细胞样品处理及分析检测关键技术小型化集成化研究

发布时间：2020-07-24 01:05

【摘要】：航天科技的发展和社会需求的增加,促进了空间技术和生物学研究的结合,诞生了空间生物学这一崭新的学科。世界各航天大国纷纷将空间生命科学研究当作航天科技发展的重要方向。空间生命科学仪器决定了发展空间生命科学的能力。空间生物样品处理和分析相关技术发展严重滞后,目前的空间生命科学研究难以突破飞行搭载、回收和地面分析的模式。造成这种局面是由多种因素决定的:首先,生物体系复杂,样品处理步骤繁琐,对人工操作依赖较大;其次,目前的样品处理和分析方法大多采用离线模式,自动化程度差;最后,现有的样品处理及分析技术和设备都是基于地面环境开发的,不能适应空间的特殊环境。因此发展集样品处理、分析、检测于一体的在轨分析系统已经成为未来空间生命科学发展不可或缺的重要组成部分。本文针对上述需求分析,对适应空间环境的细胞样品处理与分析检测关键技术进行了研究,建立了基于微孔滤膜截留的细胞样品处理技术,形成了一套原理样机,设计并开发了小型低功耗的发光二极管(LED)诱导荧光检测装置。本文的研究成果仅限于原理样机阶段,在设计上充分考虑了空间环境的特殊要求,实现了仪器的小型化、低功耗和自动化,对于力学环境等空间适应性研究,将由后续样机工程化阶段实现。本研究对于未来空间生物样品的在轨实时检测具有重要的基础性作用。论文主要内容包括:1、适应空间微重力环境的细胞样品处理原理样机的设计与开发:对空间细胞处理技术与设备进行了需求分析,提出了基于微孔滤膜截留技术的细胞清洗、裂解以及细胞内容物释放并对其进行衍生化的总体思路。从理论上进行了可行性分析,研制了一套原理样机,优化了样品衍生化条件,并进行了功能验证。整个装置采用模块化设计思想,具有小型化、集成化和自动化特征,为未来空间环境中细胞样品处理提供了一种可靠的技术和方法。2、正交型光路LED诱导荧光检测器的研制:研制了小型LED光纤光源,取代激光器作为激发光源,自主研发的高精度光纤-毛细管自校准平台保证了由多模光纤传导的激发光可以精准耦合进毛细管内的样品中,激发的荧光由垂直方向的物镜收集并传导至光电倍增管转换为电信号并放大,信号采集卡进行模数转换后,通过串口上传至上位机数据采集与处理程序,对荧光素钠的检测限可以达到10-8 mol/L水平。光纤的引入克服了空间位阻的影响,与传统的激光诱导荧光检测器相比,该装置具有体积小、重量轻、功耗低的优势,已经达到了荧光检测器小型化研究的预期目的。3、基于非平衡耦合光纤的LED诱导荧光检测器的研制:利用非平衡耦合光纤的特殊光路,将激发光路和荧光收集光路集成在一套光纤上。采用无窗激发模式,激发光直接照射在“V”型流路检测池中的荧光试剂中,避免了多次界面反射造成的损失,提高了激发光利用率,而且降低了杂散光进入荧光收集光路的概率,使检测灵敏度提高了一个数量级,对荧光素钠的检测限达到了10-9 mol/L水平。由于光路设计中未采用聚焦透镜,使得装置体积进一步减小。各器件均采用标准SMA接口,降低了装置的组装、调试、维修和扩展难度。改检测器的成功研制对荧光检测的空间应用具有重要的促进意义。4、小波变换在色谱数据降噪中的研究:依据塔板理论建立了仿真理想色谱模型,与实际采样得到的含噪声基线进行叠加,构建出加噪色谱模型,以此为对象考察了不同的阈值函数和阈值估计方法的降噪结果。以FITC衍生化的赖氨酸色谱图为对象,考察了采用不同小波基和分解层次降噪后的色谱峰高、峰面积以及信噪比情况,最终决定采用软阈值函数和Universal阈值估计方法,进行sym2小波12层降噪。与中值滤波结果对比,小波阈值降噪抑制噪声的能力更加出色,信噪比提高非常显著。小波阈值降噪方法的建立,有利于提高空间环境中低丰度生物样品的检测能力,对于拓展空间生物样品检测范围具有重要的促进作用。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q2-33

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