CN102507724A - 基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，将单个分子连接于磁珠之上，放置于线圈中。通过直流升压电路对电容充电获得高电压，然后使电容对电磁线圈放电，线圈电流上升至一定水平后，直流稳压电源开始稳定对线圈供电，从而在短时间内迅速在线圈外部产生一个稳定磁场，对多个磁珠产生基本相同作用力。通过显微镜观察磁珠衍射斑的变化，判断磁珠相对基底之间的移动距离，使用相机间隔设定时间成像，从而可以同时得到多个分子进行单分子力谱测量。

Description

基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法
技术领域
本发明涉及单分子力谱测量领域，且特别涉及一种基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法。
背景技术
单分子力谱装置主要包括：光镊、磁镊以及原子力显微镜等。其中磁镊(Magnetic tweezers)主要分为两类：永磁体磁镊和电磁铁磁镊。永磁体磁镊通过永磁铁产生磁场梯度，从而对磁珠产生作用力，该作用力相对较大，噪音和漂移较小。通过调节磁铁与磁珠的相对位置改变产生的作用力；而电磁铁磁镊使用电磁线圈产生磁场，通过控制电磁铁线圈中的电流变化来控制电磁场的变化，从而更快更容易的控制对磁珠产生的力。
磁镊可以对单个分子产生一恒定作用力，该分子也会随之伸展形变。这类形变通常可以通过显微镜观测到，通过相机追踪记录。但是磁镊以及其它研究单分子作用力的技术与手段通常只能一次测量一个分子，获得具有统计意义的实验结果十分耗时耗力。
在已有磁镊基础上改造的可以同时对多个磁珠施加力并探测这些磁珠的运动轨迹的方法均是使用永磁体作为磁场源。该方法虽然可以对一定范围内的分子产生基本相同的作用力，但是由于使用永磁体，只能通过调节磁铁与磁珠间的相对位置来控制对磁珠产生的力，因此很难在短时间内快速控制力的变化。
发明内容
本发明提出一种基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，解决单分子力谱特别是磁镊测量中每次只能测量一个分子，以及不能快速施加恒定外力的问题，使得数据采集更快速，测量更为精确。
为了达到上述目的，本发明提出一种基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，包括下列步骤：
通过直流升压电路对电容充电，然后使电容对电磁线圈放电，电磁线圈中电流上升；
当电磁线圈电流上升至设定水平后，直流稳压电源开始稳定对电磁线圈供电，从而在电磁线圈外部产生一个稳定磁场；
将磁珠连接于分子一端，将分子另一端连接与基底表面，或者在基底表面连接另一类分子，两类分子通过特定相互作用连接；
将包括磁珠与基底的样品置于电磁线圈附近，通过开启控制电磁线圈电流来控制磁场的开启与大小，进而控制磁珠所受磁场力的大小；
使用倒置显微镜和相机追踪记录磁珠位置，从而获得分子形变以及相互作用信息。
进一步的，该方法通过快速驱动电磁线圈产生磁场，对磁珠产生作用力，进而对连接于磁珠上的分子施加一个恒定或可控变化的力，起到拉伸作用，根据控制线圈中电流的大小得到不同大小的作用力。
进一步的，磁珠在倒置明场显微镜下，其衍射斑纹随磁珠与物镜距离变化而改变，记录磁珠衍射斑纹与磁珠物镜距离的变化规律，获得磁珠在受到磁场力前后与物镜间的距离变化，从而获得连接于磁珠与基底间的分子受到磁场力后的形变，或者两类分子之间的相互作用的变化。
进一步的，通过使用连接于倒置显微镜之上的相机间隔设定时间成像，得到成像区域内多个分子在受到特定外力下随时间的形变过程以及两类分子之间的相互作用距离随时间的变化。
进一步的，所述样品为通过聚合酶链式反应制备的DNA样品。
进一步的，所述基底为玻片。
进一步的，所述通过直流升压电路对电容充电，然后使电容对电磁线圈放电步骤为使用直流升压电路对100微法电容充电至500V，再使电容对电磁线圈放电。
进一步的，所述直流稳压电源开始稳定对电磁线圈供电，从而在电磁线圈外部产生一个稳定磁场步骤为使用直流稳压电源提供8A电流，在5ms内使得电磁线圈产生稳定磁场，对所述磁珠产生20pN作用力。
本发明提出的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，由于使用了电磁线圈，可以更准确、更方便的控制磁场大小，由于使用了初始高电压电容放电，使得电磁线圈产生的磁场可以在很短时间内达到预定值，从而大大提高了测量过程的时间分辨率。同时所设计的磁场在一定范围内比较均匀，对磁珠产生的作用力基本相同，而且主要为垂直于基底方向作用力，其它方向较小。因此本方法可以快速准确，同时分别对多个单根分子产生基本相同的恒定作用力；也可以通过控制线圈形状或电流变化分别对特定区域内的多个单根分子产生特定不同的恒定作用力或随时间特定变化的作用力。因此，可以在一次实验中同时进行多次单分子力谱测量，节省了时间与实验材料。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法流程图。
具体实施方式
请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法流程图。
本发明提出一种基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，包括下列步骤：
步骤S100：通过直流升压电路对电容充电，然后使电容对电磁线圈放电，电磁线圈中电流上升；
步骤S200：当电磁线圈电流上升至设定水平后，直流稳压电源开始稳定对电磁线圈供电，从而在电磁线圈外部产生一个稳定磁场；
步骤S300：将磁珠连接于分子一端，将分子另一端连接与基底表面，或者在基底表面连接另一类分子，两类分子通过特定相互作用连接；
步骤S400：将包括磁珠与基底的样品置于电磁线圈附近，通过开启控制电磁线圈电流来控制磁场的开启与大小，进而控制磁珠所受磁场力的大小；
步骤S500：使用倒置显微镜和相机追踪记录磁珠位置，从而获得分子形变以及相互作用信息。
本发明首先使用直流升压电路对电容充电，使电容两侧电压达到预定值后，转换为电容对电磁线圈放电，使电磁线圈中电流迅速上升，当线圈中电流上升至一定值后，直流稳压电源开始对电磁线圈稳定供电，从而使电磁线圈在短时间内迅速产生一稳定磁场，使连接于磁珠之上的分子受到一恒定的拉伸力。
该方法通过快速驱动电磁线圈产生磁场，对磁珠产生作用力，进而对连接于磁珠上的分子施加一个恒定或可控变化的力，起到拉伸作用，根据控制线圈中电流的大小得到不同大小的作用力。
进一步的，磁珠在倒置明场显微镜下，其衍射斑纹随磁珠与物镜距离变化而改变，通过磁珠衍射斑的形状的变化情况可以判断磁珠在显微镜光轴方向的移动距离，记录磁珠衍射斑纹与磁珠物镜距离的变化规律，获得磁珠在受到磁场力前后与物镜间的距离变化，从而获得连接于磁珠与基底间的分子受到磁场力后的形变，或者两类分子之间的相互作用的变化。
通过使用连接于倒置显微镜之上的相机间隔设定时间成像，得到成像区域内多个分子在受到特定外力下随时间的形变过程以及两类分子之间的相互作用距离随时间的变化。
根据本发明较佳实施例，所述样品为通过聚合酶链式反应(Polymerase ChainReaction，PCR)制备的DNA样品。PCR反应后纯化获得长约6kb的一端为地高辛标记、另一端为生物素标记的双链DNA。将该DNA与表面修饰有地高辛抗体的玻片(基底)反应，使DNA连接于玻片表面，另一端与链霉素亲和素修饰的直径为2.8微米的磁珠反应相连接。
将样品放置于5000匝中空电磁线圈内，使用直流升压电路对100微法电容充电至约500V，再使电容对线圈放电，使用直流稳压电源提供8A电流，在5ms内线圈产生稳定磁场，可对所用磁珠产生约20pN作用力。
使用相机与倒置显微镜以每10ms记录一次图像的速度追踪观察连接了单根DNA的磁珠在磁场开启前后的运动过程。在40X物镜下，约有100个磁珠可以同时被记录，其中约50个在磁场开启后被拉离玻片表面约2微米。该测量结果与原子力显微镜、传统磁镊等测量结果一致。
综上所述，本发明提出的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，由于使用了电磁线圈，可以更准确、更方便的控制磁场大小，由于使用了初始高电压电容放电，使得电磁线圈产生的磁场可以在很短时间内达到预定值，从而大大提高了测量过程的时间分辨率。同时所设计的磁场在一定范围内比较均匀，对磁珠产生的作用力基本相同，而且主要为垂直于基底方向作用力，其它方向较小。因此本方法可以快速准确，同时分别对多个单根分子产生基本相同的恒定作用力；也可以通过控制线圈形状或电流变化分别对特定区域内的多个单根分子产生特定不同的恒定作用力或随时间特定变化的作用力。因此，可以在一次实验中同时进行多次单分子力谱测量，节省了时间与实验材料。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，包括下列步骤：
通过直流升压电路对电容充电，然后使电容对电磁线圈放电，电磁线圈中电流上升；
当电磁线圈电流上升至设定水平后，直流稳压电源开始稳定对电磁线圈供电，从而在电磁线圈外部产生一个稳定磁场；
将磁珠连接于分子一端，将分子另一端连接与基底表面，或者在基底表面连接另一类分子，两类分子通过特定相互作用连接；
将包括磁珠与基底的样品置于电磁线圈附近，通过开启控制电磁线圈电流来控制磁场的开启与大小，进而控制磁珠所受磁场力的大小；
使用倒置显微镜和相机追踪记录磁珠位置，从而获得分子形变以及相互作用信息。
2.根据权利要求1所述的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，该方法通过快速驱动电磁线圈产生磁场，对磁珠产生作用力，进而对连接于磁珠上的分子施加一个恒定或可控变化的力，起到拉伸作用，根据控制线圈中电流的大小得到不同大小的作用力。
3.根据权利要求1所述的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，磁珠在倒置明场显微镜下，其衍射斑纹随磁珠与物镜距离变化而改变，记录磁珠衍射斑纹与磁珠物镜距离的变化规律，获得磁珠在受到磁场力前后与物镜间的距离变化，从而获得连接于磁珠与基底间的分子受到磁场力后的形变，或者两类分子之间的相互作用的变化。
4.根据权利要求1所述的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，通过使用连接于倒置显微镜之上的相机间隔设定时间成像，得到成像区域内多个分子在受到特定外力下随时间的形变过程以及两类分子之间的相互作用距离随时间的变化。
5.根据权利要求1所述的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，所述样品为通过聚合酶链式反应制备的DNA样品。
6.根据权利要求1所述的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，所述基底为玻片。
7.根据权利要求1所述的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，所述通过直流升压电路对电容充电，然后使电容对电磁线圈放电步骤为使用直流升压电路对100微法电容充电至500V，再使电容对电磁线圈放电。
8.根据权利要求1所述的基于磁场力的平行大通量单分子力谱方法，其特征在于，所述直流稳压电源开始稳定对电磁线圈供电，从而在电磁线圈外部产生一个稳定磁场步骤为使用直流稳压电源提供8A电流，在5ms内使得电磁线圈产生稳定磁场，对所述磁珠产生20pN作用力。
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