空间生物样品处理装置的研制及其地面验证

发布时间：2017-08-08 21:19

  本文关键词：空间生物样品处理装置的研制及其地面验证

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【摘要】：随着航天技术的进步,生命科学已经成为空间科学研究的重要领域。为此,许多科学家们正在着力将生物实验室搬向太空环境。生命科学始终离不开对生物样品的需求。为了满足分析检测的需要,往往要对生物样品进行一系列的处理,从而获得有效的目标分析物。然而在空间舱内,常常要面临操作空间狭小、有限的能源供给、微重力等不利条件。生物样品较短的保存时间使其很难在地面环境下处理后再送入太空环境中进行相关研究。因此,研制体积小、功耗低、自动化的生物样品处理装置成为了空间生命科学研究的发展需求。细胞作为生物体结构和功能的基本单位,其中的一些重要的化合物,如蛋白质、核酸、小分子等对于空间生命科学研究极其重要。然而在微重力环境下,一些地面上的常规处理方法很难用于空间环境中。目前,针对空间环境下的生物样品处理,还没有建立起一套系统的、自动化、一体化的分离装置系统。基于载人航天等国家重大科技工程和国家重大仪器开发专项任务的需求,本课题根据生物样品处理的相关技术原理,在充分考虑空间环境特点的前提下,应用新方法、新技术对空间生物样品处理技术及其自动化装置进行了研究与开发。该装置对于空间生物样品的在线分析检测具有十分重要的意义与价值。基于对空间生物样品处理原理样机的研制,本论文从生物样品处理关键技术,空间生物样品处理装置的设计,加工、集成及性能验证等几个方面展开研究。本论文的研究内容及主要成果如下:(1)为了给空间生物样品处理装置的研制提供理论基础与技术支持,实验以Jurkat细胞与SH-SY5Y细胞为样品,对其进行了关键处理技术的相关研究。考察了细胞清洗和裂解的条件,对裂解液组成进行了优化,得到了用于同时有效提取蛋白与核酸的裂解体系。提出了一种化学-机械的联合裂解方式,通过引发细胞截留膜表面的机械振动提高了裂解产物中核酸分子的含量。探索了超滤膜对胞内生物大分子含量的影响,获得了提取胞内生物大分子的最适分离条件。建立了自由流电泳芯片和硼酸温度敏感亲和色谱柱的离线分离与检测方法。通过对其分离性能的考察与优化,实现了蛋白质与核酸、DNA与RNA在原理上的有效分离,确立了较为有效的分离的条件。(2)系统论述了装置总体、各模块单元及关键部件的功能原理。详细设计了装置内部的空间布局,管线连接、部件固定方式、运行流程等。空间生物样品处理装置主要由细胞处理模块单元、超滤膜分离模块单元、自由流电泳芯片模块单元、硼酸色谱柱模块单元及通讯模块单元构成。对各模块单元的物质流与信息流进行了较为全面的设计。在物质流系统中,对液体的储存、切换及输送装置,各模块单元的连接方式等进行了设计,并对装置进行了冗余系统的构建。设计了通讯模块及电路控制板,用于实现对装置进行各种功能的调控,以及对不同运行参数的远程控制与传输。(3)对生物样品处理装置中各功能模块及部件进行了加工、组装与集成,并对装置的密封性、工作稳定性、可控性及样品处理性能进行了检测与验证。结果表明:生物样品处理装置结构合理,密封性能良好,各功能模块运行稳定,能够实现在线的实时监控。通过各模块单元对细胞样品的连续化自动化处理,从各样品收集袋中有效获得了所需的分离产物。完成了空间生物样品处理的原理样机的研制,实现了生物样品的自动化一体化的连续处理与分离,通过地面验证确立了仪器运行的最佳运行流程与参数条件。
【关键词】：生物样品 生物样品处理 细胞 蛋白质 核酸 分离 装置
【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】：Q6-3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-43
• 1.1 生物样品处理概述14-15
• 1.2 生物样品处理的关键技术15-32
• 1.2.1 细胞裂解技术15-18
• 1.2.2 膜分离技术18-22
• 1.2.3 微流控芯片技术22-25
• 1.2.4 色谱分离技术25-29
• 1.2.5 萃取技术29-32
• 1.3 生物样品处理装置的研究进展与发展趋势32-38
• 1.3.1 细胞预处理装置33-36
• 1.3.2 生物大分子分离装置36-37
• 1.3.3 生物样品处理装置的研究趋势37-38
• 1.4 空间生物样品处理装置的需求与研发策略38-40
• 1.4.1 空间生命科学的研究现状38-39
• 1.4.2 空间生物样品处理装置的需求39
• 1.4.3 空间生物样品处理装置的研发策略39-40
• 1.5 论文的研究目的与研究内容40-43
• 1.5.1 研究目的与意义40-41
• 1.5.2 研究内容与技术框架41-43
• 第2章 生物样品处理关键技术研究43-87
• 引言43
• 2.1 实验43-60
• 2.1.1 细胞样品43-44
• 2.1.2 试剂及耗材44-45
• 2.1.3 仪器45-46
• 2.1.4 样品和试剂器皿的准备46-47
• 2.1.5 样品定量与分析方法47-51
• 2.1.6 细胞的清洗51-52
• 2.1.7 细胞裂解时间的考察52
• 2.1.8 细胞裂解液体系的优化52-54
• 2.1.9 细胞的化学-机械裂解方法54
• 2.1.10 超滤分离方法54
• 2.1.11 自由流电泳芯片的制备54-56
• 2.1.12 自由流电泳芯片的进样分析与检测56-57
• 2.1.13 硼酸色谱固定相的制备方法57-59
• 2.1.14 硼酸色谱固定相的表征方法59
• 2.1.15 硼酸色谱固定相的性能检测59-60
• 2.2 结果与讨论60-85
• 2.2.1 细胞的截留与清洗效果60-63
• 2.2.2 细胞裂解时间的确定63-64
• 2.2.3 裂解液组成对裂解产物的影响64-67
• 2.2.4 裂解方法的建立67-69
• 2.2.5 超滤膜提取生物大分子69-71
• 2.2.6 自由流电泳芯片的制备71-74
• 2.2.7 自由流电泳芯片离线检测方法的建立74-75
• 2.2.8 自由流电泳芯片分离条件的考察75-77
• 2.2.9 硼酸温度敏感色谱材料的制备与表征77-82
• 2.2.10 硼酸温度敏感色谱材料的分离性能82-85
• 2.3 小结85-87
• 第3章 空间生物样品处理装置的设计87-110
• 引言87
• 3.1 总体任务要求87-91
• 3.1.1 样机设计原理与功能87-88
• 3.1.2 装置系统组成88-89
• 3.1.3 装置运行流程89-90
• 3.1.4 设计软件90-91
• 3.2 模块单元设计91-100
• 3.2.1 机箱外型与内部结构91-92
• 3.2.2 细胞预处理模块92-95
• 3.2.3 超滤分离模块95-96
• 3.2.4 自由流电泳芯片模块96-97
• 3.2.5 温度敏感硼酸色谱柱模块97-100
• 3.3 系统流路的设计与控制100-104
• 3.3.1 管路的设计101-102
• 3.3.2 系统流路的控制102
• 3.3.3 多通固定装置的设计102-103
• 3.3.4 储液装置的设计103-104
• 3.4 装置接口设计104
• 3.5 通讯控制系统的设计104-107
• 3.5.1 控制电路板的设计105-106
• 3.5.2 数据通讯模块设计106-107
• 3.5.3 上位机控制程序设计107
• 3.6 上位PC机界面设计107-108
• 3.7 冗余设计108-109
• 3.8 小结109-110
• 第4章 空间生物样品处理装置的集成与性能验证110-136
• 引言110
• 4.1 实验110-119
• 4.1.1 材料110-115
• 4.1.2 加工工艺分析115-116
• 4.1.3 机箱及固定件的加工116-117
• 4.1.4 储液袋的制作与性能测试117
• 4.1.5 高压模块电源的集成与性能测试117-118
• 4.1.6 加热制冷装置的制备与性能测试118
• 4.1.7 装置零部件的清洗118-119
• 4.1.8 装置的集成119
• 4.1.9 装置的样品处理性能验证119
• 4.2 结果与讨论119-135
• 4.2.1 机箱箱体的加工119-121
• 4.2.2 功能模块固定件的加工121-124
• 4.2.3 储液袋的加工124-125
• 4.2.4 控制电路板的加工125-126
• 4.2.5 空间生物样品处理装置的集成126-128
• 4.2.6 加热制冷装置的性能测试128-130
• 4.2.7 高压模块电源的性能测试130
• 4.2.8 装置的密封性能测试130-132
• 4.2.9 装置的稳定性能测试132-133
• 4.2.10 装置的样品处理性能性能评价133-135
• 4.3 小结135-136
• 结论与展望136-139
• 1.结论136-137
• 2.创新点137
• 3.对今后工作的建议与展望137-139
• 参考文献139-148
• 附录148-153
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单153-155
• 致谢155-156
• 作者简介156

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