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離子液體催化劑幫忙將排放轉換成燃料

only-perception
・2011/10/07 ・1016字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

有個 Illinois 研究團隊已成功克服一項有前途技術的主要障礙,那能同時減少大氣中的二氧化碳並製造燃料。

Illinois 大學化學與生物分子工程教授 Paul Kenis 及其研究小組與 Dioxide Materials,一家新公司的研究員合作,製造出一種催化劑,那改善人造光合作用。這家公司,位於大學的研究園區,由退休化工教授 Richard Masel 所成立。這個團隊在 Science 期刊上報告他們的成果。

人工光合作用是一種將二氧化碳氣體轉換成有用的碳基化學物質(最值得注意的是燃料或其他通常源自於石油的化合物)的過程,成為一種從生質將它們萃取出來的替代方法。

在植物中,光合作用利用太陽能將二氧化碳以及水轉換成醣與其他烴類。生物燃料通常是從玉米這樣的作物萃取出來的醣提煉而成。然而,在人造光合作用中,會有一個利用來自日光收集器或風力渦輪發電機之能量的電化學電池(electrochemical cell),將二氧化碳轉換成簡單的碳燃料,例如甲酸(蟻酸)或甲醇,那經過進一步提煉以製造乙醇還有其他燃料。

“關鍵優勢是,這裡不會與食物供應相互競爭,” Masel,這篇論文的副首席研究者,同時也是 Dioxide Materials 的 CEO,”而且傳輸電力比裝運生質到提煉廠要便宜許多。”

然而,有一大障礙阻止人工光合作用跨入主流:要製造燃料的第一步,將二氧化碳轉換成一氧化碳,太耗費能量了。那需要許多電力來驅動第一步反應,製造燃料所需的能量比起可儲存在燃料中的能量要來得多。

此 Illinois 小組使用一種涉及某種離子液體(ionic liquids)的新穎方法來催化此反應,大幅減少驅動此過程所需要的能量。離子液體使反應裡的中間產物(intermediates,中間體)穩定,故完成轉換所需要的電力比較少。

研究者們把一個電化學電池當成一具流動反應器(flow reactor)使用,以氣體擴散電極(gas-diffusion electrodes)自液體電解質催化劑中區分出(separating)氣態的 CO2 輸入以及氧輸出。此電池的設計允許研究者微調電解質流的組成以改善反應動力學,包括離子液體當成輔助催化劑添加。

“那大幅降低 CO2 還原的超電勢(overpotential),” Kenis 說,他也是一位機械科學與工程教授同時隸屬 Beckman Institute for Advanced Science and Technology。”因此,需要施加的電位降低了許多。施加低了許多的電位與「驅動此過程所耗的能源比較少」相關。”

接下來,研究者希望對付輸出量(throughput)的問題。為了使這項技術在商業化應用上有用,他們需要加速反應並將轉換最大化。

“還需要更多研究,不過這項研究使我們離「減少我們對於石化燃料的需求並同時減少與氣候變化相關連的、不必要的 CO2 排放」更接近了,” Kenis 表示。

資料來源:PHYSORG:Ionic liquid catalyst helps turn emissions into fuel[October 6, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》