植物叶片原态快速冷冻取样装置及取样系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术提供了一种植物叶片原态快速冷冻取样装置及取样系统，取样装置包括至少一个装置主体、控制系统和装置外围气路，装置主体相互串联在装置外围气路内，装置外围气路与控制系统连接；每一装置主体包括装置支架，以及安装在装置支架上的半开放叶室组件、冷冻锤、冷冻盒和气动驱动结构，冷冻锤位于半开放叶室组件的正上方，冷冻盒安装在半开放叶室组件的下方，气动驱动结构与冷冻锤连接，驱动冷冻锤向半开放叶室组件内取样获得试样，试样向下落入冷冻盒进行快速冷冻。本实用新型专利技术大幅减少了取样耗时、提高了取样准确度和冷冻可靠性，并且装置结构设计紧凑，可扩展性强，可以多机根据实验需要进行并联、串联，从而实现高通量标记取样。量标记取样。量标记取样。

【技术实现步骤摘要】
植物叶片原态快速冷冻取样装置及取样系统


[0001]本技术涉及植物叶片取样领域，特别涉及一种植物叶片原态快速冷冻取样装置及取样系统。

技术介绍

[0002]代谢是生物体进行生命活动的基础，代谢谱分析(Metabolic profilinganalysis)是指采用色谱
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质谱联用技术采集样品的代谢谱图，比较不同组样品代谢产物的含量，鉴定差异表达的代谢物，进一步探索差异代谢物之间的代谢通路的一种实验方法。而代谢流分析(Metabolic flux analysis)技术是指利用同位素标记(
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C、
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N或2H等)手段，定量追踪重同位素在细胞内随时间的动态流向和变化规律，从而阐述细胞内代谢网络的流量分布及与功能相关的生物学问题。
[0003]目前此两类技术已经被广泛应用于植物基本代谢的研究中。对于植物叶片的光合代谢流分析而言，通常采用
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CO2作为同位素标记气体，按照标记时间长短取多个标记样品，再利用高分辨质谱仪分析
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C在各个光合相关中间代谢物中的丰度随标记时间的增加的变化模式，最后依靠代谢通路模型拟合出每个代谢反应的反应速率即为代谢流。
[0004]与动物、微生物不同，植物叶片的基本代谢对环境变化十分敏感。植物叶片的同位素标记实验对环境的稳定和取样的过程有着较高的要求，尤其是对于光合作用的相关中间代谢物。以光照条件为例，在光照强度出现变化的 100ms内，光合作用的能量底物，例如ATP、NADPH的含量就会出现变化。在光照强度出现变化的2s内，参与卡尔文
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本森循环的中间代谢物的浓度就会收到影响(Stitt and Zhu,2014)。当光照强度变化超过一分钟，叶绿体的光系统就会产生状态转换，卡尔文
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本森循环中的功能酶的酶活也会出现适应性变化 (Eberhard,et al.,2008)。所以对于植物叶片的基本代谢研究来说，无论是代谢谱还是代谢流实验，对于取样都有较高的时间与误差要求。
[0005]目前该类实验的完成均主要还是依靠一些简易的组装工具人工完成，人工的取样方式主要依靠一些简单的组装工具，人工完成标记实验的各步操作 (Heise,et al.,2014；Ma,et al.,2014；Ma,et al.,2017)，存在取样耗时长、样品之间处理难均一、系统误差大等缺点，不利于精细的植物基本代谢流、尤其是光合代谢流的分析。除此之外，一些现有的取样仪器(Arrivault,et al.,2017； Badger,et al.,1984；Caemmerer and Edmondson,1986)存在操作繁琐、取样通量低、取样时冷冻不彻底等问题，难以适应现实的同位素标记实验的要求。
[0006]现有技术中，植物叶片原态取样装置及取样方法的取样时间还无法达到较佳的短时效果，然而对于植物叶片原态取样来说，取样时间的长与短之间存在质的差别，其主要原因如下：
[0007]植物叶片的代谢状态对环境的变化响应很快。但是实际操作中，取样所需要的时间不可能是无穷小，对于在多么短的时间内完成取样就不会对植物的代谢状态造成显著影响，我们需要确定出这个时间的上确界。利用线性时不变系统的分析方法，我们可以计算出
这个技术指标(取样时间，τ
s
)的理论上限值。根据我们的实验结果，水稻叶片对于光强变化的响应特征时间(τ
p
)约为10秒。而根据奈奎斯特
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香农采样定理，为了获得系统携带的全部信息，采样时间的间隔(τ
i
)应该不超过系统的特征时间的1/2。
[0008][0009]也就是说，对于一个代谢处于动态变化的叶片，取样的间隔需要小于5 秒，其取样结果才能真实反映叶片代谢这个系统的变化。同样根据采样定理，在满足要求的取样间隔之内的系统变化过程可以被合理近似成若干个线性过程。在这个线性过程中，取样过程(τ
s
)本身占取样间隔(τ
i
)的比例即应是最后测得的代谢总变化中，取样过程造成的系统误差占叶片响应实验条件的真实代谢变化的比例。我们要求系统误差的影响不应影响实验结果的统计显著性，故取样过程(τ
s
)应该至多是取样间隔(τ
i
)的5％。
[0010][0011]由此可以计算出取样时间(τ
s
)的可接受上限是0.25秒。以上分析虽然是建立在系统的动态变化的基础上的，对于稳态的情况也同样适用。
[0012]以往的文献报道中，代谢谱的取样通常都是手工完成(Arrivault,et al., 2019；Mallmann,et al.,2014；Sommer,et al.,2012；Turner,et al.,2016；Wang,etal.,2014)，根据上述分析可知手工取样消耗的时间远大于可接受的时间上限 (0.25秒)，这意味着手工取样得到的实验数据不可避免地会带入系统误差而使实验结果或多或少地偏移真实的情况。而以往代谢流的实验都是通过一些较为简单的自制叶室完成同位素标记与取样的(Heise,et al.,2014；Ma,et al., 2017；Szecowka,et al.,2013；Xu,et al.,2021)，对于取样过程有的采用手工取样，有的采用了一些机械辅助取样(其取样时间均在0.1～0.5秒左右)。对于简单叶室来说，每次均只能标记与取样一个叶片，对于需要大量标记时间点以及生物学样本的代谢流实验来说会严重影响实验进度与实验的可重复性。本装置第一次在保证取样时间的前提下，可以多机扩展实现高通量标记与取样。
[0013]有鉴于此，本领域技术人员设计了一种植物叶片原态快速冷冻取样装置及取样系统，以期克服上述技术问题。

技术实现思路

[0014]本技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中植物叶片的取样具有较高的时间和误差要求，存在操作繁琐、取样通量低、取样时冷冻不彻底等缺陷，提供一种植物叶片原态快速冷冻取样装置及取样系统。
[0015]本技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
[0016]一种植物叶片原态快速冷冻取样装置，其特点在于，所述植物叶片原态快速冷冻取样装置包括至少一个装置主体、控制系统和装置外围气路，所述装置主体相互串联在所述装置外围气路内，所述装置外围气路与所述控制系统连接；
[0017]每一所述装置主体包括装置支架，以及安装在所述装置支架上的半开放叶室组件、冷冻锤、冷冻盒和气动驱动结构，所述冷冻锤位于所述半开放叶室组件的正上方，所述冷冻盒安装在所述半开放叶室组件的下方，所述气动驱动结构与所述冷冻锤连接，驱动所
述冷冻锤向所述半开放叶室组件内取样获得试样，所述试样向下落入所述冷冻盒进行快速冷冻。
[0018]根据本技术的一个实施例，所述半开放叶室组件包括中间具有贯通孔的上叶室、中间具有贯通孔的下叶室和密封圈，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种植物叶片原态快速冷冻取样装置，其特征在于，所述植物叶片原态快速冷冻取样装置包括至少一个装置主体、控制系统和装置外围气路，所述装置主体相互串联在所述装置外围气路内，所述装置外围气路与所述控制系统连接；每一所述装置主体包括装置支架，以及安装在所述装置支架上的半开放叶室组件、冷冻锤、冷冻盒和气动驱动结构，所述冷冻锤位于所述半开放叶室组件的正上方，所述冷冻盒安装在所述半开放叶室组件的下方，所述气动驱动结构与所述冷冻锤连接，驱动所述冷冻锤向所述半开放叶室组件内取样获得试样，所述试样向下落入所述冷冻盒进行快速冷冻。2.如权利要求1所述的植物叶片原态快速冷冻取样装置，其特征在于，所述半开放叶室组件包括中间具有贯通孔的上叶室、中间具有贯通孔的下叶室和密封圈，所述上叶室和所述下叶室上下叠加，所述密封圈夹设在所述上叶室和所述下叶室之间，植物叶片夹设在所述贯通孔内，所述上叶室的上表面和所述下叶室的下表面均覆盖有一层透明薄膜；所述上叶室和所述下叶室的同一侧的侧部设置有进气孔，气流由所述进气孔进入叶室，所述下叶室的另一侧的侧部开设有第一出气孔，且所述上叶室的另一侧的侧部开设有第二出气孔，所述第一出气孔与所述第二出气孔之间相互连通。3.如权利要求2所述的植物叶片原态快速冷冻取样装置，其特征在于，所述装置支架上设置有安装台，所述半开放叶室组件固定在所述安装台上，所述气动驱动结构包括高速气缸和连接杆，所述高速气缸安装在所述装置支架的下部，所述半开放叶室组件和所述冷冻锤之间通过精密导柱连接；所述连接杆穿过所述半开放叶室组件，一端与所述冷冻锤连接，另一端与所述高速气缸连接，通过所述高速气缸驱动所述冷冻锤上下运动。4.如权利要求3所述的植物叶片原态快速冷冻取样装置，其特征在于，所述高速气缸的设计行程为10cm，单向行程的耗时小于等于0.05秒。5.如权利要求2所述的植物叶片原态快速冷冻取样装置，其特征在于，所述冷冻锤呈中空的圆柱型，所述冷冻锤的下部外缘与所述贯通孔的大小一致，且所述冷冻锤的下部外缘呈切刃状。6.如权利要求1所述的植物叶片原态快速冷冻取...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐启鸣，宋青峰，朱新广，
申请(专利权)人：中国科学院分子植物科学卓越创新中心，
类型：新型
国别省市：