本文關鍵詞：空間生物樣品處理裝置的研制及其地面驗證

  更多相關文章： 生物樣品 生物樣品處理 細胞 蛋白質(zhì) 核酸 分離 裝置

【摘要】：隨著航天技術的進步,生命科學已經(jīng)成為空間科學研究的重要領域。為此,許多科學家們正在著力將生物實驗室搬向太空環(huán)境。生命科學始終離不開對生物樣品的需求。為了滿足分析檢測的需要,往往要對生物樣品進行一系列的處理,從而獲得有效的目標分析物。然而在空間艙內(nèi),常常要面臨操作空間狹小、有限的能源供給、微重力等不利條件。生物樣品較短的保存時間使其很難在地面環(huán)境下處理后再送入太空環(huán)境中進行相關研究。因此,研制體積小、功耗低、自動化的生物樣品處理裝置成為了空間生命科學研究的發(fā)展需求。細胞作為生物體結(jié)構和功能的基本單位,其中的一些重要的化合物,如蛋白質(zhì)、核酸、小分子等對于空間生命科學研究極其重要。然而在微重力環(huán)境下,一些地面上的常規(guī)處理方法很難用于空間環(huán)境中。目前,針對空間環(huán)境下的生物樣品處理,還沒有建立起一套系統(tǒng)的、自動化、一體化的分離裝置系統(tǒng)�；谳d人航天等國家重大科技工程和國家重大儀器開發(fā)專項任務的需求,本課題根據(jù)生物樣品處理的相關技術原理,在充分考慮空間環(huán)境特點的前提下,應用新方法、新技術對空間生物樣品處理技術及其自動化裝置進行了研究與開發(fā)。該裝置對于空間生物樣品的在線分析檢測具有十分重要的意義與價值�；趯臻g生物樣品處理原理樣機的研制,本論文從生物樣品處理關鍵技術,空間生物樣品處理裝置的設計,加工、集成及性能驗證等幾個方面展開研究。本論文的研究內(nèi)容及主要成果如下:(1)為了給空間生物樣品處理裝置的研制提供理論基礎與技術支持,實驗以Jurkat細胞與SH-SY5Y細胞為樣品,對其進行了關鍵處理技術的相關研究�？疾炝思毎逑春土呀獾臈l件,對裂解液組成進行了優(yōu)化,得到了用于同時有效提取蛋白與核酸的裂解體系。提出了一種化學-機械的聯(lián)合裂解方式,通過引發(fā)細胞截留膜表面的機械振動提高了裂解產(chǎn)物中核酸分子的含量。探索了超濾膜對胞內(nèi)生物大分子含量的影響,獲得了提取胞內(nèi)生物大分子的最適分離條件。建立了自由流電泳芯片和硼酸溫度敏感親和色譜柱的離線分離與檢測方法。通過對其分離性能的考察與優(yōu)化,實現(xiàn)了蛋白質(zhì)與核酸、DNA與RNA在原理上的有效分離,確立了較為有效的分離的條件。(2)系統(tǒng)論述了裝置總體、各模塊單元及關鍵部件的功能原理。詳細設計了裝置內(nèi)部的空間布局,管線連接、部件固定方式、運行流程等�？臻g生物樣品處理裝置主要由細胞處理模塊單元、超濾膜分離模塊單元、自由流電泳芯片模塊單元、硼酸色譜柱模塊單元及通訊模塊單元構成。對各模塊單元的物質(zhì)流與信息流進行了較為全面的設計。在物質(zhì)流系統(tǒng)中,對液體的儲存、切換及輸送裝置,各模塊單元的連接方式等進行了設計,并對裝置進行了冗余系統(tǒng)的構建。設計了通訊模塊及電路控制板,用于實現(xiàn)對裝置進行各種功能的調(diào)控,以及對不同運行參數(shù)的遠程控制與傳輸。(3)對生物樣品處理裝置中各功能模塊及部件進行了加工、組裝與集成,并對裝置的密封性、工作穩(wěn)定性、可控性及樣品處理性能進行了檢測與驗證。結(jié)果表明:生物樣品處理裝置結(jié)構合理,密封性能良好,各功能模塊運行穩(wěn)定,能夠?qū)崿F(xiàn)在線的實時監(jiān)控。通過各模塊單元對細胞樣品的連續(xù)化自動化處理,從各樣品收集袋中有效獲得了所需的分離產(chǎn)物。完成了空間生物樣品處理的原理樣機的研制,實現(xiàn)了生物樣品的自動化一體化的連續(xù)處理與分離,通過地面驗證確立了儀器運行的最佳運行流程與參數(shù)條件。
【關鍵詞】：生物樣品 生物樣品處理 細胞 蛋白質(zhì) 核酸 分離 裝置
【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】：Q6-3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-43
• 1.1 生物樣品處理概述14-15
• 1.2 生物樣品處理的關鍵技術15-32
• 1.2.1 細胞裂解技術15-18
• 1.2.2 膜分離技術18-22
• 1.2.3 微流控芯片技術22-25
• 1.2.4 色譜分離技術25-29
• 1.2.5 萃取技術29-32
• 1.3 生物樣品處理裝置的研究進展與發(fā)展趨勢32-38
• 1.3.1 細胞預處理裝置33-36
• 1.3.2 生物大分子分離裝置36-37
• 1.3.3 生物樣品處理裝置的研究趨勢37-38
• 1.4 空間生物樣品處理裝置的需求與研發(fā)策略38-40
• 1.4.1 空間生命科學的研究現(xiàn)狀38-39
• 1.4.2 空間生物樣品處理裝置的需求39
• 1.4.3 空間生物樣品處理裝置的研發(fā)策略39-40
• 1.5 論文的研究目的與研究內(nèi)容40-43
• 1.5.1 研究目的與意義40-41
• 1.5.2 研究內(nèi)容與技術框架41-43
• 第2章 生物樣品處理關鍵技術研究43-87
• 引言43
• 2.1 實驗43-60
• 2.1.1 細胞樣品43-44
• 2.1.2 試劑及耗材44-45
• 2.1.3 儀器45-46
• 2.1.4 樣品和試劑器皿的準備46-47
• 2.1.5 樣品定量與分析方法47-51
• 2.1.6 細胞的清洗51-52
• 2.1.7 細胞裂解時間的考察52
• 2.1.8 細胞裂解液體系的優(yōu)化52-54
• 2.1.9 細胞的化學-機械裂解方法54
• 2.1.10 超濾分離方法54
• 2.1.11 自由流電泳芯片的制備54-56
• 2.1.12 自由流電泳芯片的進樣分析與檢測56-57
• 2.1.13 硼酸色譜固定相的制備方法57-59
• 2.1.14 硼酸色譜固定相的表征方法59
• 2.1.15 硼酸色譜固定相的性能檢測59-60
• 2.2 結(jié)果與討論60-85
• 2.2.1 細胞的截留與清洗效果60-63
• 2.2.2 細胞裂解時間的確定63-64
• 2.2.3 裂解液組成對裂解產(chǎn)物的影響64-67
• 2.2.4 裂解方法的建立67-69
• 2.2.5 超濾膜提取生物大分子69-71
• 2.2.6 自由流電泳芯片的制備71-74
• 2.2.7 自由流電泳芯片離線檢測方法的建立74-75
• 2.2.8 自由流電泳芯片分離條件的考察75-77
• 2.2.9 硼酸溫度敏感色譜材料的制備與表征77-82
• 2.2.10 硼酸溫度敏感色譜材料的分離性能82-85
• 2.3 小結(jié)85-87
• 第3章 空間生物樣品處理裝置的設計87-110
• 引言87
• 3.1 總體任務要求87-91
• 3.1.1 樣機設計原理與功能87-88
• 3.1.2 裝置系統(tǒng)組成88-89
• 3.1.3 裝置運行流程89-90
• 3.1.4 設計軟件90-91
• 3.2 模塊單元設計91-100
• 3.2.1 機箱外型與內(nèi)部結(jié)構91-92
• 3.2.2 細胞預處理模塊92-95
• 3.2.3 超濾分離模塊95-96
• 3.2.4 自由流電泳芯片模塊96-97
• 3.2.5 溫度敏感硼酸色譜柱模塊97-100
• 3.3 系統(tǒng)流路的設計與控制100-104
• 3.3.1 管路的設計101-102
• 3.3.2 系統(tǒng)流路的控制102
• 3.3.3 多通固定裝置的設計102-103
• 3.3.4 儲液裝置的設計103-104
• 3.4 裝置接口設計104
• 3.5 通訊控制系統(tǒng)的設計104-107
• 3.5.1 控制電路板的設計105-106
• 3.5.2 數(shù)據(jù)通訊模塊設計106-107
• 3.5.3 上位機控制程序設計107
• 3.6 上位PC機界面設計107-108
• 3.7 冗余設計108-109
• 3.8 小結(jié)109-110
• 第4章 空間生物樣品處理裝置的集成與性能驗證110-136
• 引言110
• 4.1 實驗110-119
• 4.1.1 材料110-115
• 4.1.2 加工工藝分析115-116
• 4.1.3 機箱及固定件的加工116-117
• 4.1.4 儲液袋的制作與性能測試117
• 4.1.5 高壓模塊電源的集成與性能測試117-118
• 4.1.6 加熱制冷裝置的制備與性能測試118
• 4.1.7 裝置零部件的清洗118-119
• 4.1.8 裝置的集成119
• 4.1.9 裝置的樣品處理性能驗證119
• 4.2 結(jié)果與討論119-135
• 4.2.1 機箱箱體的加工119-121
• 4.2.2 功能模塊固定件的加工121-124
• 4.2.3 儲液袋的加工124-125
• 4.2.4 控制電路板的加工125-126
• 4.2.5 空間生物樣品處理裝置的集成126-128
• 4.2.6 加熱制冷裝置的性能測試128-130
• 4.2.7 高壓模塊電源的性能測試130
• 4.2.8 裝置的密封性能測試130-132
• 4.2.9 裝置的穩(wěn)定性能測試132-133
• 4.2.10 裝置的樣品處理性能性能評價133-135
• 4.3 小結(jié)135-136
• 結(jié)論與展望136-139
• 1.結(jié)論136-137
• 2.創(chuàng)新點137
• 3.對今后工作的建議與展望137-139
• 參考文獻139-148
• 附錄148-153
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單153-155
• 致謝155-156
• 作者簡介156

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 何黎平;幾種新鮮生物樣品的環(huán)境掃描電鏡觀察[J];電子顯微學報;2003年06期

2 可成友;譚鳳華;吳曉芳;彭小一;夏麗娜;金常雪;;生物樣品中微量元素硒的提取檢測研究進展[J];遼寧農(nóng)業(yè)科學;2009年02期

3 王君;;生物樣品預處理方法綜述與探究[J];科技資訊;2013年15期

4 黃欽;于勇;;不穩(wěn)定生物樣品的前處理[J];生物技術世界;2013年03期

5 ;低溫生物樣品儲存杜瓦[J];低溫與超導;1976年01期

6 唐希燦;石其賢;俞月桂;梁尤毅;;生物樣品中~(14)C 的氧瓶燃燒測定法[J];生物化學與生物物理進展;1979年05期

7 馬成龍;王素坤;趙珍義;胡予敏;周巖;;高氯酸-過氧化氫法消化液體樣品的研究[J];遼寧大學學報(自然科學版);1986年04期

8 楊先和;;含油脂量高的生物樣品的消化及其元素的測定[J];生物化學與生物物理進展;1987年02期

9 周正義，印天壽;生物樣品中鐵、錳、鋅，，銅快速分光光度測定法的研究[J];安徽農(nóng)業(yè)科學;1995年03期

10 鐘鳴文,計時華,黃幸紓,黃庭國,張和清,張德坤;生物樣品的微波濕法消解研究[J];浙江醫(yī)科大學學報;1997年05期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 黃真真;鄒冬璇;董斌;杭緯;黃本立;;高功率密度激光質(zhì)譜:生物樣品定性與定量元素分析的新技術[A];第六屆全國化學生物學學術會議論文摘要集[C];2009年

2 楊怡;張颯;張德添;汪寶珍;;避免掃描電鏡生物樣品污染方法[A];第二屆全國掃描電子顯微學會議論文集[C];2001年

3 何黎平;;幾種新鮮生物樣品的環(huán)境掃描電鏡觀察[A];第三屆全國掃描電子顯微學會議論文集[C];2003年

4 李善福;趙妍;;生物樣品預處理方法進展[A];2004年中國西部藥學論壇論文匯編（上冊）[C];2004年

5 成瓊;董蘭;杜陽;馬俊格;楊勇;余衛(wèi)國;蔣樹斌;;公斤級生物樣品微波灰化法與電爐-馬弗爐法的對比研究[A];第十三屆全國核化學與放射化學學術研討會論文摘要集[C];2014年

6 鄧冬莉;陳晨;侯曉玲;張繼友;;分子印跡整體柱纖維-固相微萃取-毛細管電泳場強放大堆積測定生物樣品中麻黃堿[A];中國化學會第十五屆全國有機分析及生物分析學術研討會論文集[C];2009年

7 曲斐;方志娥;尚京川;;高效液相法快速測定生物樣品中的視黃酸[A];2008年成渝藥學學術年會論文集[C];2008年

8 盧大勝;汪國權;溫憶敏;;C_(18)固相萃取與GC-MS對生物基質(zhì)樣品中有機錫的測定[A];2008年全國有機質(zhì)譜學術會議論文集[C];2008年

9 成瓊;;大容量生物樣品快速灰化裝置的研制[A];中國核科學技術進展報告（第二卷）——中國核學會2011年學術年會論文集第4冊（核材料分卷、同位素分離分卷、核化學與放射化學分卷）[C];2011年

10 徐松云;潘晨松;葉明亮;鄒漢法;;基于多孔硅陣列微芯片的生物樣品MALDI-TOF MS分析[A];第三屆全國微全分析系統(tǒng)學術會議論文集[C];2005年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 記者 袁于飛;“蛟龍?zhí)枴钡谝缓蕉潍@得豐富生物樣品[N];光明日報;2014年

2 特約記者 程秀娟;“海洋六號”首次同時獲取海底生物樣品及視像資料[N];中國海洋報;2014年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 石宇;空間生物樣品處理裝置的研制及其地面驗證[D];北京理工大學;2015年

2 李霽;基于生物樣品在線富集技術的臨床毛細管電泳方法學研究[D];第二軍醫(yī)大學;2013年

3 劉穎;生物材料中微量碘含量測定和分析方法的研究[D];東北師范大學;2010年

4 李迎;基于衍生化與LC-MS~n聯(lián)用研究生物樣品中難測定藥物的定量測定及其在藥代動力學中的應用[D];中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院;2010年

5 王羽;基于磁性微球限進功能化的新型生物樣品預處理技術[D];天津大學;2012年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 韓玲;衍生化法測定生物樣品中小分子巰基化合物的研究[D];延邊大學;2012年

2 杜天軍;環(huán)境和生物樣品中微量元素的原子光譜分析方法研究[D];鄭州大學;2006年

3 薛秀家;生物樣品中氚的前處理裝置的設計和環(huán)境樣品中氚水平調(diào)查[D];蘇州大學;2011年

4 徐麗麗;衍生化—液質(zhì)聯(lián)用法檢測生物樣品中化合物及其在藥代動力學中的應用[D];中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院;2008年

5 何怡;氣相色譜—質(zhì)譜法測定生物樣品中尼古丁和可替寧的方法學研究[D];中國疾病預防控制中心;2011年

6 朱麗;生物樣品及中藥制劑中中藥活性成分的聯(lián)用色譜分析[D];湖南大學;2009年

7 李曉靜;生物樣品中元素EMAX定量分析方法研究[D];北京林業(yè)大學;2010年

8 朱玉軍;生物樣品中常見鴉片類毒品的檢測技術研究[D];首都師范大學;2004年

9 孫寧;生物樣品中MCC-555定量分析及臨床前藥代動力學與毒代動力學研究[D];第二軍醫(yī)大學;2006年

本文編號：642110