电场对蛋白质和病毒溶液及细胞悬浮液非均匀体系的作用

摘要

蛋白质和病毒溶液及细胞悬浮液等生物非均匀体系是现代生物学、电学交叉领域内重要的研究对象.生物非均匀体系的研究中比较成熟的有生物电穿孔、电泳等技术,而利用弱电场进行测量的介电谱技术经过多年的研究和发展,理论逐步完善,其应用越来越广泛.近年来,高强度超短脉冲的作用引起人们的注意,该领域的研究已经取得了成果. 对测量误差进行修正和补偿是介电谱测量蛋白质和病毒溶液及细胞悬浮液等生物非均匀体系应用中的重要步骤,而电极极化又是误差最重要的来源.现有的数学模型修正方法各式各样,本文根据电极极化的成因推导了电极极化的表达方程,利用该方程,解释各种数学修正模型的理论依据和相互间的联系.除电极极化外,介电谱测量中的其它误差来源和修正方法也在文中得到了进一步的分析和讨论. 介电谱已有的应用只要是针对悬浮细胞的--测量悬浮细胞的特性或监测其培养过程,并根据需要开发了两电极、四电极和电磁感应电极,但在实验室中大量应用的贴壁细胞的培养过程的监测仍然未能实现.文中参考了悬浮细胞测量电极的结构,根据介电谱测量的基本原理,设计了可用于监测贴壁细胞培养过程的电极,并提出对应的误差修正方法.与离线计数方法的对比实验,表明该电极达到了预期的设计目标,具有较高的测量精度. 根据实验条件和测量要求,本文还设计了两种不同类型实验的测量电极--开放式大平板电极和封闭式小电极.大平板电极适合于测量大量的试样,而封闭式小电极适合于测量微小体积如细胞悬浮液的介电谱.根据由这些电极测量的白蛋白溶液和病毒溶液的介电谱,可以分析这些溶液的极化类型、浓度差异等特性. 另一方面,强电场对细胞悬浮液非均匀体系作用的研究进行已久,而超短高强脉冲对细胞的特殊作用引起关注,有望成为肿瘤治疗的新途径.虽然已有用于计算外加电场与细胞透膜电压关系的模型,但本文根据介电谱理论提出的电阻一电容的回路模型更清晰的表明了外加电场的上升快慢和强度与细胞结构的关系,计算速度更快速,计算对象更全面. 除对细胞外,本文还利用介电谱分析了强电场对蛋白质和病毒溶液的作用.对白蛋白溶液和病毒溶液的电场作用表明白蛋白和病毒颗粒在溶液中为偶极子,随外交变电场的作用而转动,并不同程度的发生解体.不同斜率电场对细胞作用机理的不同,本文使用1μs和lOOns脉冲作用于悬浮细胞.通过对脉冲数目、脉冲强度和脉冲作用后的时间对细胞死亡率的分析表明,两种脉冲的致死原理是不同的.透膜电压模型分析表明,1μs脉冲作用于细胞外膜,100ns脉冲作用于内膜结构,如线粒体膜.

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第一章 绪论

1.1生物非均匀体系的特征与构成

1.2电场对生物非均匀体系的极化过程

1.2.1电子位移极化和转向极化过程

1.2.2界面极化

1.3弱电场作用

1.3.1介电谱

1.3.2介电谱理论

1.3.3介电谱技术的现有应用

1.4强电场作用

1.4.1细胞膜的临界膜电位

1.4.2电穿孔的形成过程

1.4.3高强超短脉冲电场的特殊作用

1.4.4高场强脉冲特殊作用原理初探

1.5本文的研究内容

第二章 应用弱电场的测量技术

2.1电极极化

2.1.1电极极化过程

2.1.2电极极化的解析模型分析

2.1.3修正电极极化的经验数学方法

2.1.4改进测量方法修正电极极化

2.1.5无极化电极

2.2电极回路的杂散耦合

2.3测量仪器

2.4本章小结

第三章 弱电场实验——介电谱测量

3.1测量电极

3.1.1 电极类型

3.1.2开放式大平板电极

3.1.3封闭式小电极

3.1.4贴壁细胞培养监测电极(银线电极)

3.2介电谱测量蛋白质和病毒溶液特性——开放式平板电极

3.2.1纯净物的测量

3.2.2无界面极化生物溶液的测量

3.2.3 对不同浓度蛋白溶液的测量

3.2.4病毒结构的介电谱

3.3介电谱测量细胞悬浮液特性——封闭式小电极

3.3.1 细胞悬浮液介电谱的测量

3.3.2细胞参数的计算

3.4介电谱测量贴壁细胞特性——银线电极

3.4.1试样准备

3.4.2数据修正

3.4.3 电容电导随频率的变化关系

3.4.4代谢产物随频率的变化关系

3.4.5 电容与细胞量的线性关系

3.5本章小结

第四章 强电场对细胞作用的模型与计算

4.1计算跨膜电压的现有模型

4.2集总参数法

4.3细胞模型

4.4回路模型与参数计算

4.5阶跃电场作用后的跨膜电压

4.5.1跨膜电压的计算

4.5.2选择性作用于线粒体

4.5.3选择性作用于恶性细胞

4.6斜坡电压作用后的跨膜电压

4.6.1选择性地作用于线粒体

4.6.2选择性地作用于恶性细胞

4.7电极极化的影响

4.8本章小结

第五章 强电场对蛋白质、病毒溶液和细胞悬浮液非均匀体系作用的实验

5.1电场对生物大分子的作用

5.2电场对病毒颗粒的作用

5.3脉冲电场对细胞的作用

5.3.1 实验装置与仪器

5.3.2实验结果与分析

5.3.3跨膜电压的计算分析

5.4本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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