專利名稱：成像磁鑷裝置及其與單分子熒光技術(shù)集成的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物大分子的單分子操縱與檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種成像磁鑷裝置及其與單分子熒光技術(shù)集成的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
普通的單分子磁鑷操縱技術(shù)采取在光學(xué)顯微鏡裝置中安裝磁鐵及相應(yīng)的電耦合器件的方法來實(shí)現(xiàn)單分子操縱，這種方法雖然簡(jiǎn)單易行，但測(cè)量精度不高。單分子熒光技術(shù)能實(shí)現(xiàn)納米甚至亞納米水平的單分子探測(cè)，但是它無法進(jìn)行可控的單分子力學(xué)測(cè)量。對(duì)生物大分子而言，我們既要測(cè)量分子間相互作用的后果，又要探測(cè)引起這些后果的原因，這就指引我們將力學(xué)操縱技術(shù)引入到單分子熒光技術(shù)中，應(yīng)用單分子力學(xué)操縱技術(shù)來降低測(cè)量系統(tǒng)的布朗漲落，同時(shí)利用單分子熒光技術(shù)測(cè)量得到穩(wěn)定性更高的熒光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單 分子力學(xué)操縱和單分子熒光探測(cè)的有機(jī)結(jié)合。具體的，在經(jīng)典的單分子磁鑷操縱技術(shù)中，磁鐵和觀察物鏡分別位于平板樣品的兩側(cè)，并且磁鐵-樣品和物鏡-樣品之間的工作距離很小，這樣的空間布局下無法再引入其它器件進(jìn)行整合，限制了普通磁鑷與其它單分子技術(shù)的集成應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)單分子力學(xué)操縱和單分子熒光探測(cè)的有機(jī)結(jié)合的問題，提出一種成像磁鑷裝置及其與單分子熒光技術(shù)集成的系統(tǒng)和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)磁鑷與單分子熒光技術(shù)的集成以及亞納米精度的單分子力學(xué)操縱和測(cè)量。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種成像磁鑷裝置，包括磁場(chǎng)梯度和磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)的磁性物鏡、照明光源和電耦合器件(CCD)，所述磁性物鏡與照明光源和CCD組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超順磁微球成像的同時(shí)進(jìn)行單分子力學(xué)操縱。優(yōu)選地，上述裝置具有以下特點(diǎn)所述磁性物鏡包括物鏡和集成在物鏡頭部的磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度可調(diào)的環(huán)形磁鐵，所述環(huán)形磁鐵為磁鑷。優(yōu)選地，上述裝置具有以下特點(diǎn)所述集成在物鏡頭部的環(huán)形磁鐵包括兩塊環(huán)形磁鐵，分別為前端磁鐵和后端磁鐵，所述前端磁鐵作為所述物鏡的出瞳；所述后端磁鐵套在物鏡外圍，其磁場(chǎng)與前端磁鐵疊力口，通過所述后端磁鐵前后滑動(dòng)，可調(diào)節(jié)物鏡前焦面的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。優(yōu)選地，上述裝置具有以下特點(diǎn)所述裝置還可包括顯微鏡，所述磁性物鏡安裝在所述顯微鏡上，所述顯微鏡分別與所述照明光源和電耦合器件相連。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種成像磁鑷裝置與單分子熒光技術(shù)集成的系統(tǒng)，包括如上所述的成像磁鑷裝置、與所述CCD相連的中央處理系統(tǒng)、單分子熒光成像裝置和樣品，所述成像磁鑷裝置與單分子熒光成像裝置相對(duì)放置，位于樣品的兩側(cè)。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種磁性物鏡，包括物鏡和集成在物鏡頭部的磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度可調(diào)的環(huán)形磁鐵，所述集成在物鏡頭部的環(huán)形磁鐵為磁鑷，包括兩塊環(huán)形磁鐵，分別為如端磁鐵和后端磁鐵，所述如端磁鐵作為所述物鏡的出睛；所述后端磁鐵套在物鏡外圍，其磁場(chǎng)與前端磁鐵疊加，通過所述后端磁鐵前后滑動(dòng)，可調(diào)節(jié)物鏡前焦面的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。為了解決上述問題，本發(fā)明提供 一種采用如上所述的成像磁鑷裝置與單分子熒光技術(shù)集成的方法，包括通過在樣品池中進(jìn)行“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接，并將成像磁鑷裝置與單分子熒光成像裝置相對(duì)放置，位于樣品的兩偵牝?qū)?zhǔn)后聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)磁鑷與單分子熒光技術(shù)的集成以及亞納米精度的單分子力學(xué)操縱和測(cè)量。優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)所述的“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接是指連接手柄的一端與超順磁微球連接，另一端與熒光微球連接，熒光微球與待測(cè)生物大分子的一端連接，待測(cè)生物大分子的另一端與玻璃表面連接。優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)所述將成像磁鑷裝置與單分子熒光成像裝置聯(lián)合使用包括所述成像磁鑷裝置的磁性物鏡對(duì)樣品進(jìn)行單分子力學(xué)操縱；所述單分子熒光成像裝置對(duì)生物分子進(jìn)行熒光信號(hào)的觀測(cè)。優(yōu)選地，上述方法具有以下特點(diǎn)所述連接手柄為DNA或多肽等能夠做生化連接的生物分子。本發(fā)明的有益效果是I、可以對(duì)生物單分子進(jìn)行研究，包括蛋白質(zhì)與核酸相互作用、生物大分子的折疊與組裝、生物分子馬達(dá)的動(dòng)力學(xué)等；2、把成像磁鑷裝置和單分子熒光技術(shù)集成，能夠測(cè)量生物大分子在可控外力操縱下的亞納米精度的形態(tài)變化，或者因?yàn)槠渌锓肿拥慕Y(jié)合/組裝引起的形態(tài)變化，或者分子馬達(dá)沿其軌道的運(yùn)動(dòng)以及它們引起的底物的構(gòu)型變化；3、通過“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)亞納米精度的單分子力學(xué)操縱。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度可調(diào)的磁性物鏡示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的成像磁鑷裝置示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的使用顯微鏡的成像磁鑷裝置與中央處理系統(tǒng)相連示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的成像磁鑷裝置與單分子熒光技術(shù)集成的系統(tǒng)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例的“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接示意圖；圖6是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的用成像磁鑷裝置測(cè)得的Lambda DNA (脫氧核糖核酸)拉伸曲線。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。本發(fā)明中提出，采用成像磁鑷裝置來解決傳統(tǒng)的磁鑷操縱技術(shù)的局限，該成像磁鑷裝置把磁鑷和物鏡集成在一起，使得樣品的一側(cè)用來做單分子磁鑷測(cè)量，樣品的另一側(cè)可以用來集成單分子熒光裝置進(jìn)行測(cè)量(單分子熒光裝置本身也包含一個(gè)高倍物鏡)。并且，本發(fā)明提出一種“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待 測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單分子操縱和單分子熒光技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不但克服了磁鑷操縱技術(shù)原理上的缺陷，還可實(shí)現(xiàn)亞納米精度的單分子磁鑷操縱測(cè)量。
圖I所示，磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度可調(diào)的磁性物鏡I包括物鏡2集成在物鏡頭部的磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度可調(diào)的環(huán)形磁鐵。其中集成在物鏡頭部的環(huán)形磁鐵為磁鑷，包括兩塊環(huán)形磁鐵，分別為前端磁鐵3和后端磁鐵4。物鏡2內(nèi)部的鏡片排列按高數(shù)值孔徑物鏡內(nèi)部的鏡片排列，符合高數(shù)值孔徑物鏡的成像要求，前端磁鐵3磁性弱，位于物鏡2鏡頭的最前端，既作為物鏡的出瞳，又用作磁鑷的一部分；后端磁鐵4磁性強(qiáng)，套在物鏡2的外圍，放于前端磁鐵3之后，可以在一定沮圍內(nèi)沿物鏡2的光軸方向如后運(yùn)動(dòng)，后端磁鐵4廣生的磁場(chǎng)與如端磁懾3產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加，通過后端磁鐵4的前后移動(dòng)來調(diào)節(jié)物鏡2前焦面的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例的成像磁鑷裝置5，該成像磁鑷裝置5包括上述磁性物鏡I、照明光源6和電耦合器件(CXD) 7，磁性物鏡I與照明光源6和電耦合器件(CXD) 7組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超順磁微球成像的同時(shí)進(jìn)行單分子力學(xué)操縱。其中，照明光源6為磁性物鏡I提供照明，電耦合器件(CXD) 7用于將通過磁性物鏡I得到的光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。磁性物鏡I、照明光源6和電耦合器件(CCD) 7可以固定在光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行磁鑷實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，成像磁鑷裝置5可以包含有顯微鏡，并與中央處理系統(tǒng)相連。磁性物鏡I安裝在顯微鏡8上，照明光源6通過顯微鏡8的接口與顯微鏡連接，實(shí)現(xiàn)照明光源6對(duì)樣品9進(jìn)行照明，電耦合器件(CXD)7同樣與顯微鏡8的接口連接，并與中央處理系統(tǒng)10連接，從而把樣品9在電耦合器件(CXD) 7上產(chǎn)生的圖像信息傳遞到中央處理系統(tǒng)10的主機(jī)12進(jìn)行處理，分析計(jì)算超順磁微球的位置信息，進(jìn)而推算超順磁微球所連的生物大分子的構(gòu)象變化，并在顯示器11上顯示，這樣實(shí)現(xiàn)了成像磁鑷裝置在普通顯微鏡上使用，進(jìn)行磁鑷實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，是成像磁鑷裝置與單分子熒裝置集成。通過在樣品池中進(jìn)行“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接，并將成像磁鑷裝置5與單分子熒光成像裝置13相對(duì)放置，位于樣品9的兩側(cè)，對(duì)準(zhǔn)后聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)磁鑷與單分子熒光技術(shù)的集成以及亞納米精度的單分子力學(xué)操縱和測(cè)量。成像磁鑷裝置5中的可調(diào)磁性物鏡I與單分子熒光裝置13中的觀察物鏡(圖中未畫出)須調(diào)節(jié)共軸，使得成像磁鑷裝置5和單分子熒光裝置13所觀察的是相同區(qū)域，成像磁鑷裝置5對(duì)樣品9進(jìn)行單分子力學(xué)操縱，得到的圖像信息傳遞給中央處理系統(tǒng)10的主機(jī)12進(jìn)行處理，得出超順磁微球的力學(xué)信息，并在顯示器11上顯示，單分子熒光裝置13對(duì)樣品9進(jìn)行單分子熒光信號(hào)探測(cè)，得到的熒光信號(hào)由單分子熒光裝置13自帶的處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，得出相應(yīng)的單分子熒光信息，其中單分子熒光裝置13包括很多種，如全反射熒光顯微裝置，或者分子馬達(dá)在DNA上行走的探測(cè)裝置，也可以是FRET( fluorescence resonance energy transfer,突光共振能量轉(zhuǎn)移)實(shí)驗(yàn)裝置等，只要是單分子熒光的實(shí)驗(yàn)裝置就可以通過上述方法與成像磁鑷裝置5進(jìn)行集成。如圖5所示，是“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接，包括超順磁微球14，連接手柄15，熒光微球16，待測(cè)生物大分子17，玻璃表面18,連接手柄15的一端與超順磁微球14連接,另一端與突光微球16連接,突光微球16再與待測(cè)生物大分子17的一端連接，待測(cè)生物大分子17的另一端與玻璃表面18連接，超順磁微球14由成像磁鑷4操縱并控制，熒光微球16的熒光強(qiáng)度由單分子熒光裝置13探測(cè)，當(dāng)采用全反射熒光裝置與成像磁鑷裝置耦合時(shí)，可以通過熒光微球的光強(qiáng)變化推算出熒光微球16與玻璃表面的距離變化，實(shí)現(xiàn)亞納米精度的單分子力學(xué)操縱和測(cè)量，下面給出了成像磁鑷測(cè)量磁力的方法，也給出了通過熒光微球熒光強(qiáng)度的變化來計(jì)算熒光微球與玻璃表面之間距離的變化的方法。如圖6所示，是本發(fā)明應(yīng)用實(shí)例的用成像磁鑷裝置測(cè)得的Lambda DNA拉伸曲線。在磁鑷實(shí)驗(yàn)中，超順磁微球受力的大小由超順磁微球周圍的磁場(chǎng)梯度和超順磁微球與磁鑷之間的距離決定。超順磁微球受力由如下公式給出
權(quán)利要求
1.一種成像磁鑷裝置，其特征在于，包括磁場(chǎng)梯度和磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)的磁性物鏡、照明光源和電耦合器件(CCD)，所述磁性物鏡與照明光源和CCD組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超順磁微球成像的同時(shí)進(jìn)行單分子力學(xué)操縱。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述磁性物鏡包括物鏡和集成在物鏡頭部的磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度可調(diào)的環(huán)形磁鐵，所述環(huán)形磁鐵為磁鑷。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述集成在物鏡頭部的環(huán)形磁鐵包括兩塊環(huán)形磁鐵，分別為前端磁鐵和后端磁鐵，所述前端磁鐵作為所述物鏡的出瞳；所述后端磁鐵套在物鏡外圍，其磁場(chǎng)與前端磁鐵疊加，通過所述后端磁鐵前后滑動(dòng)，可調(diào)節(jié)物鏡前焦面的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。
4.如權(quán)利要求廣3中任意一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置還可包括顯微鏡，所述磁性物鏡安裝在所述顯微鏡上，所述顯微鏡分別與所述照明光源和電耦合器件相連。
5.一種成像磁鑷裝置與單分子熒光技術(shù)集成的系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求f 3中任意一項(xiàng)所述的成像磁鑷裝置、與所述CXD相連的中央處理系統(tǒng)、單分子熒光成像裝置和樣品，所述成像磁鑷裝置與單分子熒光成像裝置相對(duì)放置，位于樣品的兩側(cè)。
6.一種磁性物鏡，其特征在于，包括物鏡和集成在物鏡頭部的磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度可調(diào)的環(huán)形磁鐵，所述集成在物鏡頭部的環(huán)形磁鐵為磁鑷，包括兩塊環(huán)形磁鐵，分別為前端磁鐵和后端磁鐵，所述前端磁鐵作為所述物鏡的出瞳；所述后端磁鐵套在物鏡外圍，其磁場(chǎng)與前端磁鐵疊加，通過所述后端磁鐵前后滑動(dòng)，可調(diào)節(jié)物鏡前焦面的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度。
7.一種采用如權(quán)利要求I所述的成像磁鑷裝置與單分子熒光技術(shù)集成的方法，包括 通過在樣品池中進(jìn)行“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接，并將成像磁鑷裝置與單分子熒光成像裝置相對(duì)放置，位于樣品的兩側(cè)，對(duì)準(zhǔn)后聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)磁鑷與單分子熒光技術(shù)的集成以及亞納米精度的單分子力學(xué)操縱和測(cè)量。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于， 所述的“超順磁微球-連接手柄-熒光微球-待測(cè)生物大分子-玻璃表面”的單分子連接是指連接手柄的一端與超順磁微球連接，另一端與熒光微球連接，熒光微球與待測(cè)生物大分子的一端連接，待測(cè)生物大分子的另一端與玻璃表面連接。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于， 所述將成像磁鑷裝置與單分子熒光成像裝置聯(lián)合使用包括所述成像磁鑷裝置的磁性物鏡對(duì)樣品進(jìn)行單分子力學(xué)操縱；所述單分子熒光成像裝置對(duì)生物分子進(jìn)行熒光信號(hào)的觀測(cè)。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于， 所述連接手柄為DNA或多肽等能夠做生化連接的生物分子。
全文摘要
本發(fā)明公開一種成像磁鑷裝置及其與單分子熒光技術(shù)集成的系統(tǒng)和方法，所述成像磁鑷裝置包括磁場(chǎng)梯度和磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)的磁性物鏡、照明光源和電耦合器件，所述磁性物鏡與照明光源和電耦合器件組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超順磁微球成像的同時(shí)進(jìn)行單分子力學(xué)操縱。本發(fā)明的成像磁鑷裝置一方面能夠進(jìn)行磁鑷操縱實(shí)驗(yàn)，還可以與多種單分子熒光技術(shù)集成應(yīng)用，既能夠?qū)悠愤M(jìn)行熒光信號(hào)探測(cè)，也能夠?qū)悠愤M(jìn)行力學(xué)操縱，并且熒光信號(hào)和力學(xué)操縱相互獨(dú)立，互不干擾；另一方面，成像磁鑷裝置可以對(duì)樣品中的超順磁微球施加力的束縛，有效地降低該單分子連接系統(tǒng)的布朗漲落，使所集成的單分子熒光裝置得到更加穩(wěn)定的熒光信號(hào)，提高了單分子操縱測(cè)量時(shí)的實(shí)驗(yàn)精度。
文檔編號(hào)G01N33/48GK102749441SQ20121023217
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者吳蘭生, 李明, 王爽, 翟永亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所