基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單分子力譜測(cè)量領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單分子力譜裝置主要包括:光鑷、磁鑷以及原子力顯微鏡等。光鑷是利用光探針對(duì)單分子進(jìn)行操縱并測(cè)量力譜；磁鑷是通過對(duì)鏈接單分子的磁珠施加磁場(chǎng)，對(duì)磁珠產(chǎn)生作用力從而對(duì)單分子進(jìn)行操縱；原子力顯微鏡是將單分子粘附在測(cè)量探針上，通過探針形變對(duì)單分子力譜進(jìn)行測(cè)量。這三種裝置可以對(duì)單個(gè)分子產(chǎn)生一恒定作用力，該分子會(huì)隨之伸展形變。但是光鑷、原子力顯微鏡以及常規(guī)的磁鑷通常只能一次測(cè)量一個(gè)分子，無法獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。特殊的磁鑷可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)單分子，但是其對(duì)施加磁力的統(tǒng)一性非常困難，且其施加的力的范圍較小，具有很大的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于離心力的并行大通量單分子力譜方法，能夠同時(shí)對(duì)上千顆微球施加離心力，并同時(shí)跟蹤測(cè)量微球位置，進(jìn)而同時(shí)對(duì)多個(gè)分子力譜進(jìn)行并行測(cè)量，并且該方法中施加離心力的范圍為可以從皮牛級(jí)到納牛級(jí)。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，包括以下步驟:
[0006]I)將光學(xué)成像系統(tǒng)固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，所述光學(xué)成像系統(tǒng)由相機(jī)、光學(xué)顯微鏡和LED燈組成；
[0007]2)將微球連接于單分子一端，將分子另一端連接于分子襯底表面，所述分子襯底還可設(shè)置有與所述分子相連接的另一類分子；
[0008]3)將設(shè)置有分子和微球的分子襯底放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，所述成像系統(tǒng)和分子襯底與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成一體，通過控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速來控制所述微球所受離心力的大??；
[0009]4)使用光學(xué)顯微鏡和相機(jī)追蹤記錄微球位置，從而獲得分子的形變信息及分子間的相互作用信息。
[0010]通過改變旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速，對(duì)連接于微球上的分子施加不同大小的拉伸作用力。
[0011]在所述光學(xué)顯微鏡下，所述微球的衍射斑紋隨微球與物鏡距離變化而改變，記錄所述微球衍射斑紋與物鏡距離的變化規(guī)律，獲得微球在受到離心力前后與物鏡間的距離變化，從而獲得所述分子受到離心力后的形變特征或兩類分子之間相互作用的變化。
[0012]使用離焦成像技術(shù)對(duì)微球進(jìn)行三維位置跟蹤，得到微球在三維空間中的位置信息，從而獲得所述分子受到離心力后的形變特征或兩類分子之間相互作用的變化。
[0013]所述分子為通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制備的DNA樣品。
[0014]所述微球由聚苯乙稀微球、娃球或磁珠其中的一種或多種組成。
[0015]所述微球直徑為I μπι-25 μπι。
[0016]所述分子襯底為玻片。
[0017]所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速范圍為0_700rpm。
[0018]該方法中對(duì)單分子施加的作用力范圍從0.1皮牛級(jí)到納牛級(jí)，并適合多種單分子力譜的測(cè)量。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是:
[0020]1、本發(fā)明中的分子襯底上可以同時(shí)設(shè)置很多個(gè)與分子樣品相連接的微球，并通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)同時(shí)對(duì)微球施加離心力，對(duì)微球產(chǎn)生的離心力相同，具有非常高的同一性。
[0021]2、本發(fā)明中的光學(xué)成像系統(tǒng)能實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量微球位置并記錄，因此可以快速準(zhǔn)確的并行測(cè)試單分子力譜。
[0022]3、本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)平臺(tái)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)700rpm對(duì)分子施加的作用力范圍可以從皮牛級(jí)到納牛級(jí)。
[0023]4、本發(fā)明方法適合多種單分子力譜的測(cè)量。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明提出一種基于離心力的并行高通量單分子力譜方法，包括下列步驟:
[0025]步驟1:搭建光學(xué)成像系統(tǒng)，并將其固定在高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，光學(xué)成像系統(tǒng)由以太網(wǎng)相機(jī)，光學(xué)顯微鏡和高能紅光LED燈組成；
[0026]步驟2:將微球連接于分子一端，將分子的另一端連接于分子襯底表面，或者在分子襯底表面連接另一類分子，兩類分子通過特定的相互作用連接；
[0027]步驟3:將包括有微球和分子的分子襯底固定在高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，此時(shí)光學(xué)成像系統(tǒng)、分子襯底及高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成一體，通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)微球施加離心力，并通過控制轉(zhuǎn)速來控制微球所受離心力的大??；
[0028]步驟4:使用光學(xué)顯微鏡及相機(jī)追蹤記錄微球位置，從而獲得分子形變以及相互作用信息。
[0029]本發(fā)明首先控制高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一恒定轉(zhuǎn)速，使連接于微球上的分子受到一恒定的拉伸力。
[0030]進(jìn)一步的，光學(xué)顯微鏡下，微球的衍射斑紋隨微球與光學(xué)顯微鏡的物鏡距離變化而改變，通過微球衍射斑的形狀的變化情況可以判斷微球在顯微鏡光軸方向的移動(dòng)距離，記錄微球衍射斑紋與微球物鏡距離的變化規(guī)律，獲得微球在受到離心力前后與物鏡間的距離變化，從而獲得連接于微球與基底間的分子受到離心力后的形變，或者兩類分子之間的相互作用的變化。
[0031]通過使用連接于顯微鏡之上的相機(jī)間隔設(shè)定時(shí)間成像，得到成像區(qū)域內(nèi)多個(gè)分子在受到特定外力下隨時(shí)間的形變過程以及兩類分子之間的相互作用距離隨時(shí)間的變化。
[0032]根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例，所述分子為通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PolymeraseChainReact1n, PCR)制備的DNA樣品。PCR反應(yīng)后純化獲得長約3.5kb的一端為地高辛標(biāo)記、另一端為生物素標(biāo)記的雙鏈DNA。將該DNA與表面修飾有地高辛抗體的玻片(分子襯底)反應(yīng)，使DNA連接于玻片表面，另一端與鏈霉親和素修飾的直徑為5微米的微球反應(yīng)相連接。其中微球?yàn)榫郾揭蚁┪⑶?、硅球或磁珠其中的一種或多種構(gòu)成，直徑范圍可為為I μ m-25 μ m。
[0033]將帶有分子樣品和微球的玻片(分子襯底)放置于高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，控制其旋轉(zhuǎn)，使其以轉(zhuǎn)速200rpm恒速旋轉(zhuǎn)，可對(duì)所用微球產(chǎn)生約28皮牛的作用力。高速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)臂長為350毫米，最高轉(zhuǎn)速為700rpm，能夠?qū)ξ⑶虍a(chǎn)生0.1皮牛-5納牛的作用力。
[0034]使用相機(jī)與顯微鏡以每秒15幀記錄圖像，追蹤觀察連接了單根DNA的微球在旋轉(zhuǎn)前后的運(yùn)動(dòng)過程。在50X物鏡下，約有80顆微球可以同時(shí)被記錄，其中約40顆在旋轉(zhuǎn)后被拉離玻片表面約1.1微米。該測(cè)量結(jié)果與原子力顯微鏡、磁鑷、光鑷等測(cè)量結(jié)果一致。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)將光學(xué)成像系統(tǒng)固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，所述光學(xué)成像系統(tǒng)由相機(jī)、光學(xué)顯微鏡和LED燈組成； 2)將微球連接于單分子一端，將分子另一端連接于分子襯底表面，所述分子襯底還可設(shè)置有與所述分子相連接的另一類分子； 3)將設(shè)置有分子和微球的分子襯底固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，所述成像系統(tǒng)、分子襯底與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成一體，通過控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速來控制所述微球所受離心力的大小； 4)使用光學(xué)顯微鏡和相機(jī)追蹤記錄微球位置，從而獲得分子的形變信息及分子間的相互作用信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，通過改變旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速，對(duì)連接于微球上的分子施加不同大小的拉伸作用力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，在所述光學(xué)顯微鏡下，所述微球的衍射斑紋隨微球與物鏡距離變化而改變，記錄所述微球衍射斑紋與物鏡距離的變化規(guī)律，獲得微球在受到離心力前后與物鏡間的距離變化，從而獲得所述分子受到離心力后的形變特征或兩類分子之間相互作用的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，使用離焦成像技術(shù)對(duì)微球進(jìn)行三維位置跟蹤，得到微球在三維空間中的位置信息，從而獲得所述分子受到離心力后的形變特征或兩類分子之間相互作用的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，所述分子為通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制備的DNA樣品。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，所述微球由聚苯乙烯微球、硅球或磁珠其中的一種或多種組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，所述微球直徑為I μ m - 25 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，所述分子襯底為玻片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速范圍為O - 700rpm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，其特征在于，該方法中對(duì)單分子施加的作用力范圍從0.1皮牛級(jí)到納牛級(jí)，并適合多種單分子力譜的測(cè)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于離心力的并行高通量單分子力譜測(cè)試方法，包括以下步驟：1)將光學(xué)成像系統(tǒng)固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，所述光學(xué)成像系統(tǒng)由相機(jī)、光學(xué)顯微鏡和LED燈組成；2)將微球連接于單分子一端，將分子另一端連接于分子襯底表面，分子襯底還可設(shè)置有與所述分子相連接的另一類分子；3)將設(shè)置有分子和微球的分子襯底放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，所述成像系統(tǒng)和分子襯底與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成一體，通過控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速來控制所述微球所受離心力的大??；4)使用光學(xué)顯微鏡和相機(jī)追蹤記錄微球位置，從而獲得分子的形變信息及分子間的相互作用信息。本發(fā)明能夠同時(shí)對(duì)上千顆微球施加離心力，并同時(shí)跟蹤測(cè)量微球位置，進(jìn)而同時(shí)對(duì)多個(gè)分子力譜進(jìn)行并行測(cè)量。
【IPC分類】G01N21-85, G01N21-01
【公開號(hào)】CN104568752
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410819837
【發(fā)明人】胡小唐, 雷海, 胡曉東, 胡春光, 李宏斌
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月24日