【摘要】：航天科技的發(fā)展和社會需求的增加,促進了空間技術(shù)和生物學研究的結(jié)合,誕生了空間生物學這一嶄新的學科。世界各航天大國紛紛將空間生命科學研究當作航天科技發(fā)展的重要方向�？臻g生命科學儀器決定了發(fā)展空間生命科學的能力。空間生物樣品處理和分析相關(guān)技術(shù)發(fā)展嚴重滯后,目前的空間生命科學研究難以突破飛行搭載、回收和地面分析的模式。造成這種局面是由多種因素決定的:首先,生物體系復雜,樣品處理步驟繁瑣,對人工操作依賴較大;其次,目前的樣品處理和分析方法大多采用離線模式,自動化程度差;最后,現(xiàn)有的樣品處理及分析技術(shù)和設備都是基于地面環(huán)境開發(fā)的,不能適應空間的特殊環(huán)境。因此發(fā)展集樣品處理、分析、檢測于一體的在軌分析系統(tǒng)已經(jīng)成為未來空間生命科學發(fā)展不可或缺的重要組成部分。本文針對上述需求分析,對適應空間環(huán)境的細胞樣品處理與分析檢測關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,建立了基于微孔濾膜截留的細胞樣品處理技術(shù),形成了一套原理樣機,設計并開發(fā)了小型低功耗的發(fā)光二極管(LED)誘導熒光檢測裝置。本文的研究成果僅限于原理樣機階段,在設計上充分考慮了空間環(huán)境的特殊要求,實現(xiàn)了儀器的小型化、低功耗和自動化,對于力學環(huán)境等空間適應性研究,將由后續(xù)樣機工程化階段實現(xiàn)。本研究對于未來空間生物樣品的在軌實時檢測具有重要的基礎性作用。論文主要內(nèi)容包括:1、適應空間微重力環(huán)境的細胞樣品處理原理樣機的設計與開發(fā):對空間細胞處理技術(shù)與設備進行了需求分析,提出了基于微孔濾膜截留技術(shù)的細胞清洗、裂解以及細胞內(nèi)容物釋放并對其進行衍生化的總體思路。從理論上進行了可行性分析,研制了一套原理樣機,優(yōu)化了樣品衍生化條件,并進行了功能驗證。整個裝置采用模塊化設計思想,具有小型化、集成化和自動化特征,為未來空間環(huán)境中細胞樣品處理提供了一種可靠的技術(shù)和方法。2、正交型光路LED誘導熒光檢測器的研制:研制了小型LED光纖光源,取代激光器作為激發(fā)光源,自主研發(fā)的高精度光纖-毛細管自校準平臺保證了由多模光纖傳導的激發(fā)光可以精準耦合進毛細管內(nèi)的樣品中,激發(fā)的熒光由垂直方向的物鏡收集并傳導至光電倍增管轉(zhuǎn)換為電信號并放大,信號采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后,通過串口上傳至上位機數(shù)據(jù)采集與處理程序,對熒光素鈉的檢測限可以達到10-8 mol/L水平。光纖的引入克服了空間位阻的影響,與傳統(tǒng)的激光誘導熒光檢測器相比,該裝置具有體積小、重量輕、功耗低的優(yōu)勢,已經(jīng)達到了熒光檢測器小型化研究的預期目的。3、基于非平衡耦合光纖的LED誘導熒光檢測器的研制:利用非平衡耦合光纖的特殊光路,將激發(fā)光路和熒光收集光路集成在一套光纖上。采用無窗激發(fā)模式,激發(fā)光直接照射在“V”型流路檢測池中的熒光試劑中,避免了多次界面反射造成的損失,提高了激發(fā)光利用率,而且降低了雜散光進入熒光收集光路的概率,使檢測靈敏度提高了一個數(shù)量級,對熒光素鈉的檢測限達到了10-9 mol/L水平。由于光路設計中未采用聚焦透鏡,使得裝置體積進一步減小。各器件均采用標準SMA接口,降低了裝置的組裝、調(diào)試、維修和擴展難度。改檢測器的成功研制對熒光檢測的空間應用具有重要的促進意義。4、小波變換在色譜數(shù)據(jù)降噪中的研究:依據(jù)塔板理論建立了仿真理想色譜模型,與實際采樣得到的含噪聲基線進行疊加,構(gòu)建出加噪色譜模型,以此為對象考察了不同的閾值函數(shù)和閾值估計方法的降噪結(jié)果。以FITC衍生化的賴氨酸色譜圖為對象,考察了采用不同小波基和分解層次降噪后的色譜峰高、峰面積以及信噪比情況,最終決定采用軟閾值函數(shù)和Universal閾值估計方法,進行sym2小波12層降噪。與中值濾波結(jié)果對比,小波閾值降噪抑制噪聲的能力更加出色,信噪比提高非常顯著。小波閾值降噪方法的建立,有利于提高空間環(huán)境中低豐度生物樣品的檢測能力,對于拓展空間生物樣品檢測范圍具有重要的促進作用。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q2-33

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本文編號：2768086