Das Multifunktions-Bioanalysegerät ist ein komplexes Instrument, das eine Vielzahl von Analysetechnologien integriert, um die mehrdimensionale, hohe Durchsatzprüfung von Bioproben durch ein modulares Design zu ermöglichen. Das zentrale Ziel ist es, die Einschränkungen einer einzigen Technologie in der Analyse komplexer biologischer Systeme zu beheben und umfassendere Datenunterstützung für die Forschung in den Lebenswissenschaften, die Diagnose von Krankheiten und die Entwicklung von Arzneimitteln zu bieten. Im Folgenden werden sowohl die Komponenten als auch das Arbeitsprinzip näher erläutert.
I. Komponenten
1. Probenahme und Vorbehandlungssystem
- Automatisches Probenahmemodul: Ausgestattet mit hochpräzisen Roboterarmen und Probenplatten, unterstützt die automatisierte Beladung von flüssigen, festen und flüchtigen Proben und ist kompatibel mit Probenbehältern in mehreren Formaten (z. B. Mikroporenplatten, Zentrifugerrohre usw.).
- Vorbehandlungseinheit: Integrierte Erwärmung, Oszillation, Zentrifuge und andere Funktionen, die die Vorbehandlungsschritte der Zelltrennung, der Proteinextraktion und der Nukleinsäurereinigung abschließen können, einige Modelle sind auch mit Online-Verdünnung oder Derivationsfunktion ausgestattet.
- Probenverteilungssystem: Mikro-Upgrade-Präzisionsprobenaufnahme durch eine hochpräzise Persistenzpumpe oder Injektionspumpe, um Kreuzverschmutzung zu vermeiden.
2. Trennungs- und Anreicherungssysteme
Multimode Trennmodule:
- Chromatografische Trenneinheit: Enthält Flüssigphasenchromatografie (HPLC), Gaschromatografie (GC) oder Kapillareelektrophorese (CE) Systeme, die die Gegenphase-, Ionenaustausch- oder Gelpenetrationschromatografie-Säulen je nach Zielstoffeigenschaften auswählen.
- Elektrische Feldtrennungsvorrichtung: zur Trennung von geladenen Teilchen wie Nukleensäuren, Proteinen und anderen, die die Elektrophorese mit Impulsfeld oder die 2D-Elektrophorese unterstützt.
- Festphasenextraktionssäule (SPE): für die selektive Anreicherung von Objekten in der Probe zur Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit.
- Miniaturisierte Flussbecken: Anwendung von Nano- oder Mikro-Fluid-Technologien zur Reaktionssystemsteuerung auf Sub-Mikro-Level.
3. Multimodale Prüfsysteme
Optische Prüfmodul:
- Fluoreszenz-/Phosphoreszenzdetektor: zur Quantifizierung von Spuren-DNA, Proteinen und kleinen Molekülen-Metaboliten mit einer Empfindlichkeit auf Einzelmolekularenebene.
- Raman-Spektrometer: Identifizierung von Stoffstrukturen durch molekulare Vibrationsfingerabdrücke, geeignet für nicht-destruktive Tests ohne Kennzeichnung.
Surface Plasma Resonance (SPR) Sensor: Überwachen Sie in Echtzeit biomolekulare Wechselwirkungen (z. B. Antigen-Antikörper-Bindungen).
- Massenspektrumprüfeinheit:
- Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization - Flight Time Massespektroskopie (MALDI-TOF MS): zur proteomischen Analyse.
Induktiv gekoppeltes Plasma-Massenspektrum (ICP-MS): Erkennung von Metallelementen und Metallproteinkomplexen.
- Elektrochemische Sensor-Array: Erfassung der Elektrolytkonzentration durch Änderungen des Oxidationsreduktionsstroms für eine schnelle Blutzucker- oder Ionenüberwachung.
4. Gemeinsame technische Schnittstellen
- Chromatografie-Massenspektrometrie-Schnittstelle (LC-MS): Online-Massenspektrometrie der getrennten Komponenten mittels einer Elektrosprüh-Ionenquelle (ESI) oder einer atmosphärischen chemischen Ionenquelle (APCI).
- Spektrum-Massenspektrum-Synergiesystem: Synchronisierte Erfassung von optischen Signalen mit Massenspektrumdaten durch Faserkoppelung zur Verbesserung der Genauigkeit der Identifizierung von Verbindungen.
Multidimensionale Datenkonvergenz-Plattform: Integration von Rohdaten aus verschiedenen Erkennungsmodulen, Algorithmen zur Signalkompensation und Rauschfilterung.
Intelligente Steuerung und Datenanalyse
- Touch-Bedienterminal: Unterstützt die grafische Programmierung des vorgegebenen Experimentablaufs, so dass der Benutzer die Messreihenfolge und die Kombination von Parametern anpassen kann.
Assistenzsoftware für künstliche Intelligenz:
- Adaptive Optimierungsalgorithmus: Automatische Anpassung der Trennungsgradienten oder der Erkennungsempfindlichkeit an die Probenantwort.
Machine Learning Library: Schnelle Prüfung und Vorhersage des Unbekannten im Vergleich zu historischen Daten.
Cloud-Datenmanagement: Unterstützt das Hochladen von Experimentsdaten in Echtzeit in ein Labor Information Management System (LIMS) und die Erstellung von GLP-konformen Berichten.
II. Arbeitsprinzip
1. Probenbehandlung und Probenaufnahme
- Die Originalprobe wird nach der automatisierten Vorbearbeitung durch das Probeneinsatzsystem präzise in das Trennmodul eingespritzt. Beispielsweise wird die Serumprobe durch die SPE-Säule mit hoher Fülle an Proteinen entfernt und die Zielmetabolite werden angereichert, nachdem sie in das flüssige Chromatogrammsystem gelangen.
2. Mehrdimensionale Trennung und Signalaufnahme
- Raumliche Trennung: Die Chromatografie-Säule trennt die Mischung nach Polaritätsdifferenz, wie die C18-Gegenphase-Säule kann fettlösliche Vitamine von wasserlöslichen Stoffwechseln unterscheiden.
- Zeitliche Auflösungsprüfung: Fluoreszenzdetektoren erfassen das Anregungssignal des Markers bei bestimmten Wellenlängen, während das Massenspektrometer das Ionenmassenverhältnis durch Flugzeitdifferenzen bestimmt.
- Parallelanalyse: Die gleiche Probe fließt durch verschiedene Detektoren (z. B. UV-Absorption und Raman-Spektrum), um Konzentrations- und Strukturinformationen synchron zu erhalten.
3. Datenverbindung und komplementäre Analyse
- Qualitative und quantitative Synergie: Massenspektrum liefert genaue Informationen über das Molekulargewicht, Spektrum ergänzt die Charakteristik der Funktionsgruppen und schlägt gemeinsam die chemische Struktur unbekannter Objekte ab.
Erweiterung des dynamischen Bereichs: Hochempfindliche Fluoreszenzdetektion (untere Grenze von pg/mL) in Kombination mit einer breiten linearen elektrochemischen Detektion (bis zu Mol/L) deckt die Anforderungen der Analyse von Supertracen bis zu hohen Konzentrationen ab.
- Störungsentfernung: Überwachung der nicht spezifischen Adsorption in Echtzeit durch SPR-Sensoren und Korrektur von Fehlern bei der Berechnung der Chromatografikspitzenfläche.
4. Intelligentes Feedback und Ergebnisse
- Das System optimiert automatisch die nachfolgenden experimentellen Parameter basierend auf den Erkennungsergebnissen, wie z. B. die Anpassung der Massenspektronenquellspannung, um die Signalreaktion in den niedrigen Füllstandspeptidsegmenten zu verbessern.
- Die endgültigen Daten werden durch Multi-Algorithmus-Fusion (z. B. Hauptkomponentenanalyse PCA, Partial-Minimum-Doppelmultiplikation PLS) zur Erstellung von Visualisierungsberichten erstellt, die die Differenz-Expressionsanalyse und das Screening von Biomarkern unterstützen.
Technische Vorteile und Anwendungsszenarien
Das Instrument übertrifft die Grenzen der herkömmlichen Einzelanalyse durch modulare Kombinationstechniken:
Multiomik-Kompatibilität: Es ist möglich, gleichzeitig Metabolom-, Proteom- und Metallgruppe-Tests durchzuführen, um molekulare Veränderungen im Krankheitsmechanismus aufzudecken.
- Ultrahoher Durchfluss: Hunderte von Proben pro Stunde können parallel analysiert werden, um sich an die Anforderungen der klinischen Prüfung und des hohen Durchflusses des Medikaments anzupassen.
- Mikroquantitative Detektion: Der Verbrauch einer einzelnen Analyseprobe ist gering bis zum Nano-Upgrade und die Nutzung wertvoller Bioproben ist deutlich verbessert.