DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 5. 研究结论与展望 5.1. 研究结论 笔者通过对2010~2017年上市公司的财务数据进行实证分析表明，企业将金融资产初始划分为可供出售金融资产从而进行盈余管理的行为与企业金融资产规模、成长性、企业规模和管理者防御呈正相关关系。随后，通过对2014年前后的数据分组检验进行对比分析后发现，在财务报表列报准则修订后，企业将金融资产划分为可供出售金融资产的比例与金融资产规模、成长性、企业规模和管理者防御的相关性有所降低，说明准则的修订弱化了其正向影响，使得企业利用金融资产初始分类进行盈余管理的可能性大大降低，修订会计准则会计信息质量的提升具有积极的效应。 5.2. 展望 财政部于2017年对《企业会计准则第22号——金融工具确认和计量》完成修订，并于2018年1月1日开始正式实施。由于本文选用的数据是2010~2017年，因此对金融资产的表述仍沿用旧准则。本文对2014财务报表列报准则修订的分析也为日后对2017年金融工具准则、金融资产分类与盈余管理的关系分析奠定基础，并提供了可供参考的视角。同时也对完善会计准则，提高会计信息质量提出了更高的要求。
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user: 摘 要 随着油田电网中变频器等非线性电力电子设备的日益增加，油田电网谐波源数量和类型不断增加。因此，研究油田电网中谐波传变机理十分有意义。谐波状态估计可为分析和掌握油田电网谐波传递规律提供有效手段。本文基于油田配电网结构特点与典型生产设备工作特性，将节点电压作为状态量，支路电流、母线电压、节点注入电流作为量测量，建立节点电压量测方程、支路电流量测方程、节点注入量测方程，建立了适用于油田配电网的谐波状态估计数学模型，并利用最小二乘法求解；通过考虑支路基波电流比值与谐波电流比值相关关系，校正欠定方程造成的误差。仿真结果证明了该方法的有效性。 关键词 :油田配电网，谐波状态估计，最小二乘法 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，为实现节能减排与生产工艺灵活调整要求，油田电网中变频器等非线性电力电子设备日益增加，且有随机接入系统的网电钻机、网电修井机等设备，导致油田电网谐波源数量和类型不断增加，谐波分布日趋复杂。谐波含量超标易造成补偿电容器无法投入甚至爆炸、谐波谐振以及保护误动作等问题，直接影响着油田供电系统的安全可靠运行 [ 1 ] 。所以，研究油田电网中谐波产生的机理、总结在油田生产设备中典型谐波源发生特性，分析谐波产生的影响是非常必要的。谐波在线监测系统可为分析和掌握油田电网谐波发射与传递规律，提供有效手段，但基于主站数据的系统状态评估方法等问题的研究较少，成为限制该系统应用与发展的瓶颈之一。 文献 [ 2 ] 选取节点注入功率和线路上的视在功率为量测量，基于关联矩阵，建立了状态量与量测量之间的数学模型，通过把节点注入分为非谐波源注入以及可疑谐波源注入两种类型减少了待求的状态量的数量。但由于对无功功率的理解没有形成统一的认识，因此该方法并没有说服力。文献 [ 3 ] 将谐波的状态估计视为一种优化问题，并且给出一种通过最下方差进行估计的算法，该文章将状态量选取为节点电压，量测量选取为支路电流和节点电压，通过最小二乘法对状态方程进行求解，但文章并没有考虑节点注入量测方程，因此其可观测范围受到影响。文献 [ 4 ] 提出了基于电力系统连续谐波的一种谐波状态估计方法，该文将母线分为两类，一类为非谐波源注入母线，一类为可能的谐波源注入母线。由于非谐波源注入母线的数量远多于可能的谐波源注入母线数量，因此该方法大大减少了未知的状态量。此外，在上述第二类可能的谐波源母线的基础上，将该类母线分为已有量测和没有量测两种情况，这种方法再一次减少了需求解的状态量的数量，结果表明这种方法是经济、高效且准确适用的，但其精确度难以保证。文献 [ 5 ] 和文献 [ 6 ] 提出了一种基于同步相量量测装置(PMU)的谐波状态估计方法，该文章选取状态量为节点电压，选取量测量为支路电流、节点电压和节点注入电流，通过加权最小二乘法对建立的谐波状态估计方程进行求解。并且依据量测量和状态量的选取方法，给出了谐波状态估计问题的统一数学模型和各种电路器件下相量量测方程。通过对量测节点编号的优化，提出了分层算法来降低稀疏矩阵的计算量，将状态估计问题从整个系统范围缩小到单母线系统范围，既降低了量测矩阵的维度，又降低了计算量，但其计算效率较低，运行较慢。 本文利用节点电压作为状态量，节点电压、支路电流和节点注入电流作为量测量，建立谐波状态估计数学模型。基于油田负荷运行监测系统数据，能够实时获取负荷运行信息，即某些支路虽然没有安装谐波量测装置，但能获得基波电流。利用各支路基波电流与节点注入基波电流之比等于各支路谐波电流与节点注入谐波电流之比，将量测方程由欠定变为正定，再利用最小二乘法求解。算例表明，该建模方法不仅能有效增加可观节点，而且能避免求解欠定方程带来的较大误差。
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user: 4. 结论 为实现节能减排与生产工艺灵活调整要求，油田电网中变频器等非线性电力电子设备日益增加。且有随机接入系统的网电钻机、网电修井机等设备，导致油田电网谐波源数量和类型不断增加，谐波分布日趋复杂。谐波含量超标易造成补偿电容器无法投入甚至爆炸、谐波谐振以及保护误动作等问题，直接影响着油田供电系统的安全可靠运行。所以，有必要研究油田配电网中谐波产生的机理，掌握油田生产设备中典型谐波源发射特性。本文深入研究了谐波状态估计的数学模型，阐述了量测方程的建立方法和量测方程的两种求解算法，取得的主要成果如下： 1) 基于油田负荷运行监测系统数据，某些支路虽然没有安装谐波量测装置，但可以获取基波电流。利用各支路基波电流与节点注入基波电流之比等于各支路谐波电流与节点注入谐波电流之比，建立考虑基波电流比值的节点注入电流量测方程，将量测方程由欠定转为正定。 2) 对油田配电网某馈线进行建模，在6个节点安装谐波量测装置，进行谐波状态估计。通过最小二乘法得出的计算值和仿真出的结果误差较小，并且建立欠定方程求解了4个不精确的状态估计点，并在线路基波量测量基础上将欠定方程转化成了正定方程，减小了不精确点的误差。 算例表明，该建模方法不仅能有效增加可观节点，而且能避免求解欠定方程带来的较大误差。
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user: 摘 要 本文分析了现阶段大数据技术在公共安全领域的需求和应用现状，介绍了公共安全大数据系统的技术架构，描述了数据采集、数据存储、系统处理、应用服务的处理流程。后续分析了大数据应用的典型应用，包含警务全文检索、车辆大数据、人脸大数据等。最后对公共安全领域的大数据发展趋势进行了展望和探讨。 关键词 :大数据，全文检索，人脸识别大数据，车辆大数据，移动大数据 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着信息技术的广泛应用，大数据已悄然来临。云计算、物联网等科学技术的应用与普及，各种移动设备、无线传感器等无时无刻不在进行着数据的产生和交叉 [ 1 ] ，极大的催生了数据量的迅猛增加，数据类型也已经不单纯局限于单一的结构化数据，现代社会已经步入大数据时代 [ 2 ] 。 公安系统拥有庞大的数据积累和独特的安全需求，迫切需要利用特别技术进行大数据处理 [ 3 ] 。据不完全统计，截至2015年底，全国公安机关掌握的数据资源已达数百类、上万亿条、EB级的大数据规模。同时，数据产生汇集的速度越来越快，数据呈阶梯式增长。目前，公安数据的年增长率超过50%，增长速度远超以往任何时期 [ 4 ] 。针对公安日常执法执勤中积累的大量数据，传统的数据库技术已经无法适应，相关数据分析和案件侦破的响应速度越来越慢，建设警务数据分析平台，深入分析各种信息资源和视频资料，挖掘信息，从大型数据库或数据仓库中提取隐含的、有潜在应用价值的信息或数据，应用到公安领域，来辅助一线实战。这项工作包括海量数据的应用、挖掘、碰撞比对，以及各种技术的合成，通过对数据的挖掘，提升警务信息化。 随着警务大数据的应用，为警方解决的问题越来越多。自2011年以来，美国加州桑塔克鲁茨市犯罪情况较为严重。为帮助警方人员采集和分析材料，提高办案效率，基于大数据分析工具，开发了犯罪预测系统，进行犯罪模式分析。对可能出现犯罪的重点区域、重要时段进行预测，并安排巡警巡逻。系统购入使用一年后。该市发案率大大减少，入室行窃减少了11%，偷车减少了8%，抓捕率大幅上升了56% [ 5 ] 。今年来，我国各地公安机关也在不断探索大数据的实战应用。广东、贵州、江苏、浙江等各地公安机关纷纷利用大数据开展国家安全预测、维稳态势预测、治安形势预测、社会管理预测、民意导向预测和民生服务等方面的应用探索工作 [ 6 ] 。
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user: 2. 警务大数据应用需求 随着大数据技术的逐步成熟和警务大数据系统的陆续上线运行，为公安系统解决了越来越多的业务问题，主要集中在三个方面：快速发现目标、预测告警和精确布控。 1) 快速发现目标 通过将人口基本信息登记系统、视频监控系统、高速卡口记录系统、指纹登记系统等公安内部系统以及社会各行业系统中的数据进行整合，提取有关涉案人员的相关信息，实现对个人身份信息、视频、指纹甚至DNA等数据的融合处理、辨析 [ 7 ] ，实现在海量数据中快速寻找目标线索，极大提高了相关案件的侦办效率。 2) 预测告警 充分利用大量的历史数据，建立大数据分析模型，对海量数据进行汇总分类、深度挖掘、分析研判，搜索隐藏在海量数据中的高价值信息，对将可能发生的事件进行预测。同时可以对互联网上的传输的数据进行深度分析，采集特定对象的信息，发现危险情报及时告警，预防恶性事件发生。 3) 精确布控 通过在重要的通道或场所，部署人脸识别或车辆识别系统，对需要进行跟踪或抓捕的对象进行识别监控，一旦发现布控对象，将及时进行提示告警，实现对布控对象的及时处置。
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user: 3. 警务大数据架构 警务大数据系统一般按照分层设计的思想进行设计，完成数据的采集、存储、处理、应用过程，架构分为硬件支撑层、数据源层、接入采集层、存储管理层、数据处理层和业务应用层，系统整体框架如图1所示： 图1. 警务大数据系统架构 3.1. 硬件支撑层 大数据基础数据平台由硬件服务器、网络基础设施、存储设备、时统设备、虚拟化设备等组成。通过核心交换机将多台硬件服务器、存储设备、时统设备等各类设备进行互联，拓扑成内部网络。由时统系统为各类设备提供高精度的授时服务。根据数据平台的需要，在设备上构建虚拟机，部署对应的操作系统，形成内部集群。为上层结构提供基础的支撑环境。 3.2. 数据源层 数据源层描述了各类数据源，包括人脸探测数据、车辆探测数据、移动设备探测数据、互联网采集数据以及基础数据库数据。基于公安相关业务平台，收集包含公安网、图像专网、业务专网、互联网平台上的各类数据。 3.3. 接入采集层 接入采集层实现数据从数据源到管理存储层的抽取、转换、加载和预处理。接入采集的方式分为消息队列/汇集分发、ETL、数据库同步三种方式。在数据接入采集过程中支持自定义的数据订阅发布、自定义策略的数据同步、自定义预处理规则的ETL加载。 3.4. 存储管理层 数据的存储形式主要有两种：基于HBase的非关系型数据和基于HDFS非分布式文件系统。HBase主要用来存储对随机、实时访问(读/写)性能要求较高的大数据，HDFS主要用于对视音频、图像、大文档等大数据量文件的存储。HBase和HFDS都具有数据备份功能以及良好的可扩展性。利用管理服务，设置数据迁移策略，支持存储结构之间的数据按策略迁移。 3.5. 数据处理层 针对关系复杂、资源消耗大的数据资源处理，设计分布式并行计算框架，充分利用服务器的计算资源。以分布式并行计算框架做支撑为复杂应用提供机器学习算法模型库以及各类处理引擎，包括流数据处理引擎、文本处理引擎、图像音视频处理引擎、数据挖掘引擎、数据搜索引擎和有用的数据关联处理。 3.6. 业务应用层 业务应用层分为数据访问服务和数据应用服务：数据访问服务在数据统一存储和管理的基础上，以中间件的形式提供规范的数据访问接口；数据应用服务则提供常用的应用操作接口，如检索、统计、比对，以及各种分析操作。应用领域包含全文检索、车辆大数据、人脸大数据、移动大数据和互联网大数据应用。
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user: 4. 大数据处理设计 大数据处理包含数据采集、数据存储和数据处理。数据采集完成数据的收集、分类和存储；数据存储按照应用业务整合业务数据并进行汇总存储；数据处理完成数据的分析计算。图2是典型的大数据处理流程： 图2. 典型大数据处理流程 4.1. 数据采集 数据采集提供对来源于公安系统的平台业务库、公安网、业务专网、图像网的内部数据源数据以及来源于第三方提供的数据和互联网数据的外部数据源数据进行采集、结构化提取以及入库功能。数据采集支持对视频、音频、文档、图片等数据的实时采集，同时支持设定定时任务进行数据定时采集。数据采集流程如图3所示： 图3. 数据采集流程 数据采集由数据分类、数据结构化提取以及数据入库几部分组成： 1) 数据分类 将数据分类为结构化数据、半结构化数据及非结构化数据。结构化数据、半结构化数据价值密度高、条目多、单条记录容量小、读取频率高，非结构化数据价值密度低、条目少、单条记录容量大、读取频率低。 2) 数据结构化提取 对非结构化数据进行特征提取，采用全量抽取、增量抽取等方式进行数据抽取，将非结构化数据转换为能够处理的结构化数据。 3) 数据入库 将结构化、半结构结构化数据以及非结构化数据进行入库或结构化提取入库。 4.2. 数据存储 数据存储提供按照应用业务整合明细业务数据，对采集的内、外部各资源数据和业务数据进行汇总存储的功能，同时具备数据备份功能。支持对音频、图像、大文档等大数据量文件的存储。 数据存储由关系型数据库存储、NoSQL数据库存储、内存数据库存储以及分布式数据库存储组成。 1) 关系型数据库存储 对需要频繁进行事务处理的业务系统或已经按照传统技术架构建设完毕的业务系统产生的数据以及统一建设的应用系统产生的数据存储到关系型数据库。 2) NoSQL数据库存储 对需要海量存储和高并发访问的数据存储到高扩展性、高可用的NoSQL数据库。 3) 内存数据库存储 对布控、可疑信息、热点信息等需要快速响应、实时性要求高的业务逻辑或数据存储到内存数据库。 4) 分布式数据库存储 对警务公安卡口、人口、视频信息等需要海量存储、高速读写、高效管理的各类数据存储到分布式数据库，存储在多个节点上，通过任务调度模块，将一个大的任务分解到多个节点上执行，提升系统的计算和传输性能。 4.3. 数据处理 数据处理提供对海量数据进行数据整合、数据计算处理分析的功能。数据处理由数据预处理、数据计算和数据分析和应用分析组成。数据处理流程如图4所示： 图4. 数据处理流程 1) 数据预处理 对采集接入的数据进行数据过滤、数据比对、数据校验、数据纠错等预处理操作等，提高数据的质量和关联性，为统一的存储和集中的管理提供基础，同时具备对需要报送的数据进行相应的格式转换的功能，转换为报送要求的格式。 数据过滤：根据用户定义的规则对数据进行过滤，过滤后的数据要求必须是合法、正确和可用的。 数据比对：根据定制的比对规则对数据进行比对，发现不同部门之间的信息存在不一致性时，将这些信息分别记录下来进行比对，生成数据比对报告。 数据纠错：根据定制的纠错规则对数据进行自动纠错。纠错过程中，对出错的数据进行记录进行纠错，生成数据纠错报告。 数据校验：根据定制的校验规则(如数据格式、长度等)对数据进行自动校验。校验包括两个方面：数据本身的合法性和数据的逻辑错误。 格式转换：根据系统需要报送的数据格式要求完成信息之间格式的转换。 2) 数据计算 在海量数据情况下，采用计算引擎来应对线下及线上的计算需求，采用计算框架来为数据构建模型，并对数据进行处理，提高计算能力。 分布式计算：通过调度批量任务操作静态数据，进行大规模数据集的并行运算，采用分布式计算架构进行日志分析统计、大规模索引、海量数据排序、词频统计和历史数据挖掘分析等实时性要求不高的业务操作，用于批处理。 流式计算：通过软件算法在传输数据时对其进行分析，将具有高优先度的数据传输给针对解决复杂、快速变化的问题优化的应用，将计算分解成一系列短小的批处理作业，中间结果保存在内存中，再对中间的结果进行叠加，用于实时处理。 内存计算：对于信息比对、专题分析、数据挖掘等功能，将整个数据放入内存，使每个事务在执行过程中没有I/O，直接进行内存数据读写，完成大批量的运算。 3) 数据分析 搜索数据分析：按照人、车、组织单位、地址、案事件等信息及相关信息进行全文搜索，快速从系统内部查找并列出有效信息。 信息数据挖掘：从数据中自动地抽取出模式、关联、变化、异常和有意义的结构，进行关联分析、分类分析、聚类分析、序列分析等，建立挖掘模型，利用已有的海量数据，分析案事件关联、串并案，对高危人群及地区犯罪进行预警。 机器学习：警用相关的机器学习主要包含行为分析和智能推荐。机器学习行为分析是通过警察或公众行为日志，分析用户的平台内访问路径、访问深度及页面停留时间，细分用户群体。机器学习智能推荐主要是基于警察行为分析结果，按照相同角色、相同地区、相同职务、相同业务构建推荐模型，给警察推荐可能感兴趣的功能模块。 4) 应用分析 应用分析提供在数据统一存储、管理、访问的基础上，对警务不同领域大数据应用的定制分析，对长期积累的数据和实时获取的海量数据进行深度挖掘，获取高价值信息。应用领域主要包含警务综合检索、车辆分析、人脸识别和互联网应用等。
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user: 5. 典型警务大数据应用 典型的警务大数据应用领域包含全文检索应用、车辆应用、人脸应用、互联网应用等。 1) 全文检索应用 提供大数据服务，以警务档案系统为基础，通过信息的有效串联，提供各层次的通用搜索服务。 建立档案：建立人、案、物档案信息，建立与主体相关联的各类关联信息。 通用搜索：以人、案/事件、物品、网页、地图、文库等要素进行通用搜索。 轨迹查询：以地点、时间为线索检索轨迹存在交集的人员，实现人员轨迹的横向关联。 由浪潮公司开发的警务千度系统，提供了典型的全文检索应用，民警在搜索框中输入任意搜索词，搜索后，系统会根据这些搜索词在全文检索的分布式索引库中进行检索，得到的搜索结果会按照搜索词与结果的匹配程度从高到低进行排序。民警对搜索结果还可进一步分类筛选。 图5. 全文检索示例 图5中，使用者可输入限定的条件(如年龄、籍贯、民族等)以缩小搜索范围。系统可以提供模糊检索等功能。获取人员信息后，可以进一步获得该人员的基本信息、人际关系、轨迹信息等。人员轨迹信息示例如图6： 图6. 人员轨迹信息示例 2) 车辆应用 通过交通采集设备收集的信息，以车辆为主体，对车辆信息进行查询分析，确定车辆轨迹或涉案信息。 数据查询：对海量过车数据进行快速检索，如车辆查询、普通过车查询、布控报警查询、异常牌照查询、行车轨迹查询等。 以图搜图：基于图片的搜索模式，通过图片建模后特征向量的比对分析，同时支持被搜索图片中选择特征区域进行二次比对，从图片库中检索出符合条件的图片，并根据相似度返回比对结果。 数据研判：基于不同的研判算法对车辆数据进行综合研判，如初次入城研判、频繁出入车辆研判、行车轨迹研判、违法多发地点研判等。 联防布控：根据车牌(黑名单、红名单)或车辆特征，对车辆进行联防布控，可设定布控时间段。 以海康车辆大数据产品为例，首先通过摄像头对车辆进行前端抓拍，快速提取车辆特征，包含车牌、车型、品牌、车身颜色等，对车辆进行建模。可实现对车辆的统计分析、违法识别以及智能布控等功能。下图是特征搜车示例，用于对车牌污损或人为拆除牌照的车辆以图搜图： 图7. 特征搜车示例 图7中，车辆未挂牌照，系统对车辆抓拍图片的框选区域(区域内有年检标签和饮料瓶)进行建模，对带牌照的车辆进行比对，找到有牌照的卡口抓拍照片，通过车牌进一步追查该车辆的登记信息。 3) 人脸识别应用 在人脸目标库建立基础上，支持进行人脸图像检索、人脸图像验证，快速、高效的辨别犯罪嫌疑人员，实现人脸布控。 人脸图像检索：1:N的检索，直接确认人员身份； 人脸图像验证：1:1的检索，将不同案例视频中的人脸进行截取、比对、判断不同视频中的人是否为同一人。 人脸布控：在交通要道、室外场所、娱乐场所、住宿场所、商业场所进行布控，对人脸进行识别，对布控名单人员进行告警。 与车辆大数据产品类似，首先通过摄像头对人脸进行前端抓拍，快速提取人脸特征，对人脸进行建模，形成脸谱库。将抓拍的人脸照片放在静态库中进行比对，可获取人员的身份信息；同样可以脸搜脸，分析目标人物的轨迹和落脚点等。 图8为人脸区域碰撞分析。 人脸区域碰撞分析可用于公安串并案分析，按相似度依次罗列两个案发地点出现的相同人员，辅以人工筛选，可发现在案发时间都出现在案发现场附件的嫌疑人。 图8. 人脸区域碰撞分析示例 4) 互联网应用 互联网应用主要通过通信拦截方式或者公开网络信息收集方式获取数据，对数据进行分析和解码，提取出有价值的情报。可分为网络监听和舆情分析： 网络监听：通过技术手段记录和统计网民的上网行为，对网络进行全面监控，对互联网上传输的信息进行分析，包括采集特定对象的信息，发现危险人员情报，预防恶劣事件的发生。 舆情分析：通过互联网海量数据采集技术、中文语义分析技术和数据挖掘技术，全时全天候对境内外公开互联网信息进行监测，具备舆情发现、分析、预警和报告等功能。 监听一般通过代理程序对目标的HTTPS/HTTP协议数据、邮件或社交聊天数据进行拦截，收集后发送至后台记录，然后对数据进行综合分析处理后，输出数据。对于有价值数据线索，采用短信或邮件方式进行告警。 舆情分析主要使用网络爬虫工具，对公开的新闻、论坛信息进行检测，及时发现舆论动向和敏感话题，对未来形势发展进行早期预测。
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user: 6. 结束语 大数据的核心就是预测，这点与公安工作异曲同工。将大数据技术与预测警情相结合，必定会对公安预防工作的方式和内容产生极大影响。对公安工作而言，随着警务人员面临的问题日趋复杂化、信息规模化，能否充分运用大数据正日益成为制约我国公安工作顺利发展的关键因素 [ 8 ] 。 本文研究了大数据技术在警务系统中的思路，包含技术体系架构和关键技术解决思路和方法。同时对警务大数据的典型应用现状进行描述。随着警务大数据系统的广泛深入应用，将会为公安系统提供越来越重要的辅助手段，并将在公安实际工作中起到更大的作用。
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user: 摘 要 材料力学课程为材料专业十分重要的基础课程，其相应课程实验的质量直接影响培养学生的质量，为提高学生力学拉伸实验的微观机理分析能力，通过分子动力学LAMMPS软件模拟出TiO 2 纳米管在不同温度下的拉伸性能，得到了应力-应变图。温度在100 K的时候，TiO 2 纳米管的抗拉强度最大，温度从100 K变化到500 K，抗拉强度减小。随着温度从500 K升高到2500 K，TiO 2 纳米管的抗拉强度逐渐增大，另外并通过Ovito软件形象地模拟分析了拉伸形态的变化，分析了原子的分布以及原子受力的情况。因此，通过分子动力学对不同温度纳米管的力学拉伸，可培养学生基本的研究素质及材料力学性质的微观分析能力。 关键词 :分子动力学，TiO 2 纳米管，拉伸变形 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 材料力学课程是材料类专业、机械类专业及土木类等专业的一门重要的基础课，材料力学性质的微观机理及表征一般采用多媒体方法向学生展示，学生无法进行实验验证及深层分析，大大限制了学生的学习积极性、求知欲。TiO 2 是一基本的化工原料，其结构在固体物理类课程中为典型晶体结构，TiO 2 纳米管以其独特的物理、化学及结构性质已经被广泛地应用于多相催化反应、气敏传感性 [ 1 ] 、染料敏华电池 [ 2 ] 、生物材料 [ 3 ] 及储氢材料 [ 4 ] 等多个领域。目前，二氧化钛纳米管的制备方法主要有水热合成法 [ 5 ] 及电化学阳极氧化法 [ 6 ] ，两种方法制备纳米管的机理不同。纳米TiO 2 主要有两种结晶形态：一种是锐钛型，另一种是金红石型，随着温度的升高，TiO 2 主要以金红石型为主 [ 7 ] ，并且金红石型的TiO 2 更加稳定和致密，所以其拉伸性能等物理化学性质都相对突出 [ 8 ] 。 LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) [ 9 ] 是由美国国家能源部下的Sandia国家实验室开发的基于牛顿力学的经典分子动力学模拟的开源软件，可以模拟液体、固体或气态的粒子集合，它可以使用各种力场和边界条件来模拟原子、聚合物、生物、金属、颗粒和粗粒度系统，更适合金属及金属氧化物力学性质预测。本文主要模拟TiO 2 纳米管分别在100 K、500 K、1000 K、1500 K、2000 K和2500 K的不同温度下拉伸的力学性质，在NPT系综下采用z轴方向单轴拉伸方法。
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user: 2. 建立模型 通过LAMMPS内建模型处理命令建立一个圆筒模型，将锐钛矿相TiO 2 块体材料除去外径3.0 nm以外的原子及内径2.0 nm以内的所有原子形成圆筒外径为3.0 nm，内径为2.0 nm，管壁厚度为0.5 nm的TiO 2 纳米管，如图1所示。该模型的纳米管共有48，000个原子，其中16，000为钛原子，按化学计量比的氧原子数为32，000个。通过Ovito软件对模拟结果进行三维可视化及数据分析，对其建立共价键连接氧原子和钛原子，改变原子的半径大小，最后得出的TiO 2 纳米管的效果如图1。其中蓝色表示氧原子，红色表示钛原子。建模过程应用了大量晶体学知识，将所学的晶体学与材料力学有机的联系在一起，有利于促使学生所学专业知识的融会贯通。 结合理论物理及固体学知识可以，分子动力学计算需要选择必要的势函数来对模型进行描述，计算采用势函数的Buckingham势函数 [ 10 ] ，此函数的表达式为： E = A e − r / ρ − C r 6       r < r c (1) 其中ρ是离子对依赖长度参数，而r c 是截断距离，当原子间的距离超过r c 时，认为原子间的相互作用为0。势函数中的ρ必须大于零，系数A、ρ和C可以被写成ε和σ的解析表达式，可类比于Lennard-Jones势函数 [ 11 ] 的表达。式中A表示能量单位，ρ表示距离单位，C表示能量距离单位的6次方。 图1. 采用Lammps内建命令所建立的TiO 2 纳米管模型
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user: 3. 实验过程 3.1. 温度与抗拉强度的关系 众所周知，材料的力学性质受温度影响很大，利用传统的万能材料测试机进行实验不能研究材料的温度影响，目前市售的材料力学仿真软件一般采用植入数据方法也不能研究温度对材料性能的影响，而本文采用分子动力学方法研究材料的拉伸性质可实现在精确的环境温度下进行模拟计算，所获得结果真实可靠。如图2和图3中所示，当模拟温度在100 K时，随材料应变量的增大，材料表现出的应力迅整上升，达到峰值后快速下降，该应力应变规律与利用万能材料实验机所获数据十分相似，该曲线可替代真实验材料拉伸实验中应力曲线的获得及分析；此外通过分析不同温度对TiO 2 纳米管抗拉强度影响可知：温度从100 K升高到500 K，抗拉强度减小；随着温度从500 K上升到2500 K，TiO 2 纳米管的抗拉强度又逐渐增大。实验结果显示，温度为100 K时材料的应力为0.456 GPa略大于2500 K时的0.453 GPa。 图2. 不同温度下TiO 2 纳米管拉伸应力-应变图 图3. 抗拉强度与温度关系图 3.2. 拉伸形态以及受力分析 将分子动力学应用于教学过程的另一魅力在于可以通过三维可视化软件观察材料拉伸过程中每个原子的变化及受力，给合晶体学知识及力学知识找出拉伸实验应力变化的根源。本实验通过Ovito开源软件进行模拟过程可视化，如图4所示。以2500 K时TiO 2 纳米管的拉伸过程的变化为例进行演示，观察到拉伸应变小于0.5时，TiO 2 纳米管变形量较小，原子之间的成键相对稳定，但由于键长伸长，表现为原子之间的吸引力，宏观表现为应力迅速增加；当拉伸应变超过0.5时，部分原子之间的键出现断裂，宏观表现为应力快速下降；由于部分化学键断裂使原子向管内发生位移表现为宏观的颈缩现象。 图4. 2500 K下二氧化钛纳米管拉伸变形过程中应变分别为：(a) 0; (b) 0.5; (c) 1.0; (d) 1.2; (e) 1.5; (f) 2.0 为定量表达拉伸过程中原子之间的距离变化，引入径向分布函数 [ 12 ] (radial distribution function， RDF)又称“对相关函数”(pair correlation function)，其主要表征流体和非晶态固体结构，用于表示与某个粒子距离为r到r + △r之间的粒子的平均数，定义为： g i j ( r ) = V N i ⋅ N j 〈 n ( r ， r + Δ r ) 〉 4 π r 2 Δ r (2) 式中：N i 、Nj分别为i原子在系统中的总数；V为总体积； 〈 n ( r ， r + Δ r ) 〉 表示以i类粒子为中心，从r到 r + Δ r 之间壳层类的j原子总数。 由径向分布函数径定义可知，该函数为热力学统计物理课程的概念，通过大量原子的行为进行系综平均，该函数实际上表征了系统内粒子的分布情况，或局部结构与总体结构的差异。如果系统粒子的分布是完全随机的，不存在任何距离内的有序性，则径向分布函数应处处为1，而真实体系的径向分布函数往往在一个较短距离内有若干起伏的峰值，随距离的增大最后稳定到1，这正是非理想流体与非晶固体的短程有序、长程无序的结构特征。 2500 K下TiO 2 纳米管在截断半径为1 nm的径向分布函数随应变的变化如图5所示，结果表明TiO 2 纳米管被逐渐拉伸的过程，相邻原子之间距离约0.19 nm，也就说明了钛原子和氧原子之间的距离在0.19 nm左右，与文献 [ 13 ] 所得的结果相符合。从图中也可以看出随着应变的逐渐增大，第一峰峰位也逐渐向右移动，即钛原子和氧原子的距离增大。通过观察局部放大径向分布函数图可以看出拉伸前50% TiO 2 纳米管没有较大的变形，结构较为稳定，当拉伸超过50%后，TiO 2 纳米管开始逐渐变形，结构稳定性下降。这也印证了图4中TiO 2 不同拉伸应变的结果，当应变超过了1.0后，纳米管稳定性逐渐降低。 图5. 2500 K TiO 2 纳米管不同拉伸状态下径向分布函数图及其局部放大图 利用Ovito软件将2500 K下TiO 2 纳米管每个原子的受力进行显示，TiO 2 纳米管在未受应力时，每个原子受力很小，且指向化学键的方向，该力主要是克服由于温度造成的原子在平衡位移的振动；当TiO 2 纳米管发生应变时，每个原子的所受力的方向和大小开始发生剧烈变化，随着TiO 2 纳米管逐渐被拉伸，每个原子所受到的力都变得没有规律，每个原子受到力的方向也不断变化，正是由于这些看似杂乱的力使材料产生了宏观应力及颈缩效应；当应变达到某一临界值时，材料内部大量化学键断裂，如图6(d)~图6(f)所示，部分原子处于不受力的自由状态，使材料表现为宏观应力下降。 图6. 2500 K下TiO 2 纳米管不同拉伸应变下原子受力分析；(a) 应变0；(b) 应变0.5；(c) 应变1.0；(d) 应变1.2；(e) 应变1.5；(f) 应变2.0
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user: 4. 总结 通过本教学项目的实施，学生可以通过构建出48，000个原子组成的TiO 2 纳米管，熟悉和应用晶体学知识；通过对不同温度下拉伸曲线的分析使学生认识材料在不同温度下的力学性质变化规律；通过对不同应变下材料的微观结构受力分析，可以使学生对固体物理、晶体学知识与材料力学知识系统的认识，并能获得由理论向实践、由微观向宏观的思想升华；通过对关联函数的分析，可以将热力学统计概念引入到材料力学实验，有利于扩大学生视野，提高学生的学习思维。总之，通过分子动力学方法来仿真材料力学基本实验可以有效提高学生的科学素养，提高学生科学素质。
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user: 摘 要 研究钩端螺旋体外膜蛋白Loa22免疫血清对不同血清型钩端螺旋体的交叉免疫保护作用。表达纯化钩端螺旋体外膜蛋白Loa22。分别在0、2、4周用纯化蛋白Loa22、LipL32蛋白和PBS经豚鼠皮下多点进行免疫。以LipL32蛋白免疫组为阳性对照，PBS免疫组为阴性对照。末次免疫后2周，用培养7天的不同血清型钩体从腹腔注射攻击豚鼠。连续观察15天，观察各组豚鼠发病情况，并取各组豚鼠的肺、肝、肾作病理切片。分析钩端螺旋体外膜蛋白Loa22对豚鼠的交叉免疫保护作用。蛋白Loa22免疫组的豚鼠用不同血清型钩端螺旋体攻击，无发病现象。豚鼠健康情况良好。而PBS对照组豚鼠出现了厌食、懒动等现象，病理切片有明显的变化。钩端螺旋体外膜蛋白Loa22免疫血清对豚鼠具有交叉免疫保护作用，可以抵抗不同血清型钩体的攻击。 关键词 :钩端螺旋体，外膜蛋白Loa22，交叉保护免疫作用 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 钩端螺旋体(简称钩体)是钩端螺旋体病(简称钩体病)的病原体。钩体病是一种自然疫源性传染性疾病，属和猪类是两大主要传染源。主要通过接触疫水、疫土而发生感染。其流行几乎遍及全世界，在东南沿地区尤为严重。我国大多数省、市自治区都有本病存在和流行。临床特点为起病急，早期有高热，全身酸痛，软弱无力，结膜充血，腓肠肌压痛，表浅淋巴结肿大等钩体毒血症。后可伴肺出血、肝出血等全身出血倾向。肺弥漫性出血、心肌炎、溶血性贫血等与肝、肾衰竭为常见致死原因。目前预防和控制钩体病的主要方法是疫苗的接种。钩体疫苗主要有死疫苗，基因工程疫苗等，但现有的钩体疫苗只对同血清型钩体的感染有保护作用，对不同血清型的钩体缺乏交叉保护作用。研制有交叉保护作用的钩体疫苗具有重要的意义。研究表明钩体外膜蛋白Loa22是一种比较理想的疫苗候选分子，具有高度保守性 [ 1 ] [ 2 ] 。前期研究已发现钩体外膜蛋白Loa22有良好的免疫原性，对同血清型钩体的感染具有保护作用 [ 3 ] 。体外实验也证实钩体外膜蛋白Loa22免疫血清可以阻断钩体黏附Raw264.7细胞，对细胞起到保护作用 [ 4 ] 。而且钩体外膜蛋白Loa22免疫血清与不同血清型钩体具有良好的交叉免疫反应性 [ 5 ] 。本实验在豚鼠体内对钩体外膜蛋白Loa22免疫血清与我国主要流行的不同血清型钩体的交叉免疫保护作用进行进一步探讨和研究，为钩体疫苗分子的筛选提供理论依据。
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user: 2. 实验材料与方法 2.1. 实验材料 菌株和重组质粒，问号犬群犬56，603株、致热群致热型56，605株、澳洲群澳洲型56，607株、波摩那群波摩那型56，608株、流感伤寒群临海型56，609株、七日群七日热型56，610株和明尼群明尼型56，655株。PQE31-Loa22本实验室保存。 2.2. 实验动物 健康豚鼠，体重50 g，50只。 2.3. 实验主要试剂 蛋白分子预染marker、Ni-NTA、IPTG、抗体和EMJH培养基等主要试剂。 2.4. 实验方法 1) 重组蛋白Loa22的表达，将重组质粒PQE31-Loa22转化于大肠杆菌M15，取菌落于培养液中37℃诱导过夜培养。37℃、IPTG 9 h后，13，000 rpm、10分钟离心收集菌体。重组蛋白经Ni-NTA亲和层析柱纯化，取纯化蛋白进行SDS-PAGE分析。 2) 重组蛋白Loa22的Western-blot鉴定，对纯化蛋白Loa22用鼠抗His为一抗，羊抗鼠为二抗，进行Western-blot鉴定。 3) 豚鼠交叉免疫保护试验，健康豚鼠30只，分成3组：第一组为Loa22蛋白免疫组，第二组为LipL32阳性对照组。第三组为PBS阴性对照组。第一次免疫：蛋白Loa22、LipL32阳性对照和PBS阴性对照各50 ug加等量的佐剂从豚鼠的腋下、腹股沟及背部进行免疫。相同的方法进行第二次和第三次免疫，每次间隔2周。最后一次免疫后2周进行不同血清型钩体攻击豚鼠，采用活的问号犬群犬56，603株、致热群致热型56，605株、澳洲群澳洲型56，607株、波摩那群波摩那型56，608株、流感伤寒群临海型56，609株、七日群七日热型56，610株和明尼群明尼型56，655株进行攻击豚鼠。不同血清型的钩体株分别经传代，EMJH培养基28℃培养，培养3天后，用培养基调整钩体株浓度达2 × 10 9 /ml，1 ml的不同血清型钩体株经腹腔注射攻击豚鼠。连续攻击15天，观察各组豚鼠的发病情况，并对各组豚鼠的肝、肺、肾进行病理切片观察病理变化。对外膜蛋白Loa22的交叉免疫保护作用进行评价。
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user: 3. 实验结果 3.1. 重组蛋白Loa22的表达的SDS-PAGE、Western-Blot鉴定 PQE31-Loa22重组质粒在大肠杆菌M15表达9小时，37℃诱导在上清表达，不带质粒的空菌和带载体质粒的大肠杆菌不表达，无条带(图1)，经SDS-PAGEA鉴定分子量为Loa22蛋白的大小。 图1. 重组蛋白Loa22的SDS-PAGE分析 3.2. Western-Blot鉴定 Loa22蛋白诱导产物进行Western-blot鉴定，结果显示在目的位置出现单一特异性条带，而对照组未出现条带(图2)。 图2. 重组蛋白Loa22的Weatern-blot鉴定 3.3. Loa22蛋白的纯化 蛋白Loa22过Ni-NTA柱亲和层析纯化，SDS-PAGE分析分子量为22kDa的单一条带，见图3。 图3. Loa22蛋白纯化SDS-PAGE结果 3.4. 豚鼠交叉免疫保护性结果 3.4.1. 不同血清型钩体感染各免疫组豚鼠的发病情况及保护情况观察 蛋白Loa22免疫组的豚鼠在受不同血清型钩体的攻击过程中，未出现厌食，活动等反应正常，于第9天死亡1只豚鼠。PBS免疫组的豚鼠在攻击中，均出现厌食，懒动等表现。于第3天死亡豚鼠2只，第6天死亡4只，第7天死亡4只。Lip32蛋白免疫组豚鼠受钩体攻击也未出现厌食，懒动等表现，于第10天死亡2只。各组的交叉保护率见表1。 Table 1 Protection of guinea pigs in different immunized groups after infection with different serotype 免疫组 数量 死亡数 保护率(%) Loa22蛋白免疫组 12 1 92 PBS免疫组 12 10 0 LipL32蛋白免疫组 12 2 83 表1. 不同血清型钩体感染后各免疫组豚鼠的保护情况 3.4.2. 免疫组豚鼠的肺、肝、肾的病理切片结果(见图4) 肺：PBS免疫组的豚鼠肺病理切片显示肺泡腔内有出血；Loa22蛋白及LipL32蛋白免疫组肺脏未见明显改变。肝：PBS免疫组的豚鼠肝病理切片显示肝细胞肿胀，排列无序。肝中央静脉充血；Loa22蛋白及LipL32蛋白免疫组肝脏未见明显改变。肾：PBS免疫组的豚鼠肾病理切片显示肾小球囊腔内有出血；Loa22蛋白及LipL32蛋白免疫组肾小球未见明显改变。 图4. 各免疫组豚鼠各脏器的病理切片(HE染色× 200)
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user: 4. 结论 钩端螺旋体病分布很广，几乎全世界各地都有此病的存在或流行。在我国已发现25个省、区有钩端螺旋体病人或带菌动物。目前全世界已发现钩体有20个血清群，200多个血清型，我国至少发现了18个血清群，70多个血清型。迄今我国大陆地区流行的问号钩体血清群和血清型中，以黄疸出血群赖型流行最广，其次是流感伤寒、秋季群秋季型、波摩那群波摩那型、七日热群七日热型和澳洲群澳洲型等 [ 6 ] 。疫苗是目前控制钩体病最有效的措施，作为钩体疫苗抗原分子，必须分布广且序列保守，如此才能对不同血清型钩体产生广泛的免疫保护作用 [ 7 ] 。研究证实，非致病的腐生性钩体三宝垄群Patoc型Patoc1株未检出Loa22基因，我国大陆地区流行的6个血清群型问号钩体株中均扩增出Loa22基因，L. borgpetersenii基因种爪哇群爪哇型M10株和L. weilii基因种曼耗群清水型L105株中也能扩增出Loa22基因，提示该基因广泛存在于我国致病性钩体中。测序及序列分析结果显示，上述loa22基因片段核苷酸和氨基酸序列相似性高达85.5%~99.8%和93.9%~99.5%。因此，Loa22基因表达产物可作为我国钩体疫苗分子。 研究已证实问号状钩端螺旋体外膜蛋白Loa22的免疫血清对同血清型钩体具有免疫保护作用。与问号犬群犬56，603株、致热群致热型56，605株、澳洲群澳洲型56，607株、波摩那群波摩那型56，608株、流感伤寒群临海型56，609株、七日群七日热型56，610株和明尼群明尼型56，655株在体外也具有良好的免疫反应性。本实验用纯化的钩体外膜蛋白Loa22免疫豚鼠，使豚鼠产生Loa22蛋白的特异性抗体，并测定抗体效价。同时用上述的不同血清型的6株钩体对豚鼠进行攻击。观察攻击后的豚鼠的表现，对Loa22蛋白的免疫保护作用进行研究。研究发现Loa22免疫蛋白能抵抗不同血清型钩体对豚鼠的攻击，对豚鼠能起到一定的保护作用。钩体外膜蛋白Loa22对不同血清型钩体能起到交叉免疫保护作用。钩体外膜蛋白Loa22是一良好的疫苗候选分子。但钩体血清型众多，本实验只研究了外膜蛋白Loa22对以上6株钩体的免疫保护作用，其他血清型钩体的免疫保护作用有待进一步研究。
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user: 摘 要 为更好地利用光能和提高光疗法治疗新生儿黄疸病及降解胆红素的速率，以人体皮肤为基础建立光学模型，使用波长为380~700 nm的可见光作为对象，通过皮肤各层的消光光谱的叠加得到最终的目标光谱，作为黄疸光疗仪的光源光谱。文章分析计算皮肤各层组织对光的吸收、散射作用而得出的目标光谱，可以使其在穿过皮肤组织到达胆红素所处层面时的光谱，与胆红素吸收谱相合，更大程度上减少了光功率的使用及光照射时间以降低光疗对新生儿的副作用，从而达到更好的治疗效果。 关键词 :光疗，胆红素，皮肤模型，消光光谱 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 新生儿高胆红素血症即黄疸病的形成是由于在新生儿的血液中积累有过量的zz-胆红素分子，zz-胆红素分子是由血红蛋白分解而形成的一种有毒色素。未结合胆红素增高是新生儿黄疸最常见的表现形式，重者可引起胆红素脑病(核黄疸)，造成神经系统的永久性损害，严重者可引起死亡。目前最广泛应用于高胆红素血症的治疗方式是光疗，是一种利用可见光治疗新生儿高胆红素血症的方法 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。研究表明，在蓝绿光波段的光辐射与人体血浆内的胆红素吸收谱是交叠的(460~490 nm) [ 4 ] 。OMLC机构通过实验得出胆红素吸收峰在460 nm左右。Ebbsen等人也通过实验测量表明蓝绿光降解胆红素的效果比蓝光更好 [ 5 ] 。因此，可取380~700 nm的可见光波段进行计算分析。光疗法降解胆红素的原理在于：胆红素存在于血管中，随血液循环流动，光疗法使光通过皮肤进而照射到血管内部，使血液中的胆红素分子发生光氧化和光致异构并通过代谢系统排出体外，从而达到降低胆红素水平的目的 [ 6 ] 。 皮肤组织对入射光具有反射、吸收和散射作用。皮肤中的光吸收主要原因是皮肤中含有多种生色团(如黑色素、血红蛋白、胆红素和β-胡萝卜素)，而散射主要来自皮肤中的较小的细胞结构、胶原蛋白等 [ 7 ] 。由于皮肤组织对光的吸收与散射具有波长选择性，当光通过皮肤各层组织时，其各组分对入射光选择吸收和散射的波段不同。入射光到达目标面(血液中的胆红素)时，其对应于选择吸收和散射波长的光谱会出现暗带即这些波段光谱的缺失，导致光谱不能与胆红素吸收带相匹配，降低了治疗效率。因此并不能直接使用胆红素的吸收谱作为光疗仪的光源光谱。考虑到到达目标面的光谱要符合实际治疗高胆红素血症的需求，需要将其在皮肤的传播过程中的光谱缺失考虑在内。因此，建立皮肤模型、计算与分析皮肤各层组织对入射光的作用是有必要的。
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user: 2. 皮肤的光学模型 人体皮肤自上而下可分为表皮、真皮及皮下组织。表皮由角质层、透明层、颗粒层、棘层和基底层构成。其中角质层主要是死亡的组织细胞，厚度一般为20 μm，由于角质层此结构的特殊性，通常将角质层单独分析。表皮的最下一层为基底层，有能产生黑色素的黑素细胞分布，在表皮中约占体积的10%，是人体皮肤显色的主要原因之一。表皮组织并不含有血管，厚度一般为80 μm。表皮之下为真皮层。真皮又可分为乳头真皮层和网状真皮层，此两层中均有血管分布 [ 8 ] [ 9 ] 。乳头真皮层紧靠表皮层，并且含有大量的神经组织与毛细血管，网状真皮层主要由胶原纤维、弹力纤维和网状纤维组成，主要为皮肤组织提供支撑和保护作用。皮下组织中存在较多的脂肪，由于其位于皮肤组织的最下端而且光源的穿透能力有限(亦有组织学家指出脂肪并不属于皮肤组织) [ 10 ] ，所以在分析人体皮肤对光的作用时，对皮下组织一般不做考虑。 由于人体皮肤结构和功能的复杂性，在建立分析模型时可对皮肤进行适当简化：可将皮肤结构由上至下划分为角质层、表皮层、乳头真皮层、网状真皮层和皮下组织(脂肪层)。血管分布于真皮中，按其分布深度可分为：真皮上部血管层和真皮深部血管层，通常我们假设真皮中的血管是集中并且均匀分布的 [ 1 ] [ 11 ] 。光能在皮肤组织中传输时，少部分能量被角质层反射(通常是镜面反射，具体反射作用与角质层的扁平程度和平整程度有关)，其余入射光经折射进入表皮与真皮中并且此两层中的组分对其产生光吸收和光散射作用。由此可建立皮肤的光学模型如图1所示。 图1. 皮肤组织模型
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user: 3. 皮肤组织对光的组要作用 3.1. 皮肤组织的吸收作用 角质层主要对入射光起到反射作用，其反射的能量相当于总能量的4%~7%，并且遵循菲涅尔方程 [ 8 ] ，因此反射并不对总光谱产生改变，而只对光强起到削弱作用，其余光能透过角质层继续向皮肤内部传输。 当光能在表皮和真皮中传输时，除皮肤各层所特有成分的吸收外，还有皮肤中广泛分布的如水、组织液等成分，这些成分对光的吸收作用称为基础吸收。这些基础吸收可表示为 [ 12 ] (cm − 1 )： μ a − b a s e = 7.84 ∗ 10 8 ∗ λ − 3.255 (1) 表皮中存在生色团–黑色素是表皮部分对光起吸收作用的主要成分，产生于表皮的基底层，其含量的多少决定肤色的深浅。其对光的吸收作用可用以下公式进行描述 [ 12 ] (cm − 1 )： μ a − m e l = 6.6 ∗ 10 11 ∗ λ − 3.33 (2) 对于不同肤色的人而言，皮肤所含的黑色素含量不同，浅肤色人群含量在1.3%~6.3%，中等肤色含量为11%~16%，深色皮肤含量为18%~43%。黑色素吸收及基础吸收的光吸收曲线如下图2所示。 图2. 黑色素与基础吸收曲线 综合以上，就整个表皮来说，其对光的吸收作用可用下式表示(cm − 1 )： μ a − e p i = ( 1 − f m e l ) μ a − b a s e + f m e l ∗ μ a − m e l (3) 式中 f m e l 为黑色素所占体积分数。 血液分布在真皮中的血管内，在不同的皮肤深度占比不同。在真皮中考虑血液成分，可将真皮分为以下四层，如下表1所示 [ 11 ] 。 Table 1 Dermal data and blood rati 第i层 各层名称 厚度(μm) 血液占比 1 乳头真皮层 150 0.04 2 真皮上部血管层 80 0.3 3 网状真皮层 1500 0.04 4 真皮深部血管层 100 0.1 表1. 真皮数据及血液 血液中对光有较强吸收作用的成分主要是血红蛋白(氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白)和胆红素。血红蛋白对光的吸收作用可分别用下式描述 [ 8 ] [ 13 ] (cm − 1 )： 氧合血红蛋白： μ a − o h b = ε o h b ( λ ) 66500 c h b ∗ γ (4) 脱氧血红蛋白： μ a − d h b = ε d h b ( λ ) 66500 c h b ∗ ( 1 − γ ) (5) 式中 c h b = 150   g / L 为血液中的血红蛋白浓度， γ = 75 % 为氧合血红蛋白在血红蛋白中的占比，66，500 g/mol为血红蛋白的摩尔质量， ε o h b ( λ ) ， ε d h b ( λ ) 分别表示氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的摩尔消光系数，单位为cm −1 /(mol/L)。 胆红素是除黑色素外对肤色有影响的另一个因素。就新生儿来说，体内胆红素含量升高会表现出巩膜、粘膜、皮肤及其他组织的黄染。胆红素的光吸收作用可用下式表述(cm − 1 )： μ a − b i l = ε b i l ( λ ) 585 c b i l (6) 式中胆红素的摩尔分子质量为585 g/mol， ε b i l ( λ ) 为胆红素的消光系数，单位为cm −1 /(mol/L)。根据S. Prahl、OMLC和Lamola教授所给出的胆红素消光数据与甘汝婷等 [ 14 ] 实验测得的胆红素消光数据相比较，发现消光曲线大体一致，吸收峰在450~460 nm之间。 则真皮中的吸收作用可表述为(cm − 1 )： μ a − d e r = f b l o o d ∗ ( μ H + μ a − b i l ) + ( 1 − f b l o o d ) ∗ μ a − b a s e (7) 式中 μ H = μ a − o h b + μ a − d h b 表述为血红蛋白的消光作用， f b l o o d 为血液的体积占比，其数值可通过表1中的数据计算得出： f b l o o d = V b l o o d / V d e r = S ∗ h b l o o d / S ∗ h d e r = ( S ∗ 150 ∗ 0.04 + S ∗ 80 ∗ 0.3 + S ∗ 1500 ∗ 0.04 + S ∗ 100 ∗ 0.1 ) / S ∗ ( 150 + 80 + 1500 + 100 ) = 0.0546 (8) 上式中V blood ，V der ，S，h blood ，h der 分别表示血液体积，真皮体积，皮肤覆盖面积，血液层厚度和真皮厚度。血红蛋白与胆红素的光吸收曲线如下图3所示。 图3. 血红蛋白与胆红素吸收曲线 另外应当指出的是，在皮肤组织中还含有对光有较强吸收作用的β-胡萝卜素，但由于其含量很少(表皮中含量为0.21 μg/gm，真皮中含量为0.07 μg/gm)，几乎对入射光不产生影响，在计算中可以忽略不计 [ 15 ] 。 3.2. 皮肤组织的散射作用 众多细胞的有机结合构成了生物体，以人体而言，细胞种类就有二百多种 [ 16 ] 。不同种类的细胞其结构形态往往不同。等以球形光散射模型研究细胞的大小、结构等特性。本文为了描述皮肤对入射光的散射作用，采用米氏散射模型进行简单分析。使用MATLAB进行数值计算，主要参数如下：皮肤组织与空气接触，空气折射率为1，表皮与真皮的折射率为1.4，光波长设定为胆红素的吸收峰附近为450 nm，尺寸参数为97.74 [ 9 ] 。通过对计算的数据进行处理绘图如下图4所示。 图4. (a)米氏散射强度与夹角的关系；(b)对图4(a)数据进行取对数处理 在图4(a)中，由于在0˚时的数据远大于其他角度的数值，故图中只显示为一个峰值。为了能够更加直观的了解各个角度的散射情况，对散射数据进行取对数处理，绘制出(b)曲线。由上图可以看出角度越大，散射效应越弱。 人体皮肤的表皮与真皮对光的散射作用大体相同 [ 12 ] 。即可用下式表示： μ s = μ s − e p i + μ s − d e r (9) μ s − e p i ≈ μ s − d e r (10) 光在皮肤组织中的散射，根据散射结构的尺寸不同可分为米氏散射(胶原纤维大分子等结构)和瑞利散射(胶原纤维小分子及更小的组织结构)。瑞利散射的强度与入射光波长的四次幂成反比，而米氏散射的强度与波长的较低次幂成反比(小于四) [ 17 ] 。根据实验与测量所得到的结构，可以得出米氏散射的强度与波长的一点五次幂成反比关系 [ 12 ] 。 μ s − m i e = 2 ∗ 10 5 ∗ λ − 1.5 (11) μ s − R a y l e i g h = 2 ∗ 10 12 ∗ λ − 4 (12) 则光在表皮与真皮中的总散射可用下式表示： μ s = μ s − e p i + μ s − d e r (13) 其散射作用曲线可由图5表示。
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user: 4. 计算与分析 通过对以上公式和皮肤各组分对入射光的吸收和散射作用的分析与计算，得出其消光数据(单位为：cm − 1 ，即表示每厘米厚度的皮肤组织的入射光的消耗大小)。因此皮肤对入射光的消光数据与其厚度紧密相连。新生儿的皮肤结构与成人并不完全相同，其皮肤角质层和表皮分别比成人薄30%和20% [ 18 ] 。根据以上表述和皮肤组织数据则可计算出整个皮肤组织的消光数据，绘制成如下图6所示曲线。 图5. 皮肤组织光散射作用曲线 图6. 皮肤组织消光曲线 应当指出的是，刚出生的婴幼儿体内的黑色素含量较成人略少，0.5岁之后其黑色素水平即可与成人水平相当 [ 19 ] 。
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user: 5. 结语 本文通过分析人体皮肤组织的结构，建立了光学模型，比较了成人与婴幼儿皮肤组织的差异。使用波长为380~700 nm的可见光作为对象，将皮肤各层组织的光吸收和散射作用进行整合、叠加进而得到最终的目标光谱。以此目标光谱研发的黄疸光疗灯用于黄疸患儿光疗时，光疗灯的发光光谱在穿过皮肤组织到达胆红素所处层面时的剩余部分光谱与胆红素吸收谱相匹配，进而加快胆红素的降解效率，减少光疗时间。进一步的研究工作将采用白鼠实验方案进行间接验证。类似本文以人体皮肤的基础医学研究成果建立光学模型的方法，由动物学基础研究成果获取白鼠皮肤生物组织消光光谱；同时，抽取实验用黄疸白鼠的血液，测试其血红蛋白及胆红素吸收谱。将其叠加得到目标光谱并制作黄疸白鼠光疗仪A。购买光谱与A不同的光疗灯B、C，对同一批黄疸白鼠进行对比光疗实验，比较它们的光疗效果，以验证A的准确性。
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user: 致 谢 感谢斯坦福大学医学院Angelo A. Lamola教授提供的胆红素吸收光谱。
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user: 摘 要 肺癌是世界上致死率第一的癌症，主要原因在于肺癌的侵袭转移和复发。lncRNA是一类非编码RNA分子，研究发现其与包括肺癌在内的多种肿瘤密切相关。lncRNA不仅参与肺癌组织细胞的侵袭、迁移和增殖过程，并且与细胞自噬、肿瘤免疫联系紧密。因此，研究lncRNA与肺癌的关系具有重要意义。 关键词 :肺癌，LncRNA，转移，自噬，肿瘤免疫 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/