空间生物样品处理装置的研制及其地面验证.pdf

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1、空间生物样品处理装置的研制及其地面验证石宇2015年12月中图分类号：UDC分类号：空间生物样品处理装置的研制及其地面验证作者姓名石宇学院名称生命学院指导教师戴荣继教授答辩委员会主席李莹辉研究员申请学位工学博士学科专业生物化工学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月DevelopmentofBiologicalSampleProcessingEquipmentandGroundVerificationCandidateName：YuShiSchoolorDepartment:SchooloflifescienceFacultyMentor:Pr

2、of.RongjiDaiChair,ThesisCommittee：ResearcherYinghuiLiDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：BiochemistryEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：December，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获

3、得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文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

4、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

5、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

6、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I北京理工大学博士学位论文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

7、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

8、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