一种空间生物样品微处理集成装置论文和设计-戴荣继

全文摘要

本实用新型提供了一种空间生物样品微处理集成装置，装置由样品处理单元、大小分子分离单元、蛋白核酸分离单元、DNA\/RNA分离单元依次连接，样品处理单元用于将样品细胞清洗、裂解和除杂；大小分子分离单元用于分离裂解液中的大分子和小分子物质；蛋白核酸分离单元用于将大分子分离液中分离出蛋白质和核酸；DNA\/RNA分离单元用于从核酸分离液中分离出DNA和RNA。本实用新型采用一体化、集成化的装置，能够在航天微重力的条件下完成生物样品的分离、分析，所有环节均在封闭液路环境下进行操作，并且具有较强抗震效果适合地面及航空环境下的分离分析。

主设计要求

1.一种空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述装置由样品处理单元、大小分子分离单元、蛋白核酸分离单元、DNA\/RNA分离单元依次连接，所述样品处理单元用于将样品细胞清洗、裂解和除杂；所述大小分子分离单元用于分离裂解液中的大分子和小分子物质；所述蛋白核酸分离单元用于将大分子分离液中分离出蛋白质和核酸；所述DNA\/RNA分离单元用于从核酸分离液中分离出DNA和RNA。

设计方案

2.根据权利要求1所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述装置设有信息处理单元，用于控制各个单元中的管路通断和液体流动。

3.根据权利要求2所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述样品处理单元包括上下连接的处理池和除杂池，处理池的上部由第一过滤膜封闭，第一过滤膜上设有管路接口，在处理池中对样品进行清洗、裂解；除杂池的上部由第二过滤膜封闭，第二过滤膜上设有管路接口，通过第二过滤膜对裂解液进行除杂，除杂池的下游连接所述大小分子分离单元。

4.根据权利要求3所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述第一过滤膜的孔径为5-20μm，第二过滤膜的孔径为0.3-0.5μm。

5.根据权利要求2所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述大小分子分离单元设有超滤池，所述超滤池上部通过超滤膜封闭，超滤膜上设有管路接口，在超滤池的上游分别设有柱塞泵和大分子收集池，所述柱塞泵对裂解液加压，由超滤膜分离大小分子物质。

6.根据权利要求5所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，在所述超滤池下游连接缓冲液进入管，大分子反向流向大分子收集池，大分子收集池下游连接所述蛋白核酸分离单元。

7.根据权利要求5所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述柱塞泵提供压强为0.5-1Mpa，所述超滤膜的孔径为5-15KD。

8.根据权利要求2所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述蛋白核酸分离单元设有自由流电泳芯片，所述芯片两侧设有正、负电极，在电极之间设有电极液通道和分离通道，在芯片上部中间位置设有大分子分离液入口，在芯片下部的等电点相应位置分别设有蛋白质、核酸出口，所述核酸出口处与DNA\/RNA分离单元相连接。

9.根据权利要求8所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，在所述自由流电泳芯片上设有若干固定螺孔，在自由流电泳芯片两侧还设有两个带有卡槽的固定块，在固定块上与芯片的固定螺孔对应位置上设有卡槽固定螺孔，能够将固定块与自由流电泳芯片通过卡槽和螺孔固定连接。

10.根据权利要求2所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述DNA\/RNA分离单元包括温敏色谱柱、用于容置色谱柱的垫板、设置于垫板上方的盖板，垫板、盖板将色谱柱夹持固定，在垫板下方设置温控电热片，通过改变温敏色谱柱的温度分别洗脱DNA分离液和RNA分离液。

11.根据权利要求10所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，所述温敏色谱柱为含有硼酸基团的苯硼酸温敏色谱柱，当色谱柱温度为5-15℃时洗脱DNA分离液，当色谱柱温度为45-55℃时，洗脱RNA分离液。

12.根据权利要求11所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，在所述温控电热片下方设有若干散热片，在温控电热片降温时加快散热速度。

13.根据权利要求3所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，在所述样品处理单元中，分别通过泵将样品、清洗液、裂解液输送至所述处理池，处理池连接有废液收集池，用于收集处理池流出的清洗液，在处理池和除杂池之间的管路上设有通断阀，除杂池连接柱塞泵。

14.根据权利要求6所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，在所述大小分子分离单元中，所述超滤池下游还连接小分子收集池，在超滤池和小分子收集池、大分子收集池之间分别设有通断阀，所述缓冲液进入管通过泵连接有缓冲液储液池。

15.根据权利要求8所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，在蛋白质分离单元中，分别通过泵将电极液、缓冲液、大分子分离液接入相应入口，电极液通道下游设有电极液出口，在所述电极液出口、蛋白质出口及核酸出口处分别设有阻尼阀，并分别连接电极液收集池、蛋白质收集池、核酸收集池、所述核酸收集池连接DNA\/RNA分离单元。

16.根据权利要求10所述的空间生物样品微处理集成装置，其特征在于，在所述DNA\/RNA分离单元中，所述温敏色谱柱还连接流动相储液池，分别通过泵将流动相、核酸分离液输送至温敏色谱柱，温敏色谱柱下游分别连接有DNA收集池和RNA收集池，并分别通过通断阀控制管路通断。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于生物样品微处理的研究领域，具体涉及一种空间生物样品微处理的集成装置。

背景技术

在生命科学和航天技术日益发达的今天，空间生命科学已经成为越来越重要的研究领域。目前，欧美发达国家纷纷将实验室搬向太空，已经开展了许多领域的空间试验，如：细胞培养，生物反应器装置，PCR等。我国空间站也将在2022年建成，但我们国家针对空间微重力环境下，生物样品分离特别是细胞样品的在线处理及各种大分子小分子分离方面，还没有一套完整的装置系统能够独立完成。

因此有必要根据一定的技术原理，既能满足地面自动化、集成化的生物研究需求，又能针对载人航天等国家重大科技工程的需求，应用新技术新方法并充分考虑空间环境适应性要求，研制开发一种能对空间细胞等生物样品进行自动化、一体化分离的装置。

实用新型内容

为了克服现有技术上的问题，本实用新型提供一种能够在空间微重力环境下运行的，从生物样品中分离生物小分子，蛋白质，DNA和RNA的微处理集成装置。

本实用新型提供以下技术方案：

一种空间生物样品微处理集成装置，所述装置由样品处理单元、大小分子分离单元、蛋白核酸分离单元、DNA\/RNA分离单元依次连接，所述样品处理单元用于将样品细胞清洗、裂解和除杂；所述大小分子分离单元用于分离裂解液中的大分子和小分子物质；所述蛋白核酸分离单元用于将大分子分离液中分离出蛋白质和核酸；所述DNA\/RNA分离单元用于从核酸分离液中分离出DNA和RNA。

进一步地，所述装置设有信息处理单元，用于控制各个单元中的管路通断和液体流动。

进一步地，所述样品处理单元包括上下连接的处理池和除杂池，处理池的上部由第一过滤膜封闭，第一过滤膜上设有管路接口，在处理池中对样品进行清洗、裂解；除杂池的上部由第二过滤膜封闭，第二过滤膜上设有管路接口，通过第二过滤膜对裂解液进行除杂，除杂池的下游连接所述大小分子分离单元。

进一步地，所述第一过滤膜的孔径为5-20μm，第二过滤膜的孔径为0.3-0.5μm。

进一步地，所述大小分子分离单元设有超滤池，所述超滤池上部通过超滤膜封闭，超滤膜上设有管路接口，在超滤池的上游分别设有柱塞泵和大分子收集池，所述柱塞泵对裂解液加压，由超滤膜分离大小分子物质。

进一步地，在所述超滤池下游连接缓冲液进入管，大分子反向流向大分子收集池，大分子收集池下游连接所述蛋白核酸分离单元。

进一步地，所述柱塞泵提供压强为0.5-1Mpa，所述超滤膜的孔径为5-15KD。

进一步地，所述蛋白核酸分离单元设有自由流电泳芯片，所述芯片两侧设有正、负电极，在电极之间设有电极液通道和分离通道，在芯片上部中间位置设有大分子分离液入口，在芯片下部的等电点相应位置分别设有蛋白质、核酸出口，所述核酸出口处与DNA\/RNA分离单元相连接。

进一步地，在所述自由流电泳芯片上设有若干固定螺孔，在自由流电泳芯片两侧还设有两个带有卡槽的固定块，在固定块上与芯片的固定螺孔对应位置上设有卡槽固定螺孔，能够将固定块与自由流电泳芯片通过卡槽和螺孔固定连接。

进一步地，所述DNA\/RNA分离单元包括温敏色谱柱、用于容置色谱柱的垫板、设置于垫板上方的盖板，垫板、盖板将色谱柱夹持固定，在垫板下方设置温控电热片，通过改变温敏色谱柱的温度分别洗脱DNA分离液和RNA分离液。

进一步地，所述温敏色谱柱为含有硼酸基团的苯硼酸温敏色谱柱，当色谱柱温度为5-15℃时洗脱DNA分离液，当色谱柱温度为45-55℃时，洗脱RNA分离液。

进一步地，在所述温控电热片下方设有若干散热片，在温控电热片降温时加快散热速度。

进一步地，在所述样品处理单元中，分别通过泵将样品、清洗液、裂解液输送至所述处理池，处理池连接有废液收集池，用于收集处理池流出的清洗液，在处理池和除杂池之间的管路上设有通断阀，除杂池连接柱塞泵。

进一步地，在所述大小分子分离单元中，所述超滤池下游还连接小分子收集池，在超滤池和小分子收集池、大分子收集池之间分别设有通断阀，所述缓冲液进入管通过泵连接有缓冲液储液池。

进一步地，在蛋白质分离单元中，分别通过泵将电极液、缓冲液、大分子分离液接入相应入口，电极液通道下游设有电极液出口，在所述电极液出口、蛋白质出口及核酸出口处分别设有阻尼阀，并分别连接电极液收集池、蛋白质收集池、核酸收集池、所述核酸收集池连接DNA\/RNA分离单元。

进一步地，在所述DNA\/RNA分离单元中，所述温敏色谱柱还连接流动相储液池，分别通过泵将流动相、核酸分离液输送至温敏色谱柱，温敏色谱柱下游分别连接有DNA收集池和RNA收集池，并分别通过通断阀控制管路通断。

采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型采用一体化、集成化的装置，能够在航天微重力的条件下完成生物样品的分离、分析，所有环节均在封闭液路环境下进行操作，并且具有较强抗震效果；

2、本实用新型的装置能够将空间的生物样品(细胞、血浆等)经过空间生物样品微处理装置分离，得到生物小分子，蛋白质，DNA和RNA。该装置体积小、功耗低且全自动化的一体式空间生物样品微处理仪器。

3、本实用新型装置不仅能够在空间微重力条件下对空间生物样品进行分离，也可以应用于地面工业或者实验室需求。

4、在本实用新型的DNARNA分离单元中，苯硼酸温度敏感色谱组件能够自动分离带有顺势二羟基结构的RNA,免去了分离DNA、RNA时，对环境和宇航员复杂操作。

5、本实用新型装置在有限空间，有限的能源供给下，进行空间样品的分离分析，为空间生命科学研究提供各种各样的目标物。

6、本实用新型的核酸蛋白质分离单元中，微流控自由流电泳芯片组件能够在空间微重力下，连续快速的分离蛋白质核酸，且对蛋白质和核酸没有损害。

附图说明

图1是本发实施例中样品处理单元的结构示意图；

图2是本发实施例中大小分子分离单元的结构示意图；

图3是本发实施例中蛋白核酸分离单元的结构示意图；

图4是本发实施例中蛋白核酸分离单元的固定块的结构示意图；

图5是本发实施例中DNA\/RNA分离单元的结构示意图。

其中：101、第一过滤膜，102、处理池，103、第二过滤膜，104、除杂池，201、超滤膜，202、超滤池，301、正(负)极，302、负(正)极，303、电极液入口，304、缓冲液入口，305、大分子分离液入口，306、电极液出口，307、蛋白质出口，308、核酸出口，309、固定螺孔，310、固定块，311、卡槽，401，盖板、402、温敏色谱柱，403、垫板，404、温控电热器，405、散热片。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的结构图及具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

空间生命科学的许多研究需要在太空中完成，需要对生物样品进行在线分离分析，针对不同的研究目标，需要不同的样品分离产物，由于太空环境是微重力条件，开发一套在太空微重力下的微量样品进行高集成化全自动的分离分析装置具有重要意义。

本实用新型与提供了一种空间生物样品微处理集成装置，装置由样品处理单元、大小分子分离单元、蛋白核酸分离单元、DNA\/RNA分离单元依次连接，样品处理单元用于将样品细胞清洗、裂解和除杂；大小分子分离单元用于分离裂解液中的大分子和小分子物质；蛋白核酸分离单元用于将大分子分离液中分离出蛋白质和核酸；DNA\/RNA分离单元用于从核酸分离液中分离出DNA和RNA。优选地，本装置还设有信息处理单元，用于控制各个单元中阀门和泵的开关从而控制管路通断和液体流动。

实施例2

如图1所示，本实用新型集成装置的样品处理单元包括上下连接的处理池102和除杂池104，处理池的上部由第一过滤膜101封闭，第一过滤膜上设有管路接口，在处理池中对样品进行清洗、裂解；除杂池的上部由第二过滤膜103封闭，第二过滤膜上设有管路接口，通过第二过滤膜对裂解液进行除杂，除杂池的下游连接大小分子分离单元。优选地，第一过滤膜的孔径为5-20μm，第二过滤膜的孔径为0.3-0.5μm。

在样品处理单元中，分别通过泵将样品、清洗液、裂解液输送至处理池，处理池连接有废液收集池，用于收集处理池流出的清洗液，在处理池和除杂池之间的管路上设有通断阀，除杂池连接柱塞泵。

操作时，将样品液加入到细胞处理池中，打开废液收集泵和废液收集阀，去除样品里面的溶液，一定时间后，关闭泵。打开清洗液加入泵，对细胞进行清洗，一定时间后，关闭泵，打开废液收集泵和废液收集阀，去除样品清洗的废液，一定时间后，关闭泵，可以根据情况选择清洗次数。打开裂解液加入泵，将裂解液运输到细胞处理池中，对细胞进行裂解，一定时间后，关闭泵。打开柱塞泵和除杂阀，将裂解后的样品液从处理池进入除杂池，进行除杂，再进入到下面一个单元。

实施例3

如图2所示，本实用新型集成装置的大小分子分离单元设有超滤池202，超滤池上部通过超滤膜201封闭，超滤膜上设有管路接口，在超滤池的上游分别设有柱塞泵和大分子收集池，柱塞泵对裂解液加压通过超滤膜，由超滤膜分离大小分子物质。在超滤池下游连接缓冲液进入管，缓冲液自下而上，将大分子反向流向大分子收集池，大分子收集池下游连接蛋白核酸分离单元。优选地，柱塞泵提供压强为0.5-1Mpa，超滤膜的孔径为5-15KD。

在大小分子分离单元中，超滤池下游还连接小分子收集池，在超滤池和小分子收集池、大分子收集池之间分别设有通断阀，缓冲液进入管通过泵连接有缓冲液储液池。

操作时，将缓冲液运输到储存池，打开柱塞泵和小分子收集阀，分离液通过超滤膜对小分子和大分子进行分离，小分子溶液进入到小分子收集池，一定时间后关闭；打开缓冲液加入泵和大分子收集阀，缓冲液将超滤膜上被阻留的大分子反冲进大分子收集池，一定时间后关闭，收集大分子溶液。

实施例4

如图3、图4所示，本实用新型集成装置的蛋白核酸分离单元设有自由流电泳芯片，芯片两侧设有正、负电极301、302，在电极之间设有电极液通道和分离通道，上游设有电极液入口303和缓冲液入口304，在芯片上部中间位置设有大分子分离液入口305，在芯片下部的等电点相应位置分别设有蛋白质、核酸出口307、308，核酸出口处与DNA\/RNA分离单元相连接。

在自由流电泳芯片上设有若干固定螺孔309，在自由流电泳芯片两侧还设有两个带有卡槽311的固定块310，在固定块上与芯片的固定螺孔对应位置上设有卡槽固定螺孔，能够将固定块与自由流电泳芯片通过卡槽和螺孔固定连接。

在蛋白质分离单元中，分别通过泵将电极液、缓冲液、大分子分离液接入相应入口，电极液通道下游设有电极液出口306，在电极液出口、蛋白质出口及核酸出口处分别设有阻尼泵，并分别连接电极液收集池、蛋白质收集池、核酸收集池、核酸收集池连接DNA\/RNA分离单元。

操作时，先打开电极液加入泵、缓冲液加入泵、电极液阻尼阀和废液收集阀，排除芯片里面的气泡，一定时间后，同时打开高压电源、大分子加入泵、核酸阻尼阀、蛋白质阻尼阀，使自由流电泳芯片电压在50-200V，进行蛋白质核酸的分离，一定时间后关闭所有的泵阀，分别收集蛋白质分离液及核酸分离液。

实施例5

如图5所示，本实用新型的集成装置的DNA\/RNA分离单元包括温敏色谱柱402、用于容置色谱柱的垫板403、设置于垫板上方的盖板401，垫板、盖板将色谱柱夹持固定，在垫板下方设置温控电热片404，通过改变温敏色谱柱的温度分别洗脱DNA分离液和RNA分离液。苯硼酸温度敏感色谱柱是含有硼酸基团的温度敏感材料(例如：silica@p(NIPAAm-co-DMAEMA-co-VPBA),silica@p(NIPAAm-co-VPBA))，与RNA的作用机制是硼酸基团的B能够与RNA的顺势二羟基结构形成配位形成环状酯，当在较低温度下，硼酸基团与RNA作用，达到捕获效果，当升高到一定温度，温度敏感材料结构发生卷曲，链断裂，RNA被释放出来，因此能够对RNA进行捕获。当色谱柱温度为5-15℃时洗脱DNA分离液，当色谱柱温度为45-55℃时，洗脱RNA分离液。在所述温控电热片下方设有若干散热片405，在温控电热片降温时加快散热速度。

应当理解的是，在本实用新型中对色谱柱的填充物选择是多样的，根据不同的分离需要可选择不同的填充物，并且对色谱柱的数量也可以根据分离需要进行不同选择。

在DNA\/RNA分离单元中，温敏色谱柱还连接流动相储液池和流动相废液池，分别通过泵将流动相、核酸分离液输送至温敏色谱柱，温敏色谱柱下游分别连接有DNA收集池和RNA收集池，并分别通过通断阀控制管路通断。

操作时，打开流动相加入泵、流动相废液阀、废液收集阀，控制温度敏感色谱装置的温度在5-15℃，一定时间色谱分离后，关闭流动相废液阀和废液收集阀，打开核酸加入泵和DNA收集阀，进行DNA收集，一定时间后，关闭所有的泵阀；升高温度敏感色谱装置的温度在45-55℃，打开流动相加入泵和RNA收集阀，进行RNA收集，一定时间后，关闭流动相加入泵和RNA阀。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

设计图

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