resin to make sure coupling is complete as evidenced by negative ninhydrin test (colorless). 6. Wash resin with DMF-DMSO (1:1) (2x) to remove excess (+)-biotin. 7. Wash resin with DMF (2x) and DCM (2x). 8. Let the resin dry before proceeding to cleavage. Procedure for Loading Fmoc-Amino Acid to 2-Chlorotrityl Chloride Resin 1. Weigh 10 g 2-chlorotrityl chloride resin (15 mmol) in a reaction vessel, wash with DMF (2x), swell the resin in 50 mL DMF for 10 min, drain vessel. 2. Weigh 10 mmol Fmoc-amino acid in a test tube, dissolve Fmoc-amino acid in 40 mL DMF, transfer the solution into the reaction vessel above, add 8.7 mL DIEA (50 mmol), swirl mixture for 30 min at room temperature. 3. Add 5 mL methanol into the reaction vessel and swirl for 5 min. 4. Drain and wash with DMF (5x). 5. Check substitution. 6. Add 50 mL 20% piperidine to remove the Fmoc group. Swirl mixture for 30 min. 7. Wash with DMF (5x), DCM (2x), put resin on tissue paper over a foam pad and let dry at room temperature overnight under the hood. Cover the resin with another piece of tissue paper, press lightly to break aggregates. 8. Weigh loaded resin. 9. Pack in appropriate container. Procedure for Checking Substitution of Fmoc-Amino Acid Loaded Resins 1. Weigh duplicate samples of 5 to 10 mg loaded resin in an eppendorf tube, add 1.00 mL 20% piperidine/DMF, shake for 20 min, centrifuge down the resin. 2. Transfer 100 μL of the above solution into a tube containing 10 mL DMF, mix well. 3. Pipette 2 mL DMF into each of the two cells (reference cell and sample cell), set spectrophotometer to zero. Empty the sample cell, transfer 2 mL of the solution from step 2 into the sample cell, check absorbance. 4. Subs = 101(A)/7.8(w) A = absorbance w = mg of resin 5. Check absorbance three times at 301 nm, calculate average substitution. Manual Fmoc Synthesis (0.25 mmol) 1. Wash resin with DMF (4x) and then drain completely. 2. Add approximately 10 mL 20% piperidine/DMF to resin. Shake for one min and drain. 3. Add another 10 mL 20% piperidine/DMF. Shake for 30 min. 4. Drain reaction vessel and wash resin with DMF (4x). Make sure there is no piperidine remaining. Check beads using ninhydrin test, beads should be blue. 5. Coupling Step - Prepare the following solution: 1 mmol Fmoc-amino acid 2.1 mL 0.45 M HBTU/HOBT (1mmol) 348 μL DIEA (2 mmol) Add above solution to the resin and shake for a minimum of 30 min. This coupling step can be longer if desired. 6. Drain reaction vessel and wash resin with DMF (4x). 7. Perform Ninhydrin test: o If negative (colorless), proceed to step 2 and continue synthesis. o If positive (blue), return to step 5 and re-couple the same Fmoc-amino acid. Increase the coupling time if necessary. Synthesis of Phosphotyrosine-Containing Peptides Using Fmoc-Phosphotyrosine Reagent: N- a -Fmoc-O-phosphotyrosine 1. For 0.1 mmol or 0.25 mmol synthesis, use 0.483 g Fmoc-Tyr(PO3H2)-OH (1 mmol, MW 483.4) . For ABI synthesizers, pack Fmoc-Tyr(PO3H2)-OH in a cartridge. 2. The cycle program for coupling Fmoc-Tyr (PO3H2)-OH is the same as for other Fmoc-amino acids except for the coupling time (see step 3). (Note: ABI synthesizers use HBTU/HOBT as the activating reagent.) 3. The coupling time for Fmoc-Tyr(PO3H2)-OH needs to be increased. For ABI model 430A peptide synthesizer, insert several steps (i.e., vortex on, wait 990 sec, vortex off, to increase the coupling time). For ABI model 431A peptide synthesizer, add additional "I"s. Overnight coupling may be necessary for some sequences. 4. After the coupling step for Fmoc-Tyr(PO3H2)-OH, perform ninhydrin test to ensure complete coupling. Negative (colorless) ninhydrin test indicates complete coupling, while a positive (blue) ninhydrin test indicates incomplete coupling. 5. Increase the coupling time of the amino acid residues after the phosphotyrosine or perform double coupling. (Note: The coupling of amino acids after the phosphotyrosine can be difficult.) 6. There is a limit on the number of amino acid residues that can be coupled after the hosphotyrosine. Since the phospho group is unprotected, side reactions are likely to ccur. (Note: Peptides have been successfully coupled with sequences containing up o ten additional amino acids following the phosphotyrosine residue.) Simultaneous Synthesis of Peptides Which Differ in the C-Termini Using 2-Chlorotrityl Resin and Wang Resin* Peptides which differ in the C-termini can be simultaneously synthesized in one reaction vessel by employing resins that possess different cleavage properties. The resins used were the weak acid labile 2-chlorotrityl resins and the TFA labile Wang resins. The success of this approach was shown by the co-synthesis of ACTH (4-10) with ACTH (4-11) and Neuropeptide Y, a C-terminal amide peptide with its corresponding C-terminal free acid analog. *Hong A., Le T., and Phan T. Techniques in Protein Chemistry VI, 531-562 (1995). Cleavage Protocol to Produce Fully Protected Peptide Starting Resin: Chlorotrityl resins Reagents for 1 g Peptide-Resin: 1 mL acetic acid (AcOH) 2 mL trifluoroethanol (TFE) 7 mL dichloromethane (DCM) 1. Prepare above mixture. 2. Add peptide-resin to the mixture and let it stir at room temperature for 1 h. 3. Filter and wash resin with 10 mL TFE:DCM (2:8) (2x) to ensure that all of the product is recovered. 4. Evaporate the solvent until there is less than 5 mL of liquid. 5. Add ether to a test tube containing about 100 m L of the above solution. Check solubility of the fully protected peptide in ether. If the product precipitates, proceed to step 6. If no precipitate is observed, proceed to step 7. 6. Add cold ether to the residual liquid in step 4 to precipitate the fully protected peptide. Filter through a fine sintered funnel to obtain the product. 7. Some fully protected peptides are soluble in ether. In this case, add water to precipitate them out. Filter through a fine sintered funnel to obtain the product. Procedure for FITC Labeling of Peptides Reagents: FITC Fmoc- e -Ahx-OH 1. Couple Fmoc- e -Ahx-OH to the amino terminal of the peptide-resin using standard coupling conditions. 2. "De-Fmoc" with piperidine using the standard 20% piperidine procedure. 3. Wash resin with DMF (3-4x). 4. Swell resin with DCM and drain. 5. Prepare solution of 1.1 equivalent of FITC in pyridine/DMF/DCM (12:7:5). Use just enough solution to form a slurry with the resin. Do not use too much solution since the rate of the reaction is proportionate to the concentration of the solution. 6. Add the solution prepared in step 2 to the resin. 7. Let mix overnight. 8. Check the completion of the reaction using ninhydrin test. 9. If the coupling of FITC to the amino group is not complete, ninhydrin test will give a blue color. Repeat the coupling with FITC (steps 5-7) if necessary. 10. Wash resin with DMF (2x), isopropanol (2x), and DCM (2x). Procedure for Removing Mtt group from Fmoc-Lys(Mtt) on Solid Phase Reagent: Fmoc-Lys(Mtt)-OH 1. Swell resin in DCM. 2. Wash resin with 3% TFA/DCM (2x) (since the resin is swollen in DCM, this step of washing the resin quickly with 3% TFA/DCM ensures that the actual concentration of TFA is 3%). 3. Shake the resin in 3% TFA for 10 min. 4. Repeat step 3. 5. Wash resin with DCM (3x), DMF (3x), isopropanol (3x), and DCM (3x). 6. Let the resin dry in air. Procedure for Fluorescein Labeling of Peptides Reagent: 5-carboxyfluorescein (5-FAM) [0.1 g, AnaSpec Catalog # 24623; 0.5 g, AnaSpec Catalog # 24624) Use standard coupling method to couple 5-carboxyfluorescein to the amino group of the peptide. For cost saving purposes, use 2x excess compared to the mmol of resin, instead of the standard 4x excess used for Fmoc-amino acids. For 0.1 mmol synthesis, use 75 mg 5-carboxyfluorescein, 76 mg HBTU, and 70 mL DIEA. 六、常用试剂 及非天然氨基酸 (一)缩合剂 1 . Name: EDC.HCl Category: Peptide Coupling Reagent 2 . 6- 氯 -1- 羟基 - 苯并 - 三氮唑 Name: Cl-HOBt Category: Peptide Coupling Reagent 3 . Name: N,N'-Diisopropylcarbodiimide (DIC) Category: Peptide Coupling Reagent   4 . 二环己基碳化二亚胺 Name: Dicyclohexylcarbodiimide (DCC) Category: Peptide Coupling Reagents 5 . Name: BOP Reagent Category: Peptide Coupling Reagent 6 . 六氟磷酸苯并三唑 -1- 基 - 氧基三吡咯烷基磷 Name: PyBOP Category: Peptide Coupling Reagent 7 . N,N'- 羰基二咪唑 Name: N,N'-Carbonyldiimidazole (CDI) Category: Peptide Coupling Reagent 8 . Name: DEPBT Category: Peptide Coupling Reagent 9 . Name: 4,5-Dicyanoimidazole Category: Peptide Coupling Reagent   10 . Name: HBTU Category: Peptide Coupling Reagent 11 . Name: HOBt (anhydrous) Category: Peptide Coupling Reagent 12 . Name: HOOBt Category: Peptide Coupling Reagent 13 . Name: TBTU Category: Peptide Coupling Reagent (二)链接剂 1 . Name: Sieber Linker Category: Linkers for Solid Phase Synthesis   2 . Name: Weinreb Linker Category: Linkers for Solid Phase Synthesis   3 . Name: DHP Linker Category: Linkers for Solid Phase Synthesis   4 . Name: HMP Linker Category: Linkers for Solid Phase Synthesis 5 . Name: Rink Amide Linker Category: Linkers for Solid Phase Synthesis (三) 树脂 Resin 1 . Name: 2-Chlorotrityl Chloride Resin Category: Resins 2 . Name: Aminomethyl polystyrene Resin Category: Resins 3 . (用于合成肽醇) Name: DHP HM Resin Category: Resins 4 . Name: HMPA-AM Resin Category: Resins 5 . (用于合成肽酰胺) Name: Knorr Resin Category: Resins 6 . (用于合成肽酰胺) Name: Knorr-2-Chlorotrityl Resin Category: Resins 7 . Name: MBHA Resin Category: Resins 8 . Name: Merrifield Resin Category: Resins 9 . Name: Oxime Resin Category: Resins 10 . Name: PAM Resin Category: Resins 11 . Name: Rink amide-AM Resin Category: Resins 12 . Name: Rink amide-MBHA Resin Category: Resins 13 . Name: Sieber Resin Category: Resins 14 . Name: Wang Resin Category: Resins 15 . (用于合成肽醛) Name: Weinreb AM Resin Category: Resins (四)保护剂 1 . 9- 芴甲醇 Name: 9-Fluorenylmethanol Category: N-Protecting Reagents 2 . Boc- 酸酐 Name: Boc Anhydride Category: N-Protecting Reagents 3 . 4,4'- 二甲氧基三苯基氯甲烷 Name: DMT-Cl Category: N-Protecting Reagents 4 . Name: N,N'-Disuccinimidyl carbonate(DSC) Category: N-Protecting Reagents 5 . 芴甲氧羰酰氯 Name: Fmoc-Cl Category: N-Protecting Reagents 6 . 芴甲氧羰酰琥珀酰亚胺 Name: Fmoc-OSu Category: N-Protecting Reagents 7 . 叔丁基二甲基氯硅烷 Name: tert-Butyldimethylsilyl Chloride Category: N-Protecting Reagents 8 . Name: Trityl Chloride Category: N-Protecting Reagents 9 . 苯甲氧羰酰氯 (Cbz-Cl) Name: Z-Cl Category: N-Protecting Reagents 10 . 苯甲氧羰酰琥珀酰亚胺 (Cbz-OSu) Name: Z-OSu Category: N-Protecting Reagents 11 . Name: Z(2Cl)-OSu Category: N-Protecting Reagents 12 . Name: Z(2-Br)-OSu Category: N-Protecting Reagents (五) 非天然氨基酸 1 . Name: Fmoc-Dap(Boc)-OH Category: Unusual Amino Acids 2 . Name: 3-Chloro-L-Phenylalanine Category: Unusual Amino Acids 3 . Name: 3-Cl-Tyr-OH Category: Unusual Amino Acids 4 . Name: 4-Amino-L-Phenylalanine Category: Unusual Amino Acids 5 . Name: 4-Chloro-L-Phenylalanine.HCl Category: Unusual Amino Acids 16 . Name: 3,4-Dichloro-phenylalanine Category: Unusual Amino Acids 6. Name: 4-Fluoro-L-Phenylalanine Category: Unusual Amino Acids 7. Name: Boc-4-Iodo-L-phenylalanine Category: Unusual Amino Acids 8. Name: 4-Methoxyphenylalanine Category: Unusual Amino Acids 9. Name: 3-NH2-Tyr-OH Category: Unusual Amino Acids 10. Name: 4-Nitro-L-Phenylalanine Hydrate Category: Unusual Amino Acids 11. Name: 3-(3-Pyridyl)-L-alanine.HCl Category: Unusual Amino Acids 12. Name: DL-m-Tyrosine category: Unusual Amino Acids 13. Name: Fmoc-Tyr(3-NO2)-OH Category: Unusual Amino Acids   14. Name: Boc-Homo-L-Tyrosine Category: Unusual Amino Acids 15. Name: Sarcosine tert-butyl ester.HCl Category: Unusual Amino Acids (六)标记试剂 1 . 7- 氨基 -4- 甲基香豆素 Name: 7-Amino-4-methylcoumarin ( AMC) Category: Labeling Reagents (七)修饰及标记 1. 标记 Aminocoumarin Bodipy Lissamine Rhodaliiine NBD Fluorescein Tetramethylrhodamine 2. 修饰 Acetylation Formylation Amidation(C—terminal) Nitronation Fatty acid Phosphorylation-Serine Phosphorylation-Threonine Phosphorylation-Tyrosine Benzyloxycarbonylation Biotin Dansvlation Succinylation Dinitrobenzoylation Sulfonation 3. 蛋白载体联接 KLH(KeyhOlelimpetlleiiiocyanin) BSA(Bovine serum albUnin) 4. 复合抗原多 (MAP) Asymmetric 4 branches Asymmetric 8 branches Symmetric 4 branches Symmetric 8 branches 七、 Overview of Peptide Synthesis Introduction Proteins are present in every living cell and possess a variety of biochemical activities. They appear as enzymes, hormones, antibiotics, and receptors. They compose a major portion of muscle, hair, and skin. Consequently, scientists have been very interested in synthesizing them in the laboratory. This interest has developed into a major synthetic field known as Peptide Synthesis. The major objectives in this field are four-fold: 1. To verify the structure of naturally occurring peptides as determined by degradation techniques. 2. To study the relationship between structure and activity of biologically active protein and peptides and establish their molecular mechanisms. 3. To synthesize peptides that are of medical importance such as hormones and vaccines. 4. To develop new peptide-based immunogens. Solid Phase Peptide Synthesis (SPPS) The fundamental premise of this technique involves the incorporation of N- a -amino acids into a peptide of any desired sequence with one end of the sequence remaining attached to a solid support matrix. While the peptide is being synthesized usually by stepwise methods, all soluble reagents can be removed from the peptide-solid support matrix by filtration and washed away at the end of each coupling step. After the desired sequence of amino acids has been obtained, the peptide can be removed from the polymeric support. The general scheme for solid phase peptide synthesis is outlined in Figure 1. The solid support is a synthetic polymer that bears reactive groups such as -OH. These groups are made so that they can react easily with the carboxyl group of an N- a -protected amino acid, thereby covalently binding it to the polymer. The amino protecting group (X) can then be removed and a second N- a -protected amino acid can be coupled to the attached amino acid. These steps are repeated until the desired sequence is obtained. At the end of the synthesis, a different reagent is applied to cleave the bond between the C-terminal amino acid and the polymer support; the peptide then goes into solution and can be obtained from the solution. Fmoc Strategy in SPPS The crucial link in any polypeptide chain is the amide bond, which is formed by the condensation of an amine group of one amino acid and a carboxyl group of another. Generally, an amino acid consists of a central carbon atom (called the a -carbon) that is attached to four other groups: a hydrogen, an amino group, a carboxyl group, and a side chain group. The side chain group, designated R, defines the different structures of amino acids. Certain side chains contain functional groups that can interfere with the formation of the amide bond. Therefore, it is important to mask the functional groups of the amino acid side chain. The general scheme which outlines the strategy of Fmoc synthesis is shown in Figure 2. Initially, the first Fmoc amino acid is attached to an insoluble support resin via an acid labile linker. Deprotection of Fmoc, is accomplished by treatment of the amino acid with a base, usually piperidine. The second Fmoc amino acid is coupled utilizing a pre-activated species or in situ activation. After the desired peptide is synthesized, the resin bound peptide is deprotected and detached from the solid support via TFA cleavage. Fmoc Cleavage The removal of peptides in solid phase peptide synthesis is primarily done by acidolysis. The Fmoc chemistry employs the use of weak acids such as TFA or TMSBr. Various scavengers are included to protect the peptide from carbocations generated during cleavage which can lead to side reactions. These additives usually include thiol compounds, phenol, and water. The following protecting groups are compatible with TFA and TMSBr cleavage: Arg(Boc)2 Cys(Acm) Lys (Boc) Arg(Mtr) Cys(Trt) Lys (Fmoc) Arg(Pbf) Gln(Tmob) Lys (Mtt) Arg(Pmc) Gln(Trt) Ser(tBu) Asn(Tmob) Glu(OtBu) Thr(tBu) Asn(Trt) His(Boc) Tyr(tBu) Asp(OtBu) His(Trt) Depending on the type of protecting groups present, certain combinations of scavengers must be used. For instance, when either Boc and t-Butyl groups are present, their carbocation counterparts (t-butyl cations and t-butyltrifluoroacetate) can react with Trp, Tyr, and Met to form their t-butyl derivatives. While EDT is a very efficient scavenger for t-butyl trifluoroacetate, it does not protect Trp from t-butylation. Therefore, water must be added in order to suppress alkylation. The indole ring of Trp and the hydroxyl group of Tyr are especially susceptible to the reactivity of the cleaved Pmc group. Again, water has been shown to be effective in suppressing this reaction. Similar occurrences can happen with the Trt and Mtr groups. Therefore, scavengers in the appropriate combination will greatly reduce the amount of side reactions. Boc Strategy in SPPS The general scheme which outlines the strategy of Boc synthesis is shown in Figure 3. Initially, the first Boc amino acid is attached to an insoluble support resin via a HF cleavable linker. Deprotection of Boc, is accomplished by treatment of the amino acid with TFA. The second Boc amino acid is coupled utilizing a pre-activated species or in situ activation. After the desired peptide is synthesized, the resin bound peptide is deprotected and detached from the solid support via HF cleavage. Boc Cleavage The Boc chemistry employs the use of strong acids such as HF, TFMSOTf, or TMSOTf. Various additives, usually thiol compounds are added to protect the peptide from the carbocations generated during cleavage. The following protecting groups are compatible with HF cleavage: Arg(Mts) Cys(4-MeOBzl) His(Z) Arg(Tos) Glu(OBzl) Lys (Cl-Z) Asp(OBzl) Glu(OcHex) Ser(Bzl) Asp(OcHex) His(Bom) Thr(Bzl) Cys(Acm) His(Dnp) Trp(CHO) Cys(4-MeBzl) His(Tos) Tyr(Br-Z) Asp(OtBu) His(Trt) The following protecting groups are compatible with TFMSOTf cleavage: Arg(Mts) His(Bom) Met(O) Asp(OBzl) His(Dnp)) Ser(Bzl) Cys(Acm) His(Tos) Thr(Bzl) Cys(4-MeBzl) His(Z) Trp(CHO) Glu(OBzl) Lys (Cl-Z) Tyr(Br-Z) The following protecting groups are compatible with TMSOTf cleavage: Arg(Mts) Glu(OcHex) Trp(CHO) Arg(Mbs) His(Bom) Trp(Mts) Asp(OBzl) Lys (Cl-Z) Tyr(Br-Z) Asp(OcHex) Met(O) Tyr(Bzl) Cys(Acm) Ser(Bzl) Tyr(Cl-Bzl) His(Bom) Thr(Bzl) General Coupling Methods in SPPS Coupling reactions in SPPS require the acylation reactions to be highly efficient to yield high-purity peptides. Coupling Methods in Fmoc SPPS The most widely used coupling method in Fmoc SPPS is the activated ester method either pre-formed (pre-activated species) or in situ (without pre-activation). Initially, the p-nitrophenyl and N-hydroxysuccinimide (ONSu) activated esters were the predominantly used forms (1-2). However, even in the presence of HOBt, the coupling reactions tended to be slow. In addition, ONSu esters of Fmoc amino acids were prone to the formation of the side product succinimido-carbonyl- b -alanine-N-hydroxysuccinimide ester (3-4). The most commonly used activated esters presently are the pentafluorophenyl (OPfp) ester and the 3-hydroxy-2,3-dihydro-4-oxo-benzo-triazone (ODhbt) ester (5-7). In the presence of HOBt, the rate of reaction is very rapid and the reaction is efficient with minimal side product formation. On the other hand, many coupling reactions can be done in situ using activating reagents such as DCC, HBTU, TBTU, BOP, or BOP-Cl. The direct addition of carbodiimide is considered to be the best choice (8-13). HBTU and TBTU would rank second, followed by BOP and finally BOP-Cl. With regards to ester coupling, the following order was found: BOP/HOBt carbodiimide/HOBt ~ carbodiimide/ODhbT DCC/OPfp (14-15). More recently, 1-hydroxy-7-azabenzotriazole (HOAt) and its corresponding uronium salt analog O-(7-azabenzotrizol-1-yl)-1,1,3,3, tetra-methyluronium hexafluorophosphate (HATU) have been developed and found to have a greater catalytic activity than their HOBt and HBTU counterparts. The use of HOAt and HATU enhances coupling yields, shortens coupling times, and reduces racemization. Consequently, these reagents are suitable for the coupling of sterically hindered amino acids, thereby ensuring greater success in the synthesis of difficult peptides (16-17). Coupling Methods in Boc SPPS The carbodiimides, primarily DCC, were the coupling reagents of choice for many years (18). The major drawbacks encountered were the precipitation of dicyclohexylurea during the activation and acylation processes and the numerous side reactions associated with its usage. Several carbodiimides which produced soluble ureas were developed, such as diisopropylcarbodiimide (DIC), t-butyl methyl- and t-butylethyl-carbodiimides (19-22), but these did not resolve the problem of side reactions. Consequently, new types of activating agents were developed. The first of these was BOP (23), PyBroP (24-25) PyBOP (26), HBTU (27), TBTU (28), and HATU (29). All of these reagents require bases for activation. All of the DCC and DCC-related derivatives discussed previously work by the formation of the symmetrical anhydride. The symmetrical anhydrides are usually very reactive and have been used extensively in SPPS, especially in Boc synthesis (30-33). Attempts at incorporating symmetrical anhydrides to Fmoc amino acids were met with some difficulties (34-36). For instance, symmetrical anhydrides prepared from N-(3-dimethylamino propyl)-N'-ethyl-carbodiimide•HCl, upon formation of the 2-alkoxy-5(4H)-oxazolone intermediate, rearranged in the presence of carbodiimides and tertiary amines (37). Also, not all of the Fmoc symmetrical anhydrides are soluble in DCM or remain insoluble regardless of the solvent used (38). An alternative to the symmetrical anhydride is the mixed anhydride which is a carboxylic-carbonate or carboxylic-phosphinic mixed anhydride. Typically, these anhydrides are prepared by reacting either isobutyl- or isopropyl-chloroformate and substituted phosphinic chlorides with the N- a -protected amino acid (39-42). The reaction is typically rapid with little or no side reactions (43-46). A type of mixed anhydride, N-carboxyanhydrides (NCA's), also known as Leuchs' anhydride have been widely used for the preparation of polyamino acids (47). This class of compounds combines N- a -protection with carboxyl group activation. Once reacted with another amino acid or peptide residue, the NCA releases carbon dioxide as its only by-product. NCA derivatives are easily prepared by treating a -amino acids with phosgene (48-51). The resulting NCA derivatives usually crystallize out and are ready for use under strictly defined conditions. These conditions require the pH to be carefully controlled during synthesis. At pH 10, the peptide-carbamate (produced by the reaction between the NCA and the peptide or amino acid residue) tends to lose carbon dioxide with the generation of a free a -amino end group with resulting polymerization. At pH 10.5, hydrolytic decomposition of the NCA occurs. Therefore, the reaction is performed at pH 10.2. Another required condition is that the reaction proceeds for 2 minutes at 0°C with vigorous stirring. The resulting product is free of racemization and bears a free a -amino group that can be extended by addition of another anhydride. Solution Phase Synthesis Stepwise condensation is based on the repetitive addition of single N- a -protected amino acids to a growing amino component, generally starting from the C-terminal amino acid of the chain to be synthesized. The process of coupling individual amino acids can be accomplished through employment of the carbodiimide (52-53), the mixed carbonic anhydride (54-55), or the N-carboxyanhydride methods (56-57). The carbodiimide method involves coupling N- and C- protected amino acids by using DCC as the coupling reagent. Essentially, this coupling reagent promotes dehydration between the free carboxyl group of an N-protected amino acid and the free amino group of the C-protected amino acid, resulting in the formation of an amide bond with precipitation of the by- product, N,N'-dicylcohexylurea. This method, however, is hampered by side reactions which can result in racemization (58-59) or in the presence of a strong base, the formation of 5(4H)-oxazolones (60) and N-acylureas (61). Fortunately, these side reactions can be minimized, if not altogether eliminated, by adding a coupling catalyst such as N-hydroxysuccinimide (HOSu) or 1-hydroxybenzotriazole (HOBt). In addition, this method can be employed to synthesize the active ester derivatives of N-protected amino acids (62). In turn, the resulting activated ester will react spontaneously with any other C-protected amino acid or peptide to form a new peptide. In cases where separation of the activated ester from the by-product dicyclohexylurea proves to be difficult, the mixed carbonic anhydride method can be employed. This method consists of two stages: the first stage involves activating the carboxyl group of an N- a -protected amino acid with an appropriate alkyl chlorocarbonate, such as ethylchlorocarbonate (63), or preferably isobutylchlorocarbonate (64). Activation occurs in an organic solvent in the presence of a tertiary base. The second stage involves reacting the carbonic anhydride with a free amine component of an amino acid or a peptide unit. The carbonic anhydride is usually added at a 14-fold excess over the amine component. The mixed carbonic anhydride method is noted for being highly effective at low temperatures, resulting in high yields and pure products. However, it does have its short-comings. For instance, there is a tendency for the anhydride derivative to undergo racemization as a result of the strong activation of the carbonyl group. This problem does not occur when N- a -urethane protecting groups, such as Cbz or t-Boc, are employed (65-66). Furthermore, as a result of their high reactivity, mixed carbonic anhydrides are prone to the formation of 5(4H)-oxazolones (67), urethanes (68-69), diacyimides (70-71), esters (72), and are subject to disproportion (73-74). Conditions which prompt such side reactions to occur are high temperatures, prolonged activation times (the time interval between the addition to the alkylchlorocarbonate and the amine component after the mixed anhydride is formed), steric bulk of the amine component, and incomplete formation of the mixed anhydride. Fortunately, most of these side reactions, except for oxazalone and urethane formation, can be substantially reduced by performing the reaction at low temperature (~ -15°C) and allowing for shorter activation times (~ 1-2 min). To minimize the formation of oxazolone and urethane derivatives, the following conditions must be implemented: 1) dried organic solvents such as ethyl acetate, tetrahydrofuran, t-butanol, or acetonitrile must be used (75); 2) the tertiary base, N-methylmorpholine, should be used (76); and 3) Cbz- or Boc-N- a -protected amino acids must be utilized (77). Although isobutyl- and ethylchlorocarbonate are typically used to form carbonic anhydrides, other coupling reagents do exist. For example, N-ethyloxycarbonyl-2-ethyloxy-1,2-dihydroquinoline (EEDQ) (78) and N-isobutyloxy-carbonyl-2-isobutyloxy-1,2-dihydroquinoline (IIDQ) (79) were developed to react with the carboxyl component to form the ethyl- or isobutylcarbonate derivative. Unlike the classical anhydride procedure, EEDQ and IIDQ do not require base nor low reaction temperatures. Typically, the procedure involves reacting equimolar amounts of the carboxyl and amine components in an organic solvent (a wide variety of solvents can be used) (80) at 0.1 M to 0.4 M concentrations. Then EEDQ or IIDQ is added in 5-10% excess and the mixture is allowed to stir for 15-24 hours at room temperature. After removal of the solvent, in vacuo, the residue is dissolved in ethyl acetate and washed with 1N NaHCO3, 10% citric acid, and salt water, then dried with Na2SO4 (anhydrous), and evaporated. The product can then be recrystallized or purified by chromatography. While this method circumvents the use of base, it is still subject to racemization and urethane side product formation at levels comparable to those found in the classical anhydride approach. Consequently, its only advantage may be that it is easy and convenient to use. It should be noted that a detailed comparison of the two methods has not been carried out to this date. HPLC Analysis and Purification (81-84) Analytical HPLC utilizes columns and pumping systems that can withstand and deliver very high pressures enabling the use of very fine particles (3-10 microns) as packing material. Consequently, peptides can be resolved with a high degree of resolution in a short time interval (i.e., minutes). Two common HPLC purification methods are, ion exchange and reverse phase. Ion exchange HPLC is based on direct charge interactions between the peptide and the stationary phase. The column support is derivatized with an ionic species that maintains a particular charge over a certain pH range, while the peptide or peptide mixture exhibits an opposite charge which is dependent on its amino acid composition. Separation is dependent on charge interactions. The peptide is eluted by changing the pH, the ionic strength, or both. Typically, a solution of low ionic strength is used; the ionic strength of the solution is then gradually or step-wise increased until the peptide is eluted from the column. One example of ion exchange separation incorporates the use of strong cation exchange columns such as sulfoethylaspartimide which separates on the basis of positive charge at an acidic pH. Reverse phase HPLC conditions are essentially the reverse of normal phase chromotography. The peptide binds on the column through hydrophobic interactions and is eluted by decreasing the ionic strength (i.e., increasing the hydrophobicity of the eluent). Generally, the column supports are composed of hydrocarbon alkane chains which are covalently attached to silica. These chains range from C4 to C18 carbon atoms in length. Since elution from the column is a function of the hydrophobicity, the longer chain hydrocarbon columns are better for small, highly charged peptides. On the other hand, large hydrophobic peptides elute better using short chain hydrocarbon supports. However, in general practice, these two types of columns can be used interchangeably with little significant differences. Other types of supports consist of aromatic hydrocarbons such as phenyl groups. A typical run usually consist of two buffers, 0.1% TFA-H2O and 80% acetonitrile/0.1% TFA-H2O, which are mixed using a linear gradient with a flow rate which will give a 0.5% to 1.0% change per minute. Typical columns for analytical and purification runs are 4.6 x 250 mm (3-10 microns) and 22 x 250 mm (10 microns), respectively. If radial packed columns are used, then column sizes are 8 x 100 mm (3-10 microns) and 25 x 100 mm (10 microns), respectively. A variety of other buffers can contain many different types of reagents such as 0.1% heptafluorobutyric acid, 0.1% phosphoric acid, dilute HCl, formic acid (5-60%, pH 2-4), 10-100 mM NH4HCO3, sodium/ammonium acetate, TFA/TEA, sodium or potassium phosphate, or triethylammonium phosphate (pH 4-8). In addition, water miscible eluents can also be added such as methanol, propanol, and isopropanol. Therefore, many combinations of solvents and additives for a buffer are possible. It should be noted that silica-based reverse phase column packing must not be exposed to high pH's or even slightly basic pH's for extended periods of time because the column can be destroyed at those pH levels. The crude peptide obtained from SPPS will contain many by-products which are a result of deletion or truncated peptides as well as side products stemming from cleaved side chains or oxidation during the cleavage and deprotection process. Earlier purification methods included ion exchange, partition, and counter current chromatography. Recent purification methods include reverse phase HPLC which is generally successful with peptides containing 60 residues or less. In conjunction, ion exchange HPLC can be used in cases where reverse phase HPLC does not work. Typically, analytical HPLC results are used to determine the purification conditions. For example, if a peptide elutes out at 30% (0.1% TFA) aqueous acetonitrile (determined by analytical HPLC analysis), a buffer containing a lower concentration of acetonitrile is chosen such that the peptide peak will come out 4-5 minutes after the solvent peak under isocratic conditions (e.g., 28% (0.1% TFA) aqueous acetonitrile). The purification conditions will entail using a linear gradient of 16-35% (0.1% TFA) aqueous acetonitrile over one or two hours depending on the type of column chosen. The collected fractions will then be checked by analytical HPLC, using the buffer chosen for isocractic conditions. Handling and Storage of Peptides Peptides have widely varying solubility properties. The main problem associated with the dissolution of a peptide is secondary structure formation. This formation is likely to occur with all but the shortest of peptides and is even more pronounced in peptides containing multiple hydrophobic amino acid residues. Secondary structure formation can be promoted by salts. It is recommended first to dissolve the peptide in sterile distilled or deionized water. Sonication can be applied if necessary to increase the rate of dissolution. If the peptide is still insoluble, addition of a small amount of dilute (approximately 10%) acetic acid (for basic peptides) or aqueous ammonia (for acidic peptides) can facilitate dissolution of the peptide. For long-term storage of peptides, lyophilization is highly recommended. Lyophilized peptides can be stored for years at temperatures of -20°C or lower with little or no degradation. Peptides in solution are much less stable. Peptides are susceptible to degradation by bacteria so they should be dissolved in sterile, purified water. Peptides containing methionine, cysteine, or tryptophan residues can have limited storage time in solution due to oxidation. These peptides should be dissolved in oxygen-free solvents. To prevent the damage caused by repeated freezing and thawing of peptides, dissolving the amount needed for the immediate experiment and storing the remaining peptide in solid form is recommended. 八、多肽大规模生产工艺 Peptide Manufacturing Method Chemical Synthesis Solution Phase: Convergent method in which the desired sequence is constructed by fragment condensation. These peptides usually contain 3 to 5 amino acids or less than 10 amino acids. This method is easy for scale up to hundreds of kilograms of product but limited in number of amino acids and costly development. Solid Phase: Stepwise method, in which a peptide is constructed by the addition of the protected amino acids constituting its sequence to an insoluble polymeric support. This method is very fast to have product but the scale up may be costly. Solid Phase Peptide Synthesis (SPPS) Boc Synthesis tert-Butyloxycarbonyl (Boc) Strategy: The Boc method has been exclusively used during the first 15 years of SPPS. The Boc protecting group on the alpha amino of the amino acid is removed by Trifluoroacetic acid (TFA) and the final cleavage of the peptide from the resin along with the removal of the amino acid side chain protecting groups requires strong acid, such as hydrogen fluoride (HF) or trifluoromethanesulfonic acid (TFMSA). Dichloromethane (DCM) is the primary solvent used for resin deprotection, coupling, and washing. In peptide synthesis, t-Butyloxycarbonyl (Boc) protected amino acid residues (in excess millimole quantities) are sequentially bound to a resin support. These residues are assigned individual coupling cycles in accordance to their respective positions within the given peptide chain. Once a residue has been successfully coupled as evidenced by the Ninhydrin test, the compound is deprotected and neutralized for the next coupling cycle. More or less peptide can be synthesized by varying quantities of reactants and solvents proportionately. Additionally, coupling intervals may be varied from 30 minutes to 72 hours; peptide resin washing intervals may range from 1 to 30 minutes. Resin: Modified polystyrene resins are used for Boc peptide synthesis. In usually, the small particle sized resin of low cross-linking is favored. The cross-linked with 1% divinylbenzene (DVB) is most common used: A higher level of cross-linking would reduce the swelling. The old most popular resin is 200-400 mesh (38-75 m m) these resins allow for rapid diffusion of reagents inside the beads. The 100-200 mesh (75-150 m m) resins are very popular now these resins allow for fast draining the reagents. The substitution of resins should approximately 0.5-0.6 meq/gm. The higher substitution resins are available for short and large quality of peptide. The Chloromethyl polystyrene resin (Merrifield resin) is most common for acid peptide. The phenylacetamidomethyl resin (Pam resin) is more stable to TFA deprotection than the benzyl ester linker but HF cleavage may give yields as low as 70%. The 4-methylbenzhydrylamine resin (MBHA resin) is most common for amide peptide. The resins with 100-200 mesh, 1%DVB, 0.5-0.6 meq/gm are most common used at our lab. Amino Acids A: Ala C: Cys(4-Me-Bzl), Cys(4-Me-OBzl), Cys(Acm) D: Asp(OBzl), Asp(OcHex), Asp(Fmoc) E: Glu(OBzl), Glu(OcHex) F: Phe G: Gly H: His(Tos), His(Bom), His(Dnp) I: Ile(1/2H2O) K: Lys(2-Cl-Z), Lys(Fmoc), Lys(Alloc) L: Leu(H2O) M: Met N: Asn * , Asn(Xan) P: Pro Q: Gln * , Gln(Xan) R: Arg(Tos) S: Ser(Bzl) T: Thr(Bzl) V: Val W: Trp, Trp(Formyl) Y: Tyr(2-Br-Z), Tyr(2,6 Di-Cl-Bzl) Note: 1. Asn Gln, * : need HOBT. Asn can not add with HBTU or BOP. 2. Asp: Asp-Gly, Asp-Asn, Asp-Ala, Asp-Ser, and Asp-Leu, use the cyclohexyl ester Asp(OcHex) instead the Asp(OBzl) to prevent to lost water during HF cleavage. His(Tos): 1 hour deprotection after His. No HOBT should add after His for 2 to 3 amino acids. Coupling Reagents The most commonly reagents are DCC, DIC, HBTU, BOP. BOP, HBUT, TBTU, PyBOP, and HATU, are in situ activating reagents. The coupling reaction is very fast. To avoid peptide termination, the ratio of amino acid to coupling reagent should be 1 to 0.9 for HBTU, TBTU or HATU. DCC and DIC are traditionally Equipment and Materials Automated C S Bio peptide synthesizer Test tube heating block Dichloromethane (DCM) N-Dimethylformamide (DMF) Methylsulfoxide (DMSO) 1-Methyl-2-Pyrrolidione (NMP) Ethanol (ETOH) Diisopropylethylamine (DIEA) Triethylamine (TEA) Trifluoroacetic acid (TFA) Indole Dicyclohexylcarbodiimide (DCC) Diisopropylcarbodiimide (DIC) Benzotriazol-1-yl-Oxy-Tris-(Dimethylamino) phosphonium Hexafluorophosphate (BOP) 2-(1H-Benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3-Tetramethyluronium Hexafluorophosphate (HBTU) 1-Hydroxybenzotriazole monohydrate (HOBT) Boc Amino Acids Acetic anhydride Ninhydrin Phenol Pyridine (Pyr) Air 60 psi (4.14 bar or 413.8 kPa) Nitrogen 20 psi (1.38 bar or 137.9 kPa) Synthesis Protocols t-Boc + DCC / DIC: Cycle No Solvent Time (min.) 1 2 – 3 DCM 1 - 3 2 1 40% TFA in DCM 1 - 3 3 1 40% TFA in DCM 25 - 30 4 1 – 2 DCM 1 - 3 5 1 – 2 ETOH or DMF 1 - 3 6 1 – 2 DCM 1 - 3 7 2 10% DIEA in DCM 3 - 5 8 2 – 3 DCM 1 - 3 9 1 Coupling 60 - 999 10 1 – 2 DCM 1 - 3 11 1 – 2 10% DIEA in DCM 1 - 3 12 1 – 2 DCM 1 – 3 Re-coupling: t-Boc and DCC / DIC: Cycle No Solvent Time (min.) 1 1 – 2 DCM 1 - 3 2 2 10% DIEA in DCM 3 - 5 3 2 – 3 DCM 1 - 3 4 1 Coupling 60 - 999 5 1 – 2 DCM 1 - 3 6 1 – 2 10% DIEA in DCM 1 - 3 7 1 – 2 DCM 1 - 3 t-Boc + BOP / HBTU / TBTU: Cycle No Solvent Time (min.) 1 2 – 3 DCM 1 - 3 2 1 40% TFA in DCM 1 - 3 3 1 40% TFA in DCM 25 - 30 4 1 – 2 DCM 1 - 3 5 1 – 2 ETOH or DMF 1 - 3 6 1 – 2 DCM 1 - 3 7 1 10% DIEA in DCM 1 - 3 9 1 Coupling 60 - 999 10 1 – 2 DCM 1 - 3 11 1 – 2 10% DIEA in DCM 1 - 3 12 1 – 2 DCM 1 - 3 Re-coupling: t-Boc and BOP / HBTU / TBTU: Cycle No Solvent Time (min.) 1 1 - 2 DCM 1 – 3 2 1 10% DIEA in DCM 1 – 3 3 1 Coupling 60 – 999 4 1 - 2 DCM 1 – 3 5 1 - 2 10% DIEA in DCM 1 – 3 6 1 - 2 DCM 1 – 3 Aceylation protocol. Cycle No Solvent Time (min.) 1 1 - 2 DCM 1 - 3 2 1 10% DIEA AcOH in DCM 5 - 20 3 2 - 3 DCM 1 – 3 Note: 1. DIEA can be substituted with TEA. 2. Net TFA for 2 to 5 minutes deprotection with DMF flow wash by Kent’s method. Ninhydrin Test A small sample of resin (Approx. 3-10 mg) is removed from the synthesizer’s reaction vessel and placed in a test tube. The resin is washed with 3-4 mL 10% DIEA/DCM solution one time and 2 times with 3-4 ml ETOH. Washing is accomplished by addition of solution, mixing, and decanted. One drop from each of the following reagents are added to each tube: Ninhydrin Solution (5.0 gm Ninhydrin in 100 mL ETOH). Phenol Solution (80 gm Phenol in 20 mL ETOH). Pyridine. The contents of each tube are then mixed thoroughly. All tubes are placed in a heating block and heated at 120 ° C for 3 min. The tubes are then promptly removed. Holding each tube against a white background and evaluating the solution color interpret test results. Results for the sample-containing tubes are compared with that of the standard. A blue, purple, or red color is indicative of free amine (positive result). The absence of color - as exhibited by the clear polystyrene blank solution - is indicative of no free amine (negative result). Samples are re-tested when variable results are obtained. A negative test results means that the synthesis can continue to the next cycle. A positive test results means a determination will be made by the chemist to either re-couple the same amino acid using a double couple program or that the resin will be acylated using the acylation program. Hydrogen Fluoride Cleavage The resin bound peptides or side chain protected peptides are treated with liquid hydrogen fluoride. This cleaves the peptide from the resin and protecting groups from the constituent amino acid moieties. An HF cleavage apparatus consists of Kel-F or Teflon reaction vessels, valves and tubing. A high vacuum pump is employed in this process. The peptide resin is weighed and transferred to the HF reaction vessels. Anisole or P-Cresol is added to the resin, 1 mL per gram of peptide resin. If Cysteine, Methionine or Tryptophan is present in the peptide, DMS or 1.2 Ethanedithiol is also added, 0.25 mL per gram resin. The HF reaction vessel is attached to the HF apparatus and placed in a dry ice/acetone batch for approximately 5 minutes. During this time turn on vacuum pump and check the HF apparatus for any vacuum leaks. (IF THERE IS A LEAK DO NOT PROCEED UNTIL THIS IS FIXED) The pump valve is then turned off creating a closed system between the HF cylinder and reaction vessel, which is regulated by the HF cylinder valve. This valve is then opened permitting approximately 5 - 10 mL of HF per gram of peptide resin to accumulate in the reaction vessel. When adequate HF has collected, the HF cylinder valve is closed, and the reaction vessel is warmed to 0 ° C in an ice bath. The reaction vessel contents are then magnetically stirred at this temperature for 45 - 90 minutes completing the reaction. HF is evacuated from the reaction vessel into a trap containing calcium oxide; HF is absorbed as calcium fluoride. While stirring at 0 ° C, evacuation continues until all HF has been removed. After evacuation, the reaction vessel is removed from the HF apparatus. Approximately 50 - 100 mL of anhydrous ether per gram of resin are added and the mixture is agitated. When dispersed, the resin and cleaved peptide are collected by filtration using a sintered glass funnel. This washing procedure is repeated twice before extracting the peptide with acetic acid, Buffer B of purification, or TFA and water. The resulting filtrate contains the crude peptide then lyophilize. Equipment and Materials HF apparatus High vacuum pump Freeze Dryers (Lyophilizer) Anisole Dimethyl sulfide (DMS) 1, 2 Ethanedithiol (EDT) P-Cresol Ether, anhydrous Acetic acid (AcOH) Acetonitrile (CH3CN) Trifluoroacetic acid (TFA) Water - Distilled water and deionized water Ice Dry Ice Acetone Filter funnel Filtering flask ---------------------------------------------------------------------------------------- Fmoc Synthesis 9-Fluorenylmethyloxycarbonyl (Fmoc) Strategy: The Fmoc protecting group is deprotected by mild base treatment of 20% piperidine in N-Dimethylformamide (DMF), 2% DBU, 2% piperidine in DMF and the final cleavage of the peptidyl resin and side chain groups deprotection by Trifluoroacetic acid (TFA). N-Dimethylformamide (DMF) is the primary solvent used for resin deprotection, coupling, and washing. N,N-Dimethylacetamide (DMA) or 1-Methyl-2-Pyrrolidione (NMP) may also be used. In peptide synthesis, Fmoc protected amino acid residues (in excess millimole quantities) are sequentially bound to a resin support. These residues are assigned individual coupling cycles in accordance to their respective positions within the given peptide chain. Once a residue has been successfully coupled as evidenced by the Ninhydrin test, the compound is deprotected for the next coupling cycle. By the methods employed, material of equivalent quality in larger or smaller amounts can be obtained while varying quantities of reactants and solvents proportionately. Additionally, coupling intervals may be varied from 30 minutes to 72 hours; peptide resin washing intervals may range from 1 to 30 minutes. Resin: The hydroxymethyl-based resins (Wang, HMPA, HMPB resins) are the most common used except the Cys, His and Pro residues at the C-terminus, in this case Trityl-based resins such as 2-chlorotrityl resin should be used. The Rink amide MBHA resin consist 4-methylbenzydrylamine (100-200 mesh, 1% DVB) polystyrene, derivatized sequentially with norleucine and the Fmoc protected modified form of the Rink amide linker, which incorporates an acetic acid spacer, is not degraded by TFA, and is therefore compatible with the standard 95% TFA cleavage reaction. The resins with 100-200 mesh, 1%DVB, 0.5-0.6 meq/gm are most common used at our lab. Amino Acids A: Ala C: Cys(Trt), Cys(Mmt), Cys(Acm) D: Asp(OtBu) E: Glu(OtBu) F: Phe G: Gly H: His(Trt) I: Ile K: Lys(Boc), Lys(Fmoc), Lys(Alloc) L: Leu M: Met N: Asn * , Asn(Trt) P: Pro Q: Gln * , Gln(Trt) R: Arg(Pbf), Arg(Pmc) S: Ser(tBu), Ser(Trt) T: Thr(tBu), Thr(Trt) V: Val W: Trp, Trp(Boc) Y: Tyr(tBu) Note: Asn and Gln: need HOBT. Coupling Reagents The most commonly reagents are DCC, DIC, HBTU, BOP. BOP, HBUT, TBTU, PyBOP, and HATU, are in situ activating reagents. The coupling reaction is very fast. To avoid terminus the peptide, the ratio of amino acid to coupling reagent should be 1 to 0.9 for HBTU, TBTU, or HATU. DCC and DIC are traditional. Equipment and Materials Automated C S Bio peptide synthesizer Test tube heating block Dichloromethane (DCM) N-Dimethylformamide (DMF) 1-Methyl-2-Pyrrolidione (NMP) Methylsulfoxide (DMSO) Piperidine N,N-Dimethylacetamide (DMA) Ethanol (ETOH) Diisopropylethylamine (DIEA) Trifluoroacetic acid (TFA) Dicyclohexylcarbodiimide (DCC) Diisopropylcarbodiimide (DIC) Benzotriazol-1-yl-Oxy-Tris-(Dimethylamino) phosphonium Hexafluorophosphate (BOP) 2-(1H-Benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3-Tetramethyluronium Hexafluorophosphate (HBTU) 1-Hydroxybenzotriazole monohydrate (HOBT) Fmoc Amino Acids Acetic anhydride (AcOH) Ninhydrin Phenol Pyridine (Pyr) Air 60 psi Nitrogen 20 psi Synthesis Protocols Fmoc amino acid and DCC or DIC: Cycle No Solvent Time (min.) 1 2 – 3 DMF 1 - 3 2 1 20% Piperidine in DMF 5 - 10 3 1 20% Piperidine in DMF 5 - 20 4 2 – 3 DMF 1 - 3 5 1 – 2 DCM 1 - 3 6 2 DMF 1 - 3 7 1 Coupling 60 - 999 8 2 – 3 DMF 1 - 3 Doubling coupling: Fmoc + DCC or DIC: Cycle No Solvent Time (min.) 1 2 - 3 DMF 1 - 3 2 1 Coupling 60 - 999 3 2 – 3 DMF 1 - 3 Fmoc + BOP or HBTU or TBTU: Cycle No Solvent Time (min.) 1 2 - 3 DMF 1 - 3 2 1 20% Piperidine in DMF 5 - 10 3 1 20% Piperidine in DMF 5 - 20 4 2 - 3 DMF 1 - 3 5 1 - 2 DCM 1 - 3 6 2 DMF 1 - 3 7 1 Coupling 60 - 999 8 2 – 3 DMF 1 - 3 Double coupling: Fmoc + BOP or HBTU or TBTU: Cycle No Solvent Time (min.) 1 2 - 3 DMF 1 – 3 2 1 Coupling 60 – 999 3 2 – 3 DMF 1 – 3 Aceylation protocol. Cycle No Solvent Time (min.) 1 1 - 2 DMF 1 - 3 2 1 10% DIEA AcOH in DMF 5 - 30 3 2 - 3 DMF 1 - 3 Note: 2% DBU in DMF may substitute the 20% Piperidine in DMF. TFA Cleavage for Fmoc Synthesis Before acid cleavage of the peptidyl resin can be performed, the N-terminal Fmoc group must be removed using piperidine. Having successfully synthesized a protected peptide, one is confronted with a difficult task of having to simultaneously detach the peptide from the resin support and remove all the side chain protecting groups of the amino acid residues to yield the desired peptide. In Fmoc SPPS, this step is normally carried out by treating the peptidyl resin with TFA. The peptide resin is weighed and transferred to the reaction vessels. If Cysteine, Methionine and Tryptophan are present in the peptide, Reagent K (TFA / water / phenol / thioanisole / EDT = 82.5 : 5 : 5 : 5: 2.5) will be applied. Otherwise TFA / water / TIS = 95 : 2.5 : 2.5 will be used. Place dry resin in a flask and add TFA solution containing appropriate scavengers (10 - 25 ml/gm) resin. Stopper the flask and leave to stand at room temperature with occasional swirling. React for 2-4 hours. Remove the resin by filtration under pressure. Wash the resin twice with TFA. Combine filtrates, and add (drop-wise) an 8 -10-fold volume of cold ether. Sometimes it is necessary to evaporate most of the TFA to achieve a good precipitation of the crude peptide. The Ether can be cooled with ice to further assist precipitation. Filter the precipitated peptide through hardened filter paper in a Hirsch funnel or filter funnel under a light vacuum. Wash the precipitate further with cold ether, dissolve the peptide in a suitable aqueous buffer and lyophilize. Equipment and Materials Trifluoroacetic acid (TFA) Phenol Thioanisole Triisopropylsilane (TIS) 1, 2 Ethanedithiol (EDT) Ether, anhydrous Ice Dry Ice Acetone Acetic acid (AcOH). Rotary evaporator Centrifuge Freeze Dryers (Lyophilizer) Filter funnel Stirrer or stir bar Filtering flask Round bottom flask Cyclization (Oxidation) Cyclization is accomplished by oxidizing free sulfhydril groups among constituent amino acids within the peptide chain. To detect the presence of sulfhydril groups, a sample of the uncyclized peptide is evaluated with Ellman’s test. Ellman’s test Reagent 1: Ellman reagent - 40.0 mg of 5,5’-dithio-bis (2-nitrobenzoic acid), DTNB, are dissolved in 10 mL of pH 8 phosphate buffer. Make up fresh before use. Reagent 2: 0.1 N Sodium phosphate Na2PO4 buffer, pH 8. Make 4.60 gm sodium phosphate monohydrate NaH2PO4-H2O and 307.4 mL of 0.1 N NaOH to 1 L distilled water. Standard sulfhydril compound: 0.24 mg of Cysteine is dissolved in 10 mL of distilled water. Peptide sample: 0.24 mg of peptide is dissolved in 10 mL of distilled water. Test solutions are prepared in glass tubes by combining the following: 0.1 mL of standard or peptide solution 0.1 mL of reagent 1 5 mL of reagent 2 A blank solution of 0.1 ml reagent 1 and 5 ml reagent 2 is compared to the test solution. More yellow is the test solution is indicative of free S-H. Method 1: Disulfide bridge formation with potassium ferricyanide. The bulk cleaved peptide is transferred to an appropriate size container and dissolved in water to a concentration of 1 L – 5 L per gram of peptide. After thoroughly mixing the solution, the pH is adjusted to 7.4 - 7.6 with ammonium hydroxide. From a separatory funnel, 0.01 M K3Fe(CN)6 is added to the peptide solution at a rate of approximately 5 drops per minute. Upon addition of the oxidizing agent, the reaction mixture will exhibit a yellow color that dissipates. The reaction is complete when this color persists for 30 minutes. The pH of the reaction mixture is adjusted to 4.5 with acetic acid. If Lysine or Arginine residues are present in the peptide Bio-Rex 70 resin may be used. Add the Bio-Rex 70 resin (80 - 150 gm/m mole peptide) into solution and stir overnight. Or pass the solution through C-18 column. Extract the peptide from Bio-Rex 70 resin or C-18 column. Method 2: Disulfide bridge formation with air pump or without air pump: The bulk cleaved peptide is transferred to an appropriate size container and dissolved in water to a concentration 1 L - 5 L per gram of peptide. After thoroughly mixing the solution, the pH is adjusted to 8.0 - 8.3 with ammonium hydroxide. By using the air pump, pump the air into the solution for 20 to 60 hours. The pH of the reaction mixture is adjusted to 4.5 with acetic acid. If Lysine or Arginine residues are present in the peptide Bio-Rex 70 resin may be used. Add the Bio-Rex 70 resin (80 - 150 gm/m mole peptide) into solution and stir overnight. Or pass the solution through C-18 column. Extract the peptide from Bio-Rex 70 resin or C-18 column. Method 3: Disulfide bridge formation with Iodine: The bulk cleaved peptide is transferred to an appropriate size container and dissolved in water to a concentration of 1 L – 5 L per gram of peptide. After thoroughly mixing the solution, drop a drop of the solution of 10 gm Iodine in 100 ml methanol slowly. Upon addition of the oxidizing agent, the reaction mixture will exhibit a yellow color that dissipates. The reaction is complete when this color persists for 30 minutes then adds the absorbic acid until the solution color is clear. If Lysine or Arginine residues are present in the peptide Bio-Rex 70 resin may be used. Add the Bio-Rex 70 resin (80 - 150 gm/m mole peptide) into solution and stir overnight. Or pass the solution through C-18 column. Extract the peptide from Bio-Rex 70 resin or C-18 column. Equipment and materials Container (2 L to 100 L) Stirrer Stirrer bar pH meter or pH paper Glass filter funnel (1 L to 3L) Vacuum filtration flask Air pump Separator funnel Ammonium hydroxide (NH4OH) Acetic acid (AcOH) Trifluoroacetic acid (TFA) Potassium ferricyanide (K3Fe(CN)6) Iodine Methanol Bio Rex 70 resin Reverse phase resin: C-18 Water – Distilled water / deionized water ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Purification A revolution in purification techniques for many peptides and proteins is high performance liquid chromatography (HPLC). It is highly cost effective in that it is able to replace multiple steps in conventional purification processes, thus eliminating handling, labors costs, and also able to perform purifications which can not be carried out by any other process. Method 1. 1: Ion Exchange Chromatography (CM-52 or DE-52). Cation exchanger CM-52 or anion exchanger DE-52 as appropriate may treat the crude peptide. The mobile phase of cation exchange chromatography consists of: Buffer A: 0.05 M - 0.1 M Ammonium acetate. Buffer B: 0.1 M - 1 M ammonium acetate. The mobile phase of anion exchange chromatography consists of: Buffer A: 0.05 M - 0.1 M Ammonium bicarbonate. Buffer B: 0.1 M - 1 M ammonium bicarbonate. In either, the buffer molarity may be varied to accommodate the particular peptide in maximizing yield and purity. Also 0 - 6 M urea can be used in buffer A or Buffer B depending on the solubility of the peptide. Stir and pour ion exchanger into Buffer A. Stir the slurry with a magnetic stirrer in a stopper flask connected to a pump until no more bubbles appear. Set up the glass column vertically containing about 3 - 4 cm Buffer A at the bottom. The resin slurry in buffer A is then poured into the column to a depth of 20 cm. Additional buffer A is passed through the column and then elulant is monitored until its pH is comparable with that of the buffer. The peptide in buffer A solution is then applied to the column and eluted with a gradient of 0 - 100 percent buffer B by gravity. Fractions of the sample are collected in appropriately sized tubes. TLC or analytical HPLC analyzes these fractions for purity. Pure fractions are lyophilized and forwarded to QC; impure fractions are subjected to further purification steps. Method 1.2 : Ion Exchange Chromatography (Bio-Rex 70). The Bio Rex 70 resin used in the extraction must be in the sodium free form. 1 kg of resin first washed with 1 L of 1 N HCl then washed D.I. water until pH of washing solution equal to D.I. water pH should be used. The crude peptide (after cyclization contains Lys, Arg, Orn, or positive charged group) may be absorbed by chloride form Bio-Rex 70 after stirring over night. The resin is filtered and packed into a column. Elute with 70% AcOH isocratically by gravity. It takes approximately 10 times of column volume until the peptide is completely eluted out from the column. Fractions of the sample are collected in appropriately sized tubes. These fractions are analyzed for purity by analytical HPLC. Pure fractions are lyophilized and forwarded to QC; impure fractions are subjected to further purification steps. Method 1.3: Ion Exchange Chromatography (AG1-X8). An anion exchange resin AG1-X8 is used for the conversion of Trifluoroacetic or fluoride to acetate as the counter anion for peptides. Pack a column with AG1-X8 (size of column is dependent on the quantity of peptide. Peptide : AG1X8 = 1 gm : 25 gm). Solubilize peptide in elution buffer (10% to 70% AcOH) and load onto column. Elute isocratically by gravity with the same buffer. It takes approximately 10 times of column volume until the peptide is completely eluted out from the column. Fractions of the sample are collected in appropriately sized tubes. These fractions are analyzed for purity by analytical HPLC. Pure fractions are lyophilized and forwarded to QC; impure fractions are subjected to further purification steps. Method 2 : Gel Filtration Chromatography. Bio-gel P series resin P-2, P-4, P-6 and Sephadex G-series - G-25, G-50 serve as matrices in this technique. The mobile phase consists of a 5 - 70% acetic acid buffer. Prior to use, this buffer is vacuum filtered through a membrane of 0.45 micron pore size and degassed. The column matrix is prepared by adding the resin to the acetic acid buffer and allowing it to stand 20 - 30 minutes. A glass column (size of column is dependent on the quantity of peptide) is then primed with additional buffer before filling 50 - 70% of glass column capacity with the swollen resin. Once packed, the column is equilibrated with acetic acid buffer (about 5 times of column volume). The crude or partial pure peptide, in solution, is then applied to the column and eluted isocratically by gravity. Fractions of the sample are collected in appropriately sized tubes. These fractions are analyzed for purity by analytical HPLC. Pure fractions are lyophilized and forwarded to QC; impure fractions are subjected to further purification steps. Method 3.1 : Reverse phase Chromatography (Low pressure). The silane or polystyrene reverse phase (C-18, C-8, or C-4) resin (60 Å to 300 Å) is used as matrices in this procedure. The resin is slurry with MeOH and packed into glass column (size of column is dependent on the quantity of peptide. Peptide : resin = 1 gm : 50 gm). Typically, the mobile phase may consist of buffer A and B as follows: Buffer A1 - 0.1% TFA in water. Buffer A2 - 0.05 M NH4OAc in water. Buffer A3 - 1% AcOH in water. Buffer A4 - 0.05 M NaH2PO4 (Sodium Phosphate monobasic) pH 4.5 in water. Buffer A5 - 1% H3PO4 (Phosphoric acid) Buffer A6 - TEAP pH 2.5 or pH 4.5 or pH 6.5 Buffer A7 - 0.1% HCl in water Buffer B - 5% to 99% CH3CN with same ion pairing of Buffer A The ion pairing concentration and pH changes reversed phase selectivity for peptide purification. The buffer molarity may be varied to accommodate the particular peptide in maximizing yield purity. The column is equilibrated with buffer A. The peptide is dissolved in buffer A, and if necessary small quantities of buffer B, AcOH or TFA can be added. The clear peptide solution is loaded onto the column and eluted linearly on a gradient from 0 -100% buffer B. Fractions of the sample are collected in appropriately sized tubes. These fractions are analyzed for purity by analytical HPLC. Pure fractions are lyophilized and forwarded to QC; impure fractions are subjected to further purification steps. Method 3.2 : Reverse phase Chromatography (Preparative). The silane or polystyrene reverse phase (C-18, C-8, or C-4) resin (60Å to 300Å) is used as matrices in this procedure. The resin is slurry with MeOH, IPA or other suitable solvents and packed into steel column (size of column is 1” to 8” diameter with 10” to 40” long). Typically, the mobile phase may consist of buffer A and B as follows: Buffer A1 - 0.1% TFA in water. Buffer A2 - 0.05 M NH4OAc in water. Buffer A3 - 1% AcOH in water. Buffer A4 - 0.05 M NaH2PO4 (Sodium Phosphate monobasic) pH 4.5 in water. Buffer A5 - 1% H3PO4 (Phosphoric acid) Buffer A6 - TEAP pH 2.5 or pH 4.5 or pH 6.5 Buffer A7 - 0.1% HCl in water Buffer B – 0% to 100% CH3CN in buffer Ax (x = 1 or 2 or 3). The buffers are vacuum filtered through a membrane of 0.45 micron pore size or degassed prior to use. The buffer molarity may be varied to accommodate the particular peptide in maximizing yield purity. The column of choice is configured to an HPLC instrument having dual pumps and equilibrated with buffer A. The peptide is dissolved in buffer A, and if necessary small quantities of buffer B, ion can be added. The clear peptide solution is loaded onto the column and eluted linearly using on a gradient that is varied to accommodate to particular peptide. Fractions of the sample are collected in appropriately sized tubes. These fractions are analyzed for purity by analytical HPLC. Pure fractions are lyophilized and forwarded to QC; impure fractions are subjected to further purification steps. Equipment and Materials Glass columns with coarse (60 u) filters. The selection of the column and filter size is based on the quantity of the peptide to be purified. Preparative HPLC columns Solvent reservoirs Peristaltic pumps for delivering the solvents HPLC system Magnetic stirrer stir bar Lab jack Fraction collector Rotary evaporator Freeze Dryers (Lyophilizer) Beakers flask Ammonium acetate (NH 4 OAc) Ammonium bicarbonate (NH4HCO3) Acetic acid (AcOH) Hydrogen chloride (HCl) Acetonitrile (CH3CN) Ethanol (ETOH) Trifluoroacetic acid (TFA) Methanol (MeOH) Hydroxymethyl Aminomethane - Tris Phosphoric Acid (H3PO4) Triethylamine (TEA) Ammonium acetate (NH4Ac) Ammonium bicarbonate (NH4HC3) Water: Deionized water (D. I. water) / Distilled water Whatman diethylmethyl cellulose DE-52 Whatman carboxymethyl cellulose CM-52 Bio-Rad 70 AG1-X8 Bio-gel, P-series (P-2, P-4, P-6) Sephadex G-series (G-25, G-50) Silica gel with octadecyl boned phase resin - C-18 (from 5 m m to 40 m m): 60 Å to 300 Å Silica gel with octyl boned phase resin - C-8 (from 5 m m to 40 m m): 60 Å to 300 Å Silica gel with butyl boned phase resin - C-4 (from 5 m m to 40 m m): 60 Å to 300 Å
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读文献
kelly 2010-3-31 22:33
外行看热闹,内行看门道。太经典了!这就是我近日看文献的感受,刚接触新的研究方向。文献搜索到后,有莫大的成就感,但是最难的是接下来的阅读与学习整理。 最基本的知识根本不能灵活运用,哎,慢慢磨练吧,我这只初级的小虫。
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想法从何而来?
热度 1 lfztd 2010-1-30 11:22
每天都有大量的文章面世,可以说是海量吧,别的不说,就说纳米材料方面的文章吧。小林用 RSS 订阅方式关注若干自己觉得不错的杂志,只要是杂志办公时间,打开电脑,每天都有 n 多篇的新文章提醒。数量太多,当然不可能每篇都看了,大部分只是了解摘要大概,特别感兴趣的且与自己课题有关的才会下载认真品读。读这些文章干什么呢? 有人说,论文要多读,而且每天都要坚持,小林现在基本上是这种状态,不管多忙,都会抽空看点文章,做点小笔记。读文献,能吸收很多的 ideas ,特别是读大牛的综述和评论,有时更是感觉认识得到某种程度的升华,虽然很多大牛的综述是对自己多年研究的流水账。有人说,如果一个人做研究要靠读文献才能诱发 ideas ,那他就不是真正的科研人员,或者说这种人的科研可能永远落后于别人。小林一朋友的老板跟他说:别看文献了,文献比我们的科研落后。。。有点无语。。。那科研的 ideas 从哪里来呢? 基础知识有些时候能给一些不错的 ideas 。如果对一些基础知识深入研究也会得到一些想法。最近老板给我们上分子轨道,本科时候学这个学得稀里糊涂的,没怎么懂,通过上这些最基础的课程,慢慢的一些想法就产生了。最近还看了一些分子吸附的 ppt ,确实也从中得到了一些想法。科学的想法不是简简单单的从脑袋里冒出来的,苯环结构如果单纯是做梦是想不出来的,苹果落地对于一个农夫(这个是前牛顿时代的农夫)来说它就是苹果落地,但是对于牛顿来说,它就是万有引力。小林觉得 ideas 需要有一些因素来诱发,有时候大家普遍认为的幼儿园知识可能会给一些其他渠道无法得到的想法。 与不同背景的人坐在一起其实挺有意思的。小林现在所在的系很奇怪,系里有做材料的,分析化学的,环境科学的,地球化学的,总之大家背景相差很大。这样造成了一个结果就是,不管是谁在这里做报告,都要将自己的科研工作尽可能用简单的语言来表达,让这些人都尽可能的明白。记得当时老板给某个师姐的报告建议是,要把 XRD 结果用最简单的话讲出来,这个确实是个挑战。对于材料的人来说, XRD ,无非就那些公式和数据库,布拉格方程,谢乐公式等。但是没有接触过的人可能问的问题是:为什么氧化锌有好几个峰,我们做 @$%^# 的时候只有一个峰?如果碰到这种问题,是不是觉得挺无语的呢?!你可能就得给提问的人画出布拉维格子,然后告诉他什么是晶面指数等等。还有一次,关于纳米材料定义的问题,不同的背景的人也有了争议。有人说,尺寸达到要求了,就可以说是纳米材料,有人说,尺寸到达要求,而且显示出了纳米尺寸等效应的才是纳米材料。诸如此类我们所认为的一些常理问题,在不同领域的人看来确实不可思议的。因此,如何能将自己的工作将给大众听,让他们了解,确实有点难度。当然,更多时候,我们还是发现,听不同背景的人在上面 balabalabala 地讲,有点意思,做材料的人可能在下面心里嘀咕了,我们这些材料能否用在他们的研究上?想着想着,也许想法就来了。 读文献也能给我们不少想法,这个时候我们将靠读文献获取想法只能永远跟在别人后面的观点抛弃。但是,如何对文献采取正确的态度呢? 以前也从来没有认真思考过这个问题,但是就在某天晚上,发现以前帮忙修改的一篇文章被接受了,这个本是可以开心的事情,虽然没有署名。但是仔细看了看文章的内容,发现小林当时给你那么多修改意见竟然只有一条被采纳了,虽然这个修改是最关键的,其他若干条意见自己都觉得有价值的,而且修改是很有必要的。 辗转反侧,久久不能入睡。以前看文章的时候,发现文章有问题,心里波动不会这么大。但是这次事情发生在自己身上了,心里极度不舒服。刚开始想,这样的文章被接受了,那以后这个杂志上的文章还需要关注吗?其实这个不关杂志的事。当时就想这种事情肯定很多人碰到过,于是写信给若干朋友,看看他们的想法。反馈回来的建议让小林放松了不少。以下博士师兄给小林的回复: 小林子, 记得费曼有句话,说科学重要的是了解其大意。我理解他的意思是抓住科学研究的主旨,这样的话,科学研究成果也是允许有错误的,也允许有问题,也允许有争议的。只是大多数人不这么认为,科学研究就得是精确的,不允许丝毫误差的,也从不会以宽容的眼光看待科研。这也没办法,现实就是这样。 其实没有一篇论文敢说里面没问题的。审稿人的背景、知识范围和理解能力都是不同的,有时甚至会差十万八千里,文章能不能通过就决定于此了。你能看出他的问题,可以对他嗤之以鼻,还想怎么样?Comment? Argue? 这取决于自己了,呵呵。中国人一般是多一友不如少一仇,麻烦,因为科研不见得那么大公无私。 既然我们有认识和判断能力,并且有积累,认为它错的可以讨论,没结果的话,保持怀疑态度就行,没法相信它就别信它,我们自己会有自己的结果,如果和他的不一样,让他来argue好了。我觉得了解别人研究的思路和想法更重要,数据就得批判性的看待了。光解水领域在Science和nature一共发过9篇论文,多一半都无法重复,你觉得这是谁的问题?审稿人哥们儿关系一下也许就通过了,也许审稿人没能力看出问题也通过了,留给后人很多问题。但看到他研究中的好的思路和其它好的东西,对我们自己更有用点儿。 收到这封来信之后,心里宽松了不少,也许真的是见识不够广,也许有些人会觉得小林这样是太单纯了,根本没有必要大惊小怪。虽然从来都不会盲信文献,但是这种事情发生在自己这里难免有点不高兴。了解别人的思路最为重要,不要过于拘泥其中的数据,没有意义。就好比如碳纳米管储氢的研究一样,如果过于相信别人在高水平期刊上发的文章,貌似风光,结果却不尽如人意。前些天跟当地一个国家实验室 (NREL) 的 senior scientist 聊天的时候也讨论了这个问题,他说他们拿的都是美国能源部的项目,能源部想要看到的是实际效果,而不是文章数量;而且,作为一个 team 的老板,他也说如果没有真正的好结果,也不会冒然发文章。顺便说一下,他也是做储氢材料的研究,当然不是碳纳米管了。了解别人研究的思路和想法更重要,数据就得批判性的看待了,这句话之所以经典,它不只说明对文章的数据要批判性的看待,同时也暗示了数据可以随着实验室条件(仪器,人员等)的变化也会产生较大差别,这一点确确实实经常发生,我们经常想尝试别人的实验,但是结果就是不一样,有时候人员因素影响甚广。 所以看文献,重要的还是作者研究思路与想法,看作者如何一步步推理使各种数据之间达到自洽并最终得到结论,至于别人的数据,采取怀疑的态度。文献、基础知识、交流,这个应该是想法的主要来源。 想法来源甚广,冬天的枯树让人想到了纳米材料的分级结构;井盖上的薄雪只在某些位置分布让人想到了异相形核或者表面能不同;夏日里的花朵让人想起多彩丰富的纳米花结构;乒乓球让人想起了纳米空壳结构,输油管道让人想起了纳米管结构;软米饭容易结成块,硬米粒不容易,貌似跟纳米材料的团聚有几分类似。诸如此类,举不胜举。 扯淡之作,见笑了。
个人分类: 科研生活|7342 次阅读|13 个评论
专利检索基础知识介绍
icstu1 2009-11-25 10:31
专利检索基础知识介绍 专利检索基础知识介绍
个人分类: F 描述场景与回溯某个实例|935 次阅读|0 个评论
关于地震勘探的一些基本概念
热度 2 spb808 2009-3-10 18:33
激发条件excitedcondition:地震勘探中将震源种类、能量、周围介质的情况总称为激发条件。对于炸药震源来说,激发条件一般包括炸药量大小、药包形状,个数,分布方式及埋置岩性和沉放深度等。对于非炸药震源,激发条件则包括装置的种类、能量、参数选择及安置情况等。激发条件的选择是否适当,对地震勘探原始资料质量的影响很大。一般认为,陆地工作中,风化层下的含水可塑性岩层是有利的激发条件,因此往往采用井中爆炸,在海洋工作小,主要是以减小气泡影响作为合适的激发条件。 接收条件:指地震勘探中接收地震波的仪器的工作状态和条件。广义地说,接收条件包括地震检波器的安置情况、组合个数与方式,以及地震仪的各种因素等。但通常将接收条件狭义地指地震检波器的安置情况。地震资料的质量与接收条件有密切关系。陆地工作中埋置检波器,海洋工作中使检波器处于水面下一定深度,都是为了避免风、浪等影响而改善接收条件。 海洋地震勘探marineseismicsurvey:是利用勘探船在海洋上进行地震勘探的方法。其特点是在水中激发,水中接收,激发,接收条件均一;可进行不停船的连续观测。震源多使用非炸药震源,接收常用压电地震检波器,工作时,将检波器及电缆拖曳于船后一定深度的海水中由于上述特点,使海洋地震勘探具有比陆地地震勘探高得多的生产效率,更需要用数字电子计算机处理资料。海洋地震勘探中常遇到一些特殊的干扰波,如鸣震和交混回响,以及与海底有关的底波干扰。海洋地震勘探的原理,使用的仪器,以及处理资料的方法都和陆地地震勘探基本相同。由于在大陆架地区发现大量的石油和天然气,因此.海洋地震勘探有极为广阔的前景。 高频地震highfrequencyseismicsurvey:在水文地质、工程地质调查和金属矿床勘探中,勘测深度只在几米到几百米之间,需要精细分层和精确地测定波的传播时间。为了提高仪器的分辨能力,要用专门的高频地震仪,记录震波的高频分量。高频地震仪的通频带一般在60--350周/秒之间,专门测定岩石波速时需提高到500--600周/秒。为了压制低频干扰,仪器频率特性的低频一边应有较大的陡度。 干扰波noise:地震勘探中妨碍分辨有效波的振动都属于干扰波。干扰波大体上可分为两种:其中具有明显传播规律的称为规则干扰或干扰波,如声波、面波,多次波等等;没有明显传播规律性的振动称为随机干扰,或简称干扰,如微震等。抗干扰的问题是关系到地震勘探中提高勘探的质量和能力的极其重要的问题。因此,在野外工作和资料处理上采用多种措施,以提高有效波而压制干扰波。干扰波有时也是相对的概念,如在反射法中,折射波就常被当成干扰波。 movingconductorgeophone;是陆上地震勘探常用的一种检波器。其结构由外壳、磁钢、弹簧片和线圈四部分组成;磁钢与外壳连在一起,线圈通过弹簧片固定到外壳上。工作时把检波器放在地面,当地面产生振动时,检波器外壳将随地面一起振动,线圈则由于惯性而相对界面速度interfacevelocity:指折射波沿折射界面滑行的速度。界面速度主要反映折射界面以下地层中岩石的物理性质。由于组成地层的岩石颗粒排列有方向性,通常界面速度大于层速度。界面速度可通过折射波测得。 加速度检波器accelerometer:即“压电地震检波器”。外壳运动,切割磁力线,在线圈中产生感应电动势,把地面振动转化为电信号输出。 dynamicrange;在地震仪不失真地输出有效信号的条件下,记录上最强信号与最弱信号的振幅(常用仪器的噪声水平)的比值称为仪器的记录动态范围,用分贝表示。这是地震仪的主要特性之一。标准模拟地震磁带记录仪的动态范围为40--50分贝。数字磁带记录仪的动态范围由数字长度决定,对14位二进制的数字则是84分贝。地震波本身也有动态范围,即人工激发的一系列地震波其中最强振幅与最弱振幅的比一般可达120分贝。 seismicwavefield;指有地震波传播的空间。在这个空间的每一点上,一定时刻都有一定的波前通过,波的能量也按—定的规律传播;所有这些规律则是由震源的特点以及在此空间内介质的物理性质(主要是弹性)和几何结构决定的。时间场属于波场的一个侧面。因此,当已知波场的边界条件和初始条件时,可以求得介质的结构形态及物理性质,波动方程偏移方法就是其中一种应用。 wellshooting;利用钻井求取地震波在地层中的平均速度的方法称为地震测井,它在地震勘探资料解释中起重要作用。地震测井是记录直接穿透岩层的纵波,其方法有两种:①在地面上爆炸,检波器放在钻孔内不同深度接收;②在钻孔内不同深度上爆炸,检波器在地面上接收。地震测井使用普通的地震仪进行记录,只是检波器要适应钻孔的工作条件而与一般检波器略有不同,称为测井检波器属电磁式检波器。 seismicamplifier;人工地震引起的地面位移,一般只有几微米,经地震检波器转换为电能后也只有几微伏。要把这种微弱电信号记录下来,必须进行放大。为此制作的装置叫做“地震放大器”。由于地震波包括有效波和干扰波,有效波中的浅层波与深层波之间的振幅相差达一百万倍以上,所以,地震放大器必须具有滤除干扰和增益(放大)控制的作用。 geophone;用来直接拾取地震振动,并将振动转换为符合仪器记录系统需要的能量形式的仪器,称为地震检波器。根据能量转换的类型不同,目前主要有:①感应检波器,将振动的速度变化转换为电能,因此灵敏度较高,其中又分为电动式和电磁式两种:②压电地震检波器,利用压电晶体或陶瓷,将压力(加速度变化)转换为电压变化,这种检波器在海洋地震勘探中普遍应用,此外也用于超声波测井和地震模型实验。③激光检波器。 地震波seismicwave:弹性振动在地球中的传播统称地震波。按其成因的不同,由天然地震产生的波称为天然地震波,通过人工激发的地震而产生的波则称为人工地震波。根据质点振动的形式,地震波分成三大类:质点振动方向和波的传播方向一致的称为纵波;质点振动方向和波的传播方向垂直的称为横波,沿界面传播的称为面波。地震勘探中通常使用纵波而很少使用横波。天然地震中很重视观测面波,但在地震勘探中面波一般成为干扰波。 地震标准层seismicmarkerhorizon:凡是波形特征明显、稳定,并在区域内大多数地段可连续追踪的与勘探目的层相联系的地震界面称为地震标准层。地震标准层的存在与否对地震勘探的质量和效果影响很大,根据地震标准层的变化、错动可推断地质构造的变化和发现断层。 low—velocitylayer;地震波在地面附近的疏松层中传播的速度非常低,一般为每秒数百米,称为低速带,地震勘探中也称风化层。低速带对地震勘探影响很大:首先,若在低速带中激发,能量将被大量消耗,频率很低,低速带底面又是个强反射界面,可以形成多次反射,因此,一股不在低速带中激发,其次,低速带使地震波到达观测点的时间延迟,当其厚度或速度变化较大时,观测时间的精度将大受影响,甚至使波形歪曲,这时,必须进行低速带的时间校正。如果低速带很厚且结构复杂,则对地震勘探工作带来很大困难。 firstarrivalrefractionsurvey;是一种早期的仪观测初至折射波的地震记录方法,只观测一层,简单而容易,但所得资料甚少,目前极少应用。 firstarrival;地震波波前到达某个观测点时,此点介质的质点开始发生振动的时刻称为波的初至时间,简称初至。此外,在地震记录上第一个到达的波称为初至波。一般也叫初至,其后到达的波在振动的背景上出现,称为续至波。普通反射波法记录的初至波除直达波外是低速带底界的折射波。 层速度intervalvelocity:指在均匀的地层中地震波传播的速度。它直接反映地层的岩性,能用来划分地层。一般是用地震测井或声波测井测得,并且指的是纵波的速度。也可以利用反射记录计算得到。在地震勘探中,一般把层速度低于1400米/秒的地层叫做低速层,把高于3500米/秒的地层视为高速层。但是,习惯上在折射波法中高速层是相对的概念。 pressuredetector;又称“加速度检波器或压力检波器”。通常由压电元件(酒石酸钾钠晶体,钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷等)制成。利用这种元件所产生的电压与所受压力成正比的原理来接收地震波。海洋地震勘探工作中,为了不受或少受波浪的影响要把检波器沉入水中。压电检波器常放在水下1/4地震波波长处,这一深度由共振造成的能量最大,正适合海洋工作的要求。 convertedwave;无论纵波还是横波倾斜入射到弹性分界面时,都将产生反射横波、反射纵波、透射横波、透射纵波。与入射波型相同的波如P11、P12称为同类波,波型改变的如P1S1、P1S2则称为转换波。转换波的反射和透射遵循斯奈尔定律:即入射波的速度与反射波或透射波速度之比等于入射角的正弦与反射角或透射角的正弦之比。转换波的产生,是由于入射波作用在分界面上可分解为垂直界面的力和切向力两部分,结果产生体变和切变及其相应的纵波和横波。因此,转换波的能量与入射角有关,垂直入射时不能形成转换波;只有入射角相当大时。才有足够能量的转换波可被记录下来。故在地震勘探中主要利用同类波,在一些特殊问题中才用转换波,例如研究薄层时,利用转换波的横泼,分辨力较高。 refractionsurvey;是利用地震折射波进行地质勘探的方法。由于折射波首先到达地面,所以容易观测和识别。但必须在盲区以外接收它。通过折射波法可以求得界面速度,从而了解折射界面的岩石成分,进行地层对比等。折射波法对激发条件的要求不如反射波法严格,干扰背景较小,不必使用自动振幅控制和混波等措施,故可充分利用波的动山学特点,对于确定断层,煤田边界效果较好。折射波法能够观测从几公尺的浅界面到几十公里的深界面。但此法局限性较大:折射波相互干涉、置换(一个波代替另一个波)严重:它不能独立求得覆盖层的波速,难以研究受屏蔽现象影响的地层;也不宜于勘探大倾角构造;随着勘探深度加大,使施工复杂,炸药量消耗增大等等。因此,要根据具体情况应用,或与反射波法配合应用。 gaintrace;指地震记录上表示一道或几道所用的增益大小(放大倍数)的曲线。 secondaryrefractionsurvey;即“折射波对比法”。 effectivewave;指能用来解决某些地质问题的人工激发的地震波。有效波是个相对的概念。例如,反射波就是反射披法中的有效波,但是,在折射波法中常常把它当成干扰。 explosivesource;地震勘探工作中,多年以来一直采用各种炸药作为震源,其中效果较好的是三硝基甲苯,即TNT炸药,它具有强大的爆炸能力,安全性能好。也可采用硝铵炸药,其安全性能更好,但其它性能比前者差。炸药震源有宽广的频谱,适于高频(大于80周/秒)、中频(15—80周/秒)、低频(6—15周/秒)的地震勘探。它的能量并不能全部用在地震勘探所需要的有效波上,大部分消耗于使周围介质破碎或形成永久形变,部分则作为地震干扰。在干燥疏松岩石中爆炸时,有效能量更低;只有在水或含水的可塑性介质中爆炸时,才能得到良好的地震效果。近年出现的非炸药震源正逐步地代替炸药震源。在海洋、河湖中的地震勘探,更是如此。 amplitudefrequencycharacteristics;即“振幅频率响应”。 子波wavelet:从震源发出的原始地震脉冲在介质中传播时,由于介质对地震脉冲有滤波作用,并且地层界面使波产生反射和折射,因此,自距震源一定距离起,脉冲波形便发生变化而与原始波形不同,但在一定传播范围内其形状甚本保持不变,这时的地震脉冲便称为子波。子波的形状决定于震源和介质的滤波性质,其频率随传播距离的增大而有所降低,振幅也逐渐减小。不同的界面各自的子波不同,每一道的地震记录可以认为是由一系列的子波构成的。子波不仅用于制作理论地震记录,而且在断层对比和反褶积处理等方面都需要它。 effectivevelocity;把覆盖层看作均匀介质而从实际观测所得的反射波或从折射波时距曲线求得的波速,统称为有效速度。由于在层状地层中存在层理,介质并不真正是均匀的,再加上界面的弯曲,使有效速度不同于平均速度,往往是比平均速度大的一种近似速度,但在各层速度的差别不很大和界面弯曲不大时,两者的差别很小。 refractedwave;亦称“首波”又名“敏储普波”,“锥形波”。地震波在传播中遇到下层的波速大于上层波速的弹性分界面,而且入射角达到临界角(使透射角为90o)时,透过波将沿分界面滑行,又引起界面上部地层质点振动并传回地面,这种波称为折射波。它与光学中的折射波不同,其射线是以临界角从界面发出的。在临界点A处,折射波的路径和反射波的路径相同,传播时间相等。但在临界点以后,因滑行波速度快,折射波到达地面早于反射波。折射波到达地面的特点也和地层性质及地质构造有关,故可用于地质勘探。 amplitude-frequencyresponse;即振幅频率特性。为仪器的输出振幅与输入振幅之比和频率的关系。 normalmoveoutcorrection;即“动校正”。 automaticgaincontrol是地震放大器增益控制的一种形式。在这种系统中,每一个地震道内放大器的增益自动地由其输出振幅独立地控制,对强波放大倍数小、对弱波放大倍数大。此外,也可用各道输出振幅的平均值控制每个放大器的增益。 directwave;在均匀地层中由震源直接传播到观测点的地震波称为直达波。地震勘探常常需要地表风化层的波速资料以作校正,这种资料可通过观测此层的直达波而获得。直达波的速度就是地震波在表层地层中传播的真速度。在多层介质中的直达波改称透过波。 amplitudespectrum;见“频谱”。 gaincontrol;从地下深浅不同层位先后到达地面的反射波,其振幅相差可选一百万倍以上。为了能在一张记录上较为均匀地记录或显示它们,需要使地震放大器的总放大倍数随时间而变,实现这种作用的方法叫做“增益控制”。 instrumentalresolution;记录地震波时,地震仪能够区分两个相邻界面上相继到达的地震波的最小时间间隔称为分辨能力,它由仪器的自由振动决定。自由振动延续时间愈小,分辨能力愈高。 信噪比signal-to-noiseratio:信噪比有多种定义。通常将地震仪器的输出端上,有效信号的功率与噪声(干扰)的功率之比称为信噪比。信噪比既与输入信号本身有关,更决定于仪器的特性,它也被用来衡量资料处理的效果。因此,提高信噪比是提高地震工作质量的关键问题之一。信噪比愈大愈好,可以通过改进仪器性能或选择工作方法提高信噪比。 t0method;在震源O点接收到的反射波到达时间称为To,(它是从震源到反射界面的法线反射时间)利用时间绘制反射界面的方法,称为法,如果波速已知,很容易由公式t0=2h/v求得界面的法线深度其方法是;以各震源为圆心,以vt0/2为半径作圆弧,许多这些圆弧的公切线就是反射界面。由于时间剖面是经过动校正的,所以每个接收点波的到达叫间都相当于,因此用上述方法就能将时间剖面转换成地震深度剖面图。也可以对整个测区的许多时间剖面分别作各反射层的等图,经过偏移校正(空间校正)后即得出各层的构造图。 lineups;地震记录上各道振动相位相同的极值(俗称波峰成波谷)的连线称为同相轴。在解释地震勘探资料时,常常根据地震记录上有规律地出现的形状相似的振动画出不同的同相轴,它们表示不同层次的地震波。 velocityinterface;是指对地震波传播速度不同的、相邻的两层介质的公共接触面。 averagevelocity;在层状介质中,地层的总厚度与地震波在垂直地层传播所需时间之比称为平均速度,通常用地震测井求得。如果,为层的厚度,为波在层中垂直传播的时间,为层的层速度,则平均速度的计算公式如下:利用速度资料和有效的到达时间可求得地震界面的位置,它在地震解释中具有重要意义。 frequencydomain;以频率作为变数对振动所进行的研究称为频率域。在频率城内研究仪器对输出与输入的振幅比和频率的关系,则称为仪器的振幅频率特性或振幅频率响应。在地震勘探中,经常要了解仪器的振幅频率特性,介质的滤波作用等等,以进行频率选择。 depthrecordsection;据磁带地震记录的时间剖面或普通光点记录,用一般方法所作出的地震剖面只是表示界面的法线深度,而不是真正的铅垂深度。经过偏移校正和深度校正之后,得到界面的铅垂深度剖面才叫做深度剖面,它是地质解释的重要资料。用数字电子计算机处理磁带地震记录,能自动得出深度剖面 检距shot-geophonedistance:激发点到某一检波点的距离。 vibroseis;是在陆地和海洋的地震勘探工作中部应用的一种非炸药震源。利用气体或水力驱动土壤上或水介质中的钢板,使其振动而产生一种频率可控制的波列,成为地震震源。震源波形是己知的。这种装置抗干扰能力强,在陆地上对地面和农作物的损坏轻微,可在居民稠密区工作,但要有专门的运载设备和较好的交通条件。另外,因能量较低,噪音大,需要组合震源和叠加,并进行相关处理。在海上,其效果并不比气枪法优越,从而采用的也较少。 Airgun;是利用压缩空气迅速释放作为动力的一种非炸药震源,也称“气枪法”,在海洋地震勘探中得到广泛应用。它利用气枪将高压空气在极短的瞬间送入水中,形成气泡,气泡在水中发生膨胀与收缩相交替的振荡,即造成地震振动。此种振动的频率与气泡中空气的数最、压力、水的深度有关,适当地选择这些参数可获得一定的地震效果。如果把高压空气改为蒸汽,则叫做蒸汽枪。蒸汽遇水冷却立刻变成水,只产生一次脉冲,完全没有“气泡效应”,效果优于空气枪。此种空气枪也可用于陆上的河湖沼泽区;或改装用于陆上,是将高压气体迅速地释放于重数吨的充满水的钢钟内,钢钟撞击地而产生地震波。 静校正statics:地震勘探解释的理论都假定激发点与接收点是在一个水平面上,并且地层速度是均匀的。但实际上地面常常不平坦,各个激发点深度也可能不同,低速带中的波速与地层中的波速又相差悬殊,所以必将影响实测的时距曲线形状。为了消除这些影响,对原始地震数据要进行地形校正、激发深度校正、低速带校正等,这些校正对同一观测点的不同地震界面都是不变的,因此统称静校正。广义的静校正还包括相位校正及对仪器因素影响的校正。随着数字处理技术的发展,已有多种自动静校正的方法和程序。 高精度地震反演技术   它是地震技术在油田开发中发展起来的,用于研究油藏的非均质性、预测油藏参数和储层横向变化。   主要内容包括:   ?道积分   ?递推反演   ?测井约束反演   ?多参数地震特征反演   ?地质统计学反演   ?叠前反演 地震属性分析技术   地震属性分析技术是储层精细描述和三维地震精细解释的前提,是从地震数据体中挖掘岩性信息和储层非均质性信息、提高地震数据在油田开发领域应用的关键。   主要内容包括:   ?对地震资料进行叠后处理,提取各种地震属性;   ?各种地震属性与储层属性(包括地质、测井和岩石物理参数)进行交会分析,建立地震属性和储层参数关系,预测储层参数分布特征;   ?地震、地质、测井等资料的3D动态解释,研究储层的地震反射特征与沉积、构造之间的相互关系,预测储层的空间展布及物性变化,揭示油气藏与断裂体系、裂缝展布和沉积相带之间的关系。 叠前储层反演(弹性反演)技术   该项技术的目的是把地震资料与测井资料相结合提取储层参数,通过地震资料测井数据标定、地质统计学、振幅反演、正演及解释等多项技术,获得高分辨率地震映像和储集层描述。通过地震与测井资料、叠前与叠后地震属性数据、正演与反演等多方面的结合,把地震振幅数据转换为测井属性。   主要研究内容包括:   ?建立测井属性三维数据体模型,控制井间模拟与地震反演的精度;   ?用确定性与统计方法,建立储层波阻抗属性模型;   ?AVO反射系数弹性反演,确定弹性参数(体积模量);   ?利用已有的地质模型、地震速度模型、或测井数据控制反演进程;   ?处理子波相位的侧向变化,利用测井数据对地震数据进行准确的反射率标定,并对地震属性进行多域标定;   ?用测井资料进行井筒及其附近的弹性模拟,形成弹性波阻抗属性道;   ?用测井数据与弹性反演的结果作交汇图,检测地质体、预测有利储层。 动态地震解释技术   是三维地震数据体数据质量控制与三维解释的前提,主要内容包括:   ?地震控制下的地层对比   ?二、三维层面自动追踪   ?地质体自动追踪   ?地质、地震与测井数据联动三维动态解释 相干处理技术   已成为常规地震解释尤其是断层解释的有力工具,也可以处理特殊岩性体、特殊油藏等复杂地质问题。   主要内容包括:   ?在断层解释、特殊岩性体和特殊油藏研究方面应用良好;   ?它可以与时间、振幅等地震属性体叠合,共同解释。 AVO分析和裂缝识别技术   是一项利用振幅随偏移距变化特征分析和识别岩性及油气藏的地震勘探技术。   主要内容包括:   ?AVO属性交汇图揭示属性异常的地质涵义;   ?流体识别;   ?各向异性识别裂缝;   岩性参数反演与油藏描述
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基础知识记录之一
blsm 2008-11-27 16:18
从 中国资源卫星应用中心 得到CBERS02B星的部分HR数据(签订保密协议后可免费获取),其数据格式为L2级(即经过了辐射校正和系统几何校正,并没有进行几何精校正),其5级格式中的L3级产品的定义为(辐射校正与2级相同,进行了系统几何校正,并以一系列地面控制点为基础的二维几何精校正,非免费),所以我们仍需要自己进行精校正工作。 在这个工作之前,需要对一些基础知识进行了解,有些已经忘记了,今天查了一些 椭球体、大地基准面、地图投影 方面的基础知识,作为记录。 在地理信息系统(Geographical Information System,GIS)中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定,而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定,因此欲正确定义GIS系统坐标系,首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。 基准面 是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近,因此每个国家或地区均有各自的基准面,我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。 我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系,1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系,目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照,北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体,它是一地心坐标系,即以地心作为椭球体中心,目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。 上述3个椭球体参数如下: 椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系,也就是基准面是在椭球体基础上建立的,但椭球体不能代表基准面,同样的椭球体能定义不同的基准面,如前苏联的Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体,但它们的基准面显然是不同的。 地图投影 是将地图从球面转换到平面的数学变换,如果有人说:该点北京54坐标值为X=4231898,Y=21655933,实际上指的是北京54基准面下的投影坐标,也就是北京54基准面下的经纬度坐标在直角平面坐标上的投影结果。 附:WGS84 World Geodetic System 1984,是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。通过遍布世界的卫星观测站观测到的左边建立,其初次WGS84的精度为1-2m,在1994年1月2号,通过10个观测站在GPS测量方法上改正,得到了WGS84(G730),G表示由GPS测量得到,730表示为GPS时间第730个周。 1996年,National Imagery and Mapping Agency (NIMA) 为美国国防部 (U.S.Departemt of Defense, DoD)做了一个新的坐标系统。这样实现了新的WGS版本:WGS(G873)。其因为加入了USNO站和北京站的改正,其东部方向加入了31-39cm 的改正。所有的其他坐标都有在1分米之内的修正。
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