專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)畏肿硬倏v橫向磁鑷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單分子操縱磁鑷裝置，屬于單分子操縱與檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
過(guò)去十年中出現(xiàn)了許多研究單分子的工具和技術(shù)，例如，光鑷，磁鑷，原子力顯微鏡，玻璃微管等等。微小力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得在單分子水平上研究核酸分子的彈性特性以及外力引起的結(jié)構(gòu)變化成為可能。目前，這些技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用于研究與DNA相互作用的酶以及蛋白，例如DNA聚合酶、RNA聚合酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶等。同時(shí)，該技術(shù)還可用于研究一系列作用于DNA的分子馬達(dá)。
在所有這些設(shè)備中，DNA分子或其它大分子一端連于表面，另一端連接一力傳感器。此力傳感器往往是微米量級(jí)的小球或者懸臂。小球或者懸臂的位移可用來(lái)計(jì)算單分子受力的大小。不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供不同的測(cè)力范圍和測(cè)量的時(shí)間尺度。另外，除拉伸分子外，通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向或者控制玻璃微管的旋轉(zhuǎn)可達(dá)到控制磁球旋轉(zhuǎn)的目的，從而旋轉(zhuǎn)大分子。
1992年，Smith等人通過(guò)水流力沖刷及磁力吸引順磁性小球來(lái)控制單個(gè)生物大分子，并研究其性質(zhì)。此方法雖然能夠觀察單分子的熒光，但是對(duì)單根分子長(zhǎng)度的測(cè)量極其復(fù)雜，而且誤差也很大。1996年，Strick等人發(fā)明了垂直磁鑷操縱裝置，通過(guò)光學(xué)傳感器測(cè)量單分子的長(zhǎng)度，但是由于單分子的伸長(zhǎng)方向平行于顯微鏡物鏡的光軸，無(wú)法用熒光方法觀察單分子。如圖1所示。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種單分子操縱橫向磁鑷裝置，使得被操縱的分子在顯微鏡物鏡的焦平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，能夠簡(jiǎn)化單分子長(zhǎng)度的測(cè)量問(wèn)題，并可同時(shí)應(yīng)用熒光方法觀察單分子。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種單分子操縱橫向磁鑷裝置包括顯微成像裝置、磁鑷裝置、樣品槽和中央監(jiān)控器，所述磁鑷裝置包括磁鑷和磁鑷控制器，磁鑷被水平放置在所述樣品槽的側(cè)面，并由所述磁鑷控制器控制；所述樣品槽為一透明的密閉容器，兩端有供溶液進(jìn)出的開(kāi)口，單個(gè)生物分子的一端連接在該透明容器內(nèi)遠(yuǎn)離所述磁鑷的側(cè)壁上，另一端連接一順磁性磁球，該磁球通過(guò)所述磁鑷控制；所述顯微成像裝置設(shè)置在樣品槽的上部或下部，顯微成像裝置與樣品槽可沿水平方向相對(duì)平移，以尋找生物單分子并獲取生物單分子長(zhǎng)度方向的圖像；所述顯微成像裝置將獲取的圖像信息傳輸給所述中央監(jiān)控器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
進(jìn)一步，所述成像裝置包括光源、物鏡和CCD(電荷耦合器件)，光源照明所述樣品槽并通過(guò)物鏡和CCD在所述中央監(jiān)控器顯示并記錄，所述物鏡與所述樣品槽可在水平方向相對(duì)平移。
進(jìn)一步，所述磁鑷是端部為錐狀的圓柱形磁性材料，或是被非磁性薄片隔開(kāi)的兩塊長(zhǎng)條狀磁性材料，或是U形磁鐵。
進(jìn)一步，所述磁性材料為永磁鐵或電磁鐵。
本發(fā)明的有益效果是(1)可以對(duì)生物單分子進(jìn)行研究分析，包括生物分子相關(guān)的酶及蛋白質(zhì)等；(2)可直接操縱并測(cè)量單分子的伸長(zhǎng)及旋轉(zhuǎn)；(3)可對(duì)單分子進(jìn)行熒光分析。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)示意圖；圖2是本發(fā)明單分子操縱橫向磁鑷裝置示意圖；圖3是本發(fā)明局部結(jié)構(gòu)示意圖(包含樣品槽)；圖4是(a)和(b)分別是U型磁鑷和圓柱形磁鑷的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是單根DNA的拉伸照片；圖6是單根DNA的拉伸曲線；圖7是單根DNA的長(zhǎng)度隨DNA旋轉(zhuǎn)變化的曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，顯微成像裝置1、磁鑷裝置2、中央監(jiān)控器3和樣品槽4，顯微磁鑷裝置2包括磁鑷5和磁鑷控制器6，磁鑷5水平設(shè)置在樣品槽4的側(cè)面，并由磁鑷控制器6控制。磁鑷控制器6可以為步進(jìn)電機(jī)，也可以是其它能夠驅(qū)動(dòng)磁鑷5在X、Y、Z方向移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)；如圖3所示，樣品槽4為一透明的密閉容器，兩端有供溶液進(jìn)出的開(kāi)口15、16。該樣品槽4放置在一樣品臺(tái)9上。單個(gè)生物大分子的一端連接在該透明容器內(nèi)遠(yuǎn)離磁鑷5的側(cè)壁上，另一端連接一順磁性磁球，該磁球通過(guò)磁鑷5控制；顯微成像裝置1設(shè)置在樣品槽4的上部或下部，樣品槽4與成像裝置1可在水平方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以尋找生物大分子并獲取其長(zhǎng)度方向的圖像信息；成像裝置1將獲取的圖像信息傳輸給中央監(jiān)控器3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該中央監(jiān)控器3包括一顯示器7和主機(jī)8，主機(jī)8對(duì)圖像進(jìn)行處理后，由顯示器7顯示，并可對(duì)磁鑷控制器6進(jìn)行控制。其中，成像裝置1包括光源10、物鏡11和CCD 12，光源11照明樣品槽4并通過(guò)物鏡11和CCD 12在中央監(jiān)控器3顯示并記錄，物鏡11與樣品槽4可在水平方向相對(duì)平移；磁鑷5是端部為椎狀的圓柱形磁性材料(也可以是如圖4所示的，被非磁性薄片隔開(kāi)的兩塊長(zhǎng)條狀磁性材料或是U形磁鐵。該設(shè)計(jì)的目的是限制磁球的旋轉(zhuǎn)自由度，從而可以旋轉(zhuǎn)磁球)。磁鑷5設(shè)計(jì)成端部為椎狀的圓柱形磁性材料，可對(duì)單分子進(jìn)行拉伸，設(shè)計(jì)為如圖4所示的形狀就可對(duì)單分子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)及拉伸實(shí)驗(yàn)。磁球受力大小與磁場(chǎng)梯度以及磁鐵與小球距離有關(guān)。為了獲得足夠大的力施加于磁球，要保證磁鐵前端梯度足夠大，磁鐵前端要做成錐狀，同時(shí)要保證磁場(chǎng)梯度在磁球的位置近似于只有一個(gè)方向，從而使得生物大分子只在單一方向上受力。磁球受力由以下公式給出F≈mdBxdxx^]]>式中，m為磁矩，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。
但是上述測(cè)量方式并不容易和準(zhǔn)確，一般來(lái)說(shuō)單分子受力的測(cè)量是由磁球的布朗運(yùn)動(dòng)給出，公式如下F=kBT<z><(δx)2>]]>式中，kB為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，<Z>為單分子的平均長(zhǎng)度，<(δx)2>為磁球X方向的方差。
在我們的設(shè)備中，<Z>和<(δx)2>可以通過(guò)圖像直接測(cè)量。
本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在成像裝置物鏡焦平面內(nèi)觀察單分子的伸長(zhǎng)，能夠更加準(zhǔn)確快速地測(cè)量生物大分子例如DNA長(zhǎng)度的變化，同時(shí)由于有多個(gè)單分子連接到樣品槽側(cè)沿，每次可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)單分子的測(cè)量，提高了實(shí)驗(yàn)效率。利用本裝置，進(jìn)行DNA單分子的拉伸曲線，如圖5、6所示，實(shí)驗(yàn)值與理論曲線(worm-like-chain模型)有很好的符合。同時(shí)，利用本裝置對(duì)DNA進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)操作，由于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著DNA被繞自身軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，DNA的長(zhǎng)度在逐漸縮短，如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種單分子操縱橫向磁鑷裝置，其特征在于，包括顯微成像裝置、磁鑷裝置、樣品槽和中央監(jiān)控器，所述磁鑷裝置包括磁鑷和磁鑷控制器，磁鑷水平設(shè)置在所述樣品槽的側(cè)面，并由所述磁鑷控制器控制；所述樣品槽為一透明的密閉容器，兩端有供溶液進(jìn)出的開(kāi)口，單個(gè)生物單分子的一端連接在該透明容器內(nèi)遠(yuǎn)離所述磁鑷的側(cè)壁上，另一端連接一順磁性磁球，該磁球通過(guò)所述磁鑷控制；所述顯微成像裝置設(shè)置在樣品槽的上部或下部，顯微成像裝置與樣品槽可在水平方向做相對(duì)平移，以尋找生物單分子并獲取生物單分子長(zhǎng)度方向的圖像；所述顯微成像裝置將獲取的圖像信息傳輸給所述中央監(jiān)控器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單分子操縱橫向磁鑷裝置，其特征在于，所述成像裝置包括光源、物鏡和CCD，光源照明所述樣品槽并通過(guò)物鏡和CCD在所述中央監(jiān)控器顯示并記錄，所述物鏡與所述樣品槽可沿水平方向相對(duì)平移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種單分子操縱橫向磁鑷裝置，其特征在于，所述磁鑷是端部為錐狀的圓柱形磁性材料，或是被非磁性薄片隔開(kāi)的兩塊長(zhǎng)條狀磁性材料，或是U形磁鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單分子操縱橫向磁鑷裝置，其特征在于，所述磁性材料為永磁鐵或電磁鐵。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種單分子操縱橫向磁鑷裝置，包括顯微成像裝置、磁鑷裝置、樣品槽和中央監(jiān)控器，磁鑷裝置包括磁鑷和磁鑷控制器，磁鑷水平設(shè)置在樣品槽的側(cè)面，并由磁鑷控制器控制；樣品槽為一透明的密閉容器，兩端有供溶液進(jìn)出的開(kāi)口，生物單分子的一端連接在該透明容器內(nèi)遠(yuǎn)離磁鑷的側(cè)壁上，另一端連接一順磁性磁球，該磁球通過(guò)磁鑷控制；顯微成像裝置設(shè)置在樣品槽的上部或下部，顯微成像裝置與樣品槽可在水平方向做相對(duì)平移；顯微成像裝置將獲取的圖像信息傳輸給中央監(jiān)控器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明的有益效果是可對(duì)生物單分子進(jìn)行研究分析，包括生物分子相關(guān)的酶及蛋白等，并可直接給出單分子的長(zhǎng)度信息，并可對(duì)生物單分子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。
文檔編號(hào)G01N21/00GK1869650SQ20061008129
公開(kāi)日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者李明, 孫博, 吳蘭生, 翟永亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所