生物分析技术范文

关键词：网球；发球技术；男子青少年运动员；生物力学

中图分类号：G845.14文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)02-0271-04

发球是网球比赛最重要的技术之一，是唯一可以自己控制不受对手影响的击球方法。运动员可以做好充分准备后，利用凶猛有力和旋转的变化打出准确刁钻的落点而导致对手回球困难，从而直接得分或为得分创造有利的进攻条件。近年来，世界排名前十位的选手几乎每位都是发球好手，上世纪末本世纪初的两位网坛霸主桑普拉斯和费德勒也都被公认拥有最好的发球。所以，提高发球技术对运动员提高竞技水平至关重要。有资料显示，我国运动员的发球时速远远低于世界有些运动员的水平［8］，发球是我国运动员的薄弱环节。当代高水平竞技体育的训练和竞赛中，科学化的程度越来越高，科学技术与竞技体育全方位多层次的密切结合，成为竞技体育的一个有机组成部分。作为竞技体育的一个项目，网球竞技水平的提高在很大程度上也要依赖于科学技术的进步和全方位的影响。因此，密切结合运动实践，深入开展网球科研攻关与科技服务将有助于我国网球选手竞技能力的提高。

1研究对象与方法

1.1研究对象本文的研究对象为我国优秀男子青少年网球运动员柏衍，基本情况见表1。该运动员曾先后取得了2005年香港国际青少年锦标赛（ITF四级赛事）男子单打冠军、2006年亚洲青少年网球锦标赛男子单打冠军、2006年全国男子网球巡回赛第三站乌海站单打冠军，最高世界青少年排名位列42位，是目前为止我国网球运动员获得世界青少年排名最高的选手。

1.2研究方法

1.2.1文献资料法广泛收集和查阅了国内外有关本课题的网球和运动生物力学方面的资料，把握目前网球运动中发球技术分析的研究现状，将有关资料全面阅读，并加以归类和分析。

1.2.2三维录像及解析采用日本JVC3000专业数码摄像机进行拍摄，拍摄频率为50Hz。三维标定框架的尺寸为1.5m为半径的空间，能较好的是整个动作范围位于框架标定空间内。对比赛过程全程拍摄，记录发球成功的第一发球和第二发球。

依据对录像带的反复观察和发球试验时的现场评价，选取运动员第一发球和第二发球中最好的一次，运用北京体育大学运动生物力学教研室周兴龙老师研发的视讯解析系统进行解析。

1.2.3专家访谈法向多年从事网球训练工作、经验丰富的教练员请教有关网球发球的技术问题，走访有关网球和运动生物力学的专家，咨询研究过程中的疑难问题。

2结果与分析

2.1球的运动特征运动员柏衍在比赛的第一发球中，抛球点的高度为1.83m，球离手时的速度为6.43m/s，球向上运行的最高点高度为3.68m，到击球时球在水平方向上位移为0．58m。第二发球的抛球点的高度为1.84m，球离手时的速度为6．04m/s，球向上运行的最高点高度为3．50m，到击球时球在水平方向上位移为0．53m。

球被抛出后在水平方向的移动将会影响到运动员击球的稳定性。如果抛出的球最垂直上抛运动，则运动员在击球时只需在一个方向上判断来球位置，将可以保证运动员挥拍击球动作的稳定性。运动员柏衍第一发球、第二发球抛球在水平方向的速度分别为：0．95m/s和0．92m/s，通过三角函数知识可以推算出运动员柏衍在比赛的第一发球、第二发球中抛球与垂直方向的夹角均为8．53°。我国8名优秀运动员抛球时球与垂直方向的夹角平均值为12．11°［6］。可以看出，运动员柏衍在抛球方向的把握上比较理想，抛球线路接近垂直。

球被抛起的高度是否合适是导致发球节奏是否被打乱的最重要的因素，因而也是影响发球质量的关键。抛球过高会导致运动员“搔背”动作停顿等球下落或“搔背”动作减速，这不仅破坏了发球动作的连贯性，降低挥拍速度，而且不利于被拉伸肌肉的牵张性收缩，导致挥拍击球动作的协调用力不充分。抛球过低会降低击球高度，降低发球的成功率，同时也使运动员完成“搔背”和击球动作时间变得仓促，缩短挥拍时间，影响挥拍速度和质量。我国网球国家队重点12名男子运动员抛球最高点于击球点的平均落差为0．64m［5］。运动员柏衍第一发球、第二发球时的击球高度分别为2．77m和2．75m，抛球最高点于击球点的平均落差分别为0．91m和0．75m。而有研究显示，优秀运动员的抛球落差在0．5m左右，有的甚至在0．2m之内［1］。因此，参照优秀运动员抛球最高点于击球点之间的落差标准，可以看出该运动员在抛球环节存在抛球过高的问题。

2．2膝关节运动特征

2．2．1屈膝下蹲动作特征下肢屈膝下蹲动作是发球动作的一个重要组成部分，目的是通过下肢伸肌群离心收缩状态下的拉伸，增大肌肉初长度储备弹性势能，同时增加击球时的挥拍距离，为“搔背”动作提供良好的身体姿势和用力状态。运动员柏衍第一发球中左膝最大屈曲角度为92．9°，右膝最大屈曲角度为139，2°；第二发球中左膝的最大屈曲角度为102．5°，右膝最大屈曲角度为145．4°(表2)。

膝关节屈曲的太大或太小都不能产生最佳的蹬地力量，从而不利于整个发球动作。膝关节屈曲过大，会给伸肌群过大负荷，影响伸膝的速度与身体其他环节的配合；屈膝过小又不能充分拉长伸膝肌，影响弹性势能的储备，进而影响伸膝力量，使身体不能获得较好的垂直速度。统计表明［6］，“搔背”时膝关节运动幅度与髋部上升最大垂直速度之间r=0．262（p>0．05），无显著性相关。由于每位运动员的身体素质不同，不同的运动员最佳膝关节的屈曲角度和身体的下蹲深度也不同。但是准确掌握膝关节屈曲角度有助于运动员的力量训练。

2．2．2膝关节蹬伸动作特征膝关节的蹬伸是人体各环节系统鞭打动作的开始，他的直接作用是使身体向上加速，并对球拍形成超越。运动员柏衍第一发球中左膝最大蹬伸角度为170．9°，右膝最大蹬伸角度为163．9°；第二发球中左膝的最大蹬伸角度为171．3°，右膝最大蹬伸角度为169．8°（图1）。

运动员柏衍第一发球时左右膝关节的平均角速度为286．3°/s和80．7°/s，第二发球时左右膝关节的平均角速度为236．3°/s和83．3°/s，第一发球时左膝的平均角速度基本上是右膝平均角速度的3．55倍，第二发球时左膝的平均角速度基本上是右膝平均角速度的2．84倍（表3）。可以看出左右膝关节的平均角速度差异较大，说明该运动员的蹬伸用力主要是依靠左腿伸膝肌群的快速收缩实现。研究表明［6］，膝关节蹬伸平均角速度与最大髋关节垂直速度及球速之间呈现显著性相关（r=0．728，p

身体在脚蹬伸离地后只受到重力的外力作用，所以重心在脚蹬离地面时的高度和垂直上升速度将决定重心在竖直方向上的运动轨迹，也将影响到发球击球时的重心高度。运动员柏衍第一发球和第二发球时重心在脚蹬离地面时的高度分别为1．13m和1．10m，垂直向上的速度分别为2．01m/s和1．67m/s。第一发球和第二发球分别在此后的0．12s和0．14s击球，重心高度分别为1．28m和1．21m，击球时重心均未达到最高点。根据运动学知识可以知道，在运动员保持相同的发球动作节奏时，脚蹬离地面时重心的高度和向上的速度决定了击球时重心高度，也就是说在脚蹬离地面时，重心越高，向上的速度越快，击球时的重心就越高。所以，第一发球时蹬伸使重心在垂直方向的效果较差。但由于第二发球用时较第一发球长且重心未过最高点，在一定程度上弥补了蹬伸效果较差的影响。

2．3持拍手及球拍运动特征

2．3．1抛球引拍阶段运动员柏衍采用后摆向上引拍，第一发球和第二发球中拍头摆到最高点分别用时0．76s和0．52s，最高点高度分别为1．76m和1．72m，分别出现在重心最低点后0．1s和前0．06s（图2）。

2．3．2“搔背”动作阶段运动员柏衍的第一发球和第二发球在此阶段拍头平均速度分别为5．56m/s和5m/s（图3）。在两次发球中，肘关节的角度均呈现出先减小后增大的变化趋势，其中第一发球时肘关节的角速度比第二发球时大，通过对录像分析，肘关节角度在减小时，运动员通过展肩、曲肘，降低拍头在背后的高度，肘关节角度在增大时，运动员通过持拍手腕关节外展，继续降低拍头高度。在拍头最低点时，肘关节角度分别为82．3°和80．4°。

拍头最低点高度与当时的重心高度差是反映运动员在“搔背”动作中躯干及持拍手肩部拉伸幅度的重要依据。运动员柏衍第一发球时在“搔背”动作中拍头最低点高度为1．16m，当时重心高度为1．10m，拍头比重心位置高0．06m；第二发球时在“搔背”动作中拍头最低点高度为0．93m，当时重心高度为1．07m，拍头比重心位置低0．14m（图4）。理论上，拍头相对重心降得更低，可以使肩关节和腹部肌群的拉伸更加充分，如果击球时间足够，通过腹部肌群快速的向心收缩，可以使上肢获得的更大的速度。通过比较可知，运动员柏衍第二发球时拍头与重心高度差比第一发球时大0．20m。一般地，运动员比赛中第一发球的速度要求高于第二发球，也就是第一发球在“搔背”动作阶段的肌肉弹性势能储备应大于第二发球。但是运动员柏衍在此阶段的动作特征不符合发球对“搔背”动作阶段的肌肉弹性势能储备的要求，第一发球“搔背”动作没有第二发球充分。通过对比赛战术分析发现，第二发球的“搔背”动作充分是由于运动员为了增加球的强烈旋转引起的。

2．3．3挥拍击球阶段“搔背”动作结束后，运动员腹部肌肉爆发性收缩，在躯干向前向上运动的带动下，持拍臂肩、肘关节作挥拍动作的主动肌迅速收缩，使球拍获得极大的挥拍速度并击球。运动员柏衍第一发球在此阶段共用时0．12s，肘关节的平均角速度为539．3°/s，拍头速度由开始时的10．86m/s增加到击球瞬间的24．44m/s，拍头移动距离2．54m；第二发球共用时0．14s，肘关节的平均角速度为496．9°/s，拍头速度由开始时的7．07m/s增加到击球瞬间的23．53m/s，拍头移动距离2．27m（图5）。

网球发球中的击球点高度是衡量发球技术质量的重要指标。击球点越高，在以保证相同的击球速度前提下，球过网落在发球区的区域越大，既可以提高发球的成功率和发球的角度；在以保证相同的落点区域前提下，球的速度可以更快。所以从理论上讲，在一定的范围内，击球点越高可以使发球的质量越高。该运动员两次发球的击球点高度分别为2．77m和2．75m，分别是身高的1．50倍和1．49倍两。我国国家队12名男子运动员平均击球点高度是身高的1．52倍［5］，国际优秀运动员的击球点高度是身高的1．50倍［1］。比较可以看出，运动员柏衍的击球点高度比较合理。

2．4上下肢配合的运动特征网球的发球动作属于鞭打类动作，所以合理的动作节奏应该是身体自下位关节至上位关节的速度依次递增。各环节间速度的递增量越大，说明鞭打动作的动量传递效果越好。运动员在抛球时通过下肢的屈曲、屈髋离心拉伸下肢伸膝肌群，同时向上举拍，为击打动作提供良好的身体姿势。屈曲下蹲后再通过下肢快速蹬伸及其它环节依次的加速与制动，使球拍获得极大的打击速度。在下肢快速蹬伸时，通过展肩、曲肘的动作来降低拍头高度，形成类似投掷运动中的“超越器械（拍头）”，一方面使加速挥拍的工作距离增大，另一方面预先强烈的拉伸作后继动作的主动肌。

运动员柏衍第一发球时身体主要环节的用力顺序为右膝―左膝―左髋―右髋―右肘―右腕，第二发球时的顺序为右膝（右髋）―左膝（左髋）―右肘―右腕。左膝-右膝-右髋-左髋-右肩-右肘-右腕(膝-髋-肩-肘-腕)，是较为理想的发力时序［5］。也就是说,在拉长相关用力肌肉的条件下,首先是下肢、躯干等肌肉的加速用力,然后是上肢各个关节小肌肉群的加速用力。

合理的技术是充分发挥躯干肌肉和下肢肌肉的爆发加速作用，不要过多的依靠上肢关节加速，这样才能使上肢肌肉留有较大的能力贮备，在挥拍击球动作中肌肉感觉敏锐，控制球拍的方位和调控击球时机，并保证击球点的高度。总之，过分的强调通过上肢加速来增加球速将导致发球准确率下降［5］。因此应加强下肢的蹬伸力量，并在发球时加强下肢的蹬伸作用，从技术上保证下肢和躯干肌肉合理的爆发加速功能，使整个鞭打动作更加合理，在保证发球准确性的前提下增大击球速度。

3结论与建议

运动员柏衍采用FB站位技术，侧摆向上引拍，在抛球的方向上把握较好；下肢蹬伸充分，动作比较合理，第二发球时的“搔背”动作比第一发球更加充分。发球时身体主要环节的用力顺序符合鞭打动作规律，击球点高度比较合理。但是存在抛球过高和第一发球“搔背”动作不够充分的问题。抛球过高，将不利于被拉伸肌肉的牵张性收缩，影响挥拍击球动作的协调用力，建议改变抛球习惯，将抛球最高点控制在击球点以上50cm以内从而使发球的动作更加连贯。“搔背”动作不充分，表示在挥拍击球前腰腹部及上肢的肌肉弹性势能储备降低，将直接影响到发球的质量。建议纠正运动员对发球动作中身体各环节协调发力的理解，强调充分的“搔背”动作不仅可以增加球的旋转，对增加发球的球速也起到非常重要的作用。此外应适当加强腰腹部的力量和柔韧训练，增大发球时躯干的背弓程度，从而增加挥拍击球前腰腹部及上肢的肌肉弹性势能储备。

参考文献：

［1］ElliottB．&MarshT．AThreeDimensionalCinematographicAnalysisofTheTennisServe［J］．InternationalJournalofSportBiomechanics，1986(2)：260-271．

［2］BeermanJ,SherL．ImproveTennisServeThroughMathematics［J］．JournalofHealth,PhysicalEducationAndRecreation，1981(9):55．

［3］ElliottB．WoodGA．TheBiomechanicsoftheFoot-upandFoot-backTennisServeTechniques［J］．AustralianJournalofSportsScience，1983：2.

［4］陶志翔．对网球发球体系的研究［J］．北京体育大学学报，2004:12．

［5］严波涛,吴延禧．网球发球技术的生物力学分析［J］．体育科学，2000:7．

［6］刘卉．网球大力发球技术的运动生物力学原理［J］．北京体育大学学报，2000:23．

生物分析技术范文

关键词：环境监测；生物传感技术；分析

中图分类号：X83文献标识码：A文章编号：1674-0432（2012）-09-0198-1

随着生物传感技术的快速发展，生物传感技术已是一门比较成熟的技术，可以被应用在各个领域。生物传感技术是利用生物传感器对所需要检测的物质进行检测的技术，生物传感器能够对不同浓度的生物物质转换为不同的电信号，待测的生物物质经过扩散进入生物活性材料，通过分子识别，发生生物学反应就会产生特有的信息，这个信息会被相应的物理或者化学换能器转变成独特的可处理的电信号，再通过二次仪表放大并输出就可以检测到被测生物物质的浓度。生物传感器所采用的是固定化的生物活性物质作为催化剂，虽然试剂价格昂贵，但是可以重复多次使用，如果连续使用平均下来每例测定所花费的人民币只有几分钱而已。生物传感器的专一性强，准确度高，一般情况下相对误差高达1%，而且分析速度快，操作简单，甚至可以进行自动分析。

1用于环境监测的生物传感技术

1.1有毒物质的检测

Cellsens生物传感器就是运用这种检测方法而发展出来的一种生物传感器，它是一种以大肠杆菌的毒性分析系统为基础，细菌呼吸活动为衡量标准，污染物影响细菌的呼吸作用，再通过生物传感器的电流大小的改变判断污染物毒性的高低。Cellsens生物传感器已经用于废水中3，5-二氯苯酚以及其他酚类的毒性监测，污水以及污泥的毒性检测等。生物学反应敏感，能够准确的测定待测物的毒性。

1.2农药的检测

新型的有机磷农药生物传感器[2]可以对农药中甲基对硫磷、乐果、敌敌畏等进行检测稳定性好，重现性好。这种传感器是将乙酰胆碱酯酶和牛血清白蛋白通过戊二醛交联法固定在石墨电极上的碳纳米管电极表面，而有机磷农药就算在很低的浓度下也能够抑制乙酰胆碱酯酶的活性，所以在一定范围内可以通过乙酰胆碱酯酶的活性判断有机磷农药的浓度。这种方法比传统的高校液相色谱-质谱联用更迅速、所需费用更便宜，还可以在现场就进行检测。

1.3表面活性物质的检测

表面活性物质可以造成严重的水污染，比如直链烷基苯磺酸钠（LAS）可以在水面上产生泡沫，消耗氧。用LAS降解菌和氧电极制成的生物传感器就可以检测阴离子表面活性剂，当阴离子表面活性剂会影响LAS降解菌的呼吸作用，从而影响溶解氧的变化，利用氧电极的电流变化就可以测定表面活性物质的浓度。

1.4微生物数量的检测

微生物数量是评价水质的重要标准。伏安型细菌总数微生物传感器通过电极及其辅助装置可以测定数量高于30000个的细菌数量，所用时间一般在半小时左右，先把细菌悬浊液抽滤成细菌阻留膜，将电极和滤过膜固定在弹性电解池底部，把阻留膜修饰电极上，记录下伏安曲线，与标准曲线对照就可以得出细菌总数。而采用传统的平板菌落计数法测定细菌数量就会出现极大的主管误差，而且测定多用时间很长，准确度还不高。

1.5生化需氧量的测定

生化需氧量（BOD）是指水中有机物等需要氧的污染物质含量的一个综合指标。BOD生物传感器是用微生物的单一菌种或者混合种群作为电极，水中BOD的数量不同，则水中微生物的呼吸方式就不同，就会导致电极电流信号不同，再将电信号输出放大就可以得到水中BOD的数量。像采用一般传统的稀释法检测水中细菌的数量，不仅仅操作复杂，而且用时较长，差不多5h。但是生物传感器可以在短短10～15分钟内就可以检测出细菌数量，还可以实行在线检测，能够及时反馈水质质量。

2生物传感器的分析探究

生物传感器利用的是生物学反应，具有特异性和专一性，检测值就非常准确，而且生物传感器不需要试剂，所以可以繁复使用，还可以进行连续分析、联机操作等，非常简单、方便。近年来生物传感器发展迅速，已经有多种不同类型的生物传感器问世，支持在线、连续检测，完全符合环境监测的需求，所以生物传感器在环境监测中的应用逐渐变广。当然生物传感器还有很多不足的地方，比如：①长期使用后，生物传感器的稳定性会下降，应该与生物器中生物反应有关；②生物传感器虽然支持在线检测，但是其体积并不微小，携带非常不方便；③现代科学中有很多生物学技术都可以用于环境监测，生物传感器可以结合其他生物学技术对环境进行监测，联合应用可以扬长避短，最大限度的发挥生物传感器的优点。

综上所述，生物传感器现在还在发展阶段，但是其现今在环境监测中运用可以发现生物传感器是最符合环境监测需求的，与传统的检测方法相比，其先进性和适用性是不言而喻的，从而可知，随着科学技术的发展，研发出超敏、高稳定性、检测迅速的生物传感器是指日可待事，而这些新一代的生物传感器应用于环境监测是必然事件。

参考文献

[1]华军.环境生物技术的研究现状及发展前景[J].污染防治技术，2006，19（2）：23-26.

生物分析技术范文篇3

水污染防治、水资源保护和水环境管理领域都离不开水污染监测，水污染监测要为这些工作提供有效的数据，并科学地分析、评价水资源，治理、预报和预测水污染。生物监测，是指从生物学的角度来评价和监测环境质量，充分利用生物的群落、种群、个体和组分对环境变化和环境污染产生的反应。生物监测技术涉及到生态系统，生物的群落、种群、个体、系统、器官、组织细胞和生物分子。当污染物进入水环境后，就会影响水环境中的生态系统。与理化检测相比，生物监测能够长期反映污染效果。一些生物能够对微量污染物产生反应，使生物监测效果更加敏感。生物监测能够富集污染物，这是因为生物系统中的食物链能够富集微量的有毒物质，从而提高污染物的浓度。生物监测具有更加多样化的检测功能，不同的污染物会对同一种生物产生不同的影响，从而表现出不同的症状。由此可见，生物监测有利于综合评价水环境的污染状况。理化检测只能监测特定水环境中污染的含量和类别，而生物监测能够综合反映水环境中各种污染物相互作用而产生的影响。

2具体应用

2.1基因工程技术

基因工程技术是根据重组优势基因或基因工程菌处理污染物。该技术的优点在于能够将目的基因构建出来，高效表达代谢通路中的目的和意义，具有效率高、环保、清洁的优点，不会产生二次污染。

2.2电泳分离纯化技术

在电泳分离纯化技术中，聚丙烯酰胺凝胶电泳和琼脂糖凝胶电泳是比较常见的电泳。该技术的优点在于能够有效分析自然环境或废水处理系统中的生物动态性和多样性。

2.3DNA探针技术和PCR技术

将这两种技术的联合使用，能够快速、灵敏地检测水环境中的大肠杆菌。

2.4酶蛋白标志

物酶蛋白标志物被广泛应用于水体污染的监测中，它具有广泛性、警示性和特异性，能够真实地反映污染物的累积作用。

2.5免疫检测技术

该技术主要是通过抗体和抗原之间的特异反应，在反应物上标志相应的示踪物，用定量测定或定性测定的方式快速检测抗体或抗原。

2.6生物传感器技术

生物传感器技术主要是使用生物传感器转化生物反应，使其成为电信号。固定化酶和固定化细胞核是生物传感器技术的基础，当前常用的生物传感器有免疫传感器、组织传感器、微生生物传感器、细胞传感器、酶传感器和细胞膜电位传感器等。

2.7生物毒性实验

由于大量使用各种外来化学制剂，这些外来化学制剂具有致突变、致癌、致畸性的特性，会在生物体内富集，而常规的化学检测方法并不能直接反应其毒害性。在生物毒性试验法中，使用最多的检测手法就是利用细菌，它具有反应快、费用低、保存方便和生长繁殖快的特点。

3存在的问题

3.1生物监测指标体系尚未形成

由于我国生物监测技术起步比较晚，虽然在一些重要环节设置了相应的指标，例如许可证发放、排污收费和环境质量定量考核等，但是，尚未形成法定化的生物监测指标体系。这就意味着，不能合法地应用一些生物监测指标监测水环境污染。

3.2缺少统一的生物监测方法标准

目前，我国尚未出台部级的生物监测环境标准，制约了我国生物监测适用的解释和使用，严重影响了生物监测技术的推广。

3.3生物监测过于复杂

在不同地域，同类生态系统中的同种生物具有不同的污染物耐受性，即使同一生物，在其不同的生长阶段也有不同的污染物耐受性。因此，要想做好水环境污染的监测工作，不仅要充分考虑水体特征，还要制订合理的生物监测方案。这就涉及到了样本数量、测试样本和测试频率的选择。

4前景展望

尽管在应用生物监测技术的过程中还存在一些瓶颈和问题，但是，这项技术在水环境污染监测领域具有广阔的发展前景，具体表现为以下2点：①随着监测技术的不断发展，生物监测技术的精确性、快速性和灵敏性将得到进一步的提高。单一的理化检测并不能客观评价水环境污染，而污染物对水环境的影响并非全部都是快速的，有一些污染物还需要多种物质的结合和长期累积。这时，就需要发挥生物监测的作用，客观评价水环境污染的情况。②制订环境标准。生物监测技术通过污染物在生物体内的不断累积，产生遗传效应和生物机能变化，进而制订水质标准制。在此过程中，监测技术可以选择合适的检测条件和受试生物，制订更符合人类健康标准的污染无排放标准和水质标准，从而进一步推动水环境污染监测工作的发展。

5结束语