CN103344565A

CN103344565A - 一种可控温磁镊装置

Info

Publication number: CN103344565A
Application number: CN2013101241621A
Authority: CN
Inventors: 冉诗勇; 程超; 魏强
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明提供了一种可控温磁镊装置，包括显微成像装置、磁镊装置、样品池、中央监控器、样品台和温控装置，磁镊装置包括磁镊和磁镊控制器，磁镊水平设置在样品池的侧面，并由磁镊控制器控制；生物单分子的一端连接在样品池内远离磁镊的侧壁上，另一端连接一顺磁性磁球，所述顺磁性磁球通过磁镊控制；样品台上设置有一用于容置样品池的样品池凹槽，所述样品池放置在样品池凹槽内；所述样品台由导热材料制成。本发明增加了样品池温控功能，可以通过控制器和半导体制冷片、导热样品台和散热单元实现加热或制冷，并最终达到样品池内的目标温度；样品池采用近一体式结构，制作步骤简易，方便清洗，可重复使用，并且用料节省，密封性好。

Description

一种可控温磁镊装置

技术领域

本发明属于单分子操纵与检测领域，具体涉及一种可控温磁镊装置。

背景技术

分子生物学的兴起使生命科学逐渐摆脱了以描述性为主的研究模式，深入到分子水平，揭示生命现象的本质。尽管生命系统十分复杂，人们还是习惯于以单分子之间的相互作用来思考问题和构建模型。与此相对应，人们一直期待着能够在单分子水平直接研究基本的生命过程。自上世纪90年代以来发展起来的单分子研究技术如光镊、磁镊、玻璃微管和分子梳等，再加上单分子荧光技术，使人们能够直接操纵并检测单个分子的运动及变化，或通过施加外力改变生化反应的进程，研究化学能与机械能之间的相互转化。

单分子操纵常用的技术有原子力显微镜(AFM)、玻璃微针、光镊、磁镊等。这些技术包含两个基本要素:一是测力或施力装置;二是生物分子定位装置。为了实现单分子测量，必须有效地操纵单个分子。操纵方式有两种:一是接触式，如使用玻璃微针(或AFM针尖)，通过与连在DNA上的小球机械接触(或直接与生物分子接触)来操纵分子;二是非接触式，通过光场或磁场控制小球间接地操纵生物分子。非接触式操纵方式测力范围较接触式小，但精度高，应用范围较广泛。

磁镊是把生物分子(一般是DNA)的一端连接在载玻片上，另一端连上一个超顺磁性小球，外加一磁场吸引磁性小球。改变外磁场就可以拉伸或转动顺磁小球，从而拉伸或扭DNA分子。小球在其平衡位置附近做布朗运动，其位置由光学显微镜记录。小球所受的力根据

计算，式中k_B是波尔兹曼常数，T是温度，〈L〉是DNA的平均末端距，其中<δx²>为磁球布朗运动位移x的均方差。

目前国际国内已有相关发明实现磁镊技术。单分子操纵横向磁镊装置（【申请号】CN200610081295.5【申请日】2006-05-29【公开号】CN1869650【公开日】2006-11-29）是其中的一种，其组成包括：显微成像装置、磁镊装置、样品池和中央监控器，磁镊装置包括磁镊和磁镊控制器，磁镊水平设置在样品池的侧面，并由磁镊控制器控制；样品池为一透明的密闭容器，两端有供溶液进出的开口，生物单分子的一端连接在该透明容器内远离磁镊的侧壁上，另一端连接一顺磁性磁球，该磁球通过磁镊控制；显微成像装置设置在样品池的上部或下部，显微成像装置与样品池可在水平方向做相对平移；显微成像装置将获取的图像信息传输给中央监控器进行数据处理。

但是，目前现有磁镊的样品池内部温度只能是室温，而不能人工调节使温度恒定在一个高于室温或低于室温的温度下；此外磁镊样品池设计较初级，非常依赖人工制作水平，制作水平不过关会造成样品池漏水，成像面被密封胶污染模糊不能清楚成像；而且由于样品池近似密封，使用后很难清洗然后重复使用。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提出了一种可控温磁镊装置；该可控温磁镊装置可以恒温控制样品池溶液温度，样品池接近一体式成型制作，密封简便、清洗容易，可重复使用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种可控温磁镊装置，包括显微成像装置、磁镊装置、控温样品台、样品池和中央监控器，磁镊装置包括磁镊和磁镊控制器，磁镊水平设置在样品池的侧面，并由磁镊控制器控制；生物单分子的一端连接在样品池内远离磁镊的侧壁上，另一端连接一顺磁性磁球，所述顺磁性磁球通过磁镊控制；显微成像装置与样品池可在水平方向做相对平移；显微成像装置将获取的图像信息传输给中央监控器进行数据处理；

其特征在于：

所述可控温磁镊装置还包括样品台和温控装置，所述样品台上设置有一用于容置样品池的样品池凹槽，所述样品池放置在样品池凹槽内；所述样品台由导热材料制成；

所述样品池包括一载玻片、一盖玻片和一有机玻璃盖，样品池整体密封；所述盖玻片的侧面抛光；所述有机玻璃盖的下表面设置有盖玻片凹槽、传感器凹槽和流道通槽，传感器凹槽和流道通槽相互连通，所述传感器凹槽内设置有一用于测量样品池溶液温度的温度传感器；所述盖玻片放置在盖玻片凹槽内，盖玻片的上表面与有机玻璃盖粘结，有机玻璃盖的下表面与载玻片粘结；所述流道通槽的两端均为溶液进出口，两个溶液进出口均通过玻璃管接出，并与硅胶管相连；一根硅胶管连接微注射泵，另一根接入样品溶液；

所述温控装置包括控制器、半导体制冷片和散热单元，半导体制冷片安装在样品台上，散热单元安装在半导体制冷片上；所述控制器与温度传感器的输出端以及半导体制冷片的控制端均相连，控制器、半导体制冷片和温度传感器构成一闭环控制系统。

本发明的进一步设置在于，所述半导体制冷片通过一导热固定片固定在样品台上。所述导热固定片可为铝片、铜片等导热材质的固定片。

本发明的进一步设置在于，半导体制冷片和散热单元之间，以及半导体制冷片与导热固定片之间均涂有导热硅脂。如此设置可以提高导热性能。

本发明的进一步设置在于，所述散热单元为一中空循环水冷容器，所述中空循环水冷容器接出两根水管，一根水管与置于外部水溶液中的潜水泵连接，另一根置于外部水溶液中用于水循环。

本发明的进一步设置在于，样品台底端和上端暴露部分贴有隔热片。如此设置可以减少与显微镜平台、空气的热交换。

本发明的进一步设置在于，样品池凹槽的两端设置有用于容置玻璃管的两个凸台。如此设置可以便于玻璃管的固定。

本发明所述的可控温磁镊装置具有如下有益效果：

1、本发明在现有技术的基础上，增加了样品池温控功能，可以通过控制器和半导体制冷片、导热样品台和散热单元实现加热或制冷，并最终达到样品池内的目标温度（即保持样品池的恒温）；温度传感器所测温度是样品池内部溶液温度而非样品池外表面温度，减小了温控误差。

2、本发明中样品台上贴有隔热片，可以有效以减少与外界热交换量，更好达到恒温效果；

3、本发明中样品池采用近一体式结构，制作步骤简易，方便清洗，可重复使用，并且用料节省，密封性好。其中有机玻璃盖可以通过机加工批量生产，设计时考虑了与载玻片表面和侧面的密封方便性，可有效阻止密封胶渗入样品池内部，这样有效提高了制作效率和节省了材料；所设计传感器凹槽可置入传感器并用凡士林密封，使用完毕后移除凡士林放入清洗系统中后可有效清洗样品池达到重复使用的效果。

4、本发明中样品台凹槽部分加工特意没有完全镂空，留有足够多的面积与样品池接触以达到加热或制冷效果。

附图说明

图1为本发明所述可控温磁镊装置的结构示意图；

图2为图1中虚线部分的放大图；

图3为样品池的结构示意图；

图4为有机玻璃盖的结构示意图；

图5为样品台的结构示意图；

图中各标号的含义如下:

微成像装置1、磁镊装置2、样品池3、中央监控器4、样品台5、顺磁性磁球6、侧壁7、半导体制冷片8、散热单元9、导热固定片10、载玻片31、盖玻片32、有机玻璃盖33、盖玻片凹槽34、传感器凹槽35、流道通槽36、溶液进出口37、高台38、样品池凹槽51、凸台52。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1、2所示，本发明提供了一种可控温磁镊装置，包括显微成像装置1、磁镊装置2、样品池3、中央监控器4、样品台5和温控装置，磁镊装置2包括磁镊和磁镊控制器，磁镊水平设置在样品池的侧面，并由磁镊控制器控制；生物单分子的一端连接在样品池内远离磁镊的侧壁7上，另一端连接一顺磁性磁球6，所述顺磁性磁球6通过磁镊控制；显微成像装置1与样品池3可在水平方向做相对平移；显微成像装置1将获取的图像信息传输给中央监控器4进行数据处理。

顺磁性磁球6在焦平面x方向的运动相当于一个阻尼摆运动。热运动涨落力倾向于让小球偏离平衡位置δx,导致了回复力dF_x≈-Fδx/<L>=-k_xδx与之平衡,其中F为外力，L为DNA的末端距长度即磁球到侧壁的距离，k_x=F/<L>，是该阻尼摆的有效刚度.根据能量均分定理，小球在垂直磁场方向即x方向自由度上的能量为K_BT/2,该方向上的能量也等于k_x<δx²>/2，这样K_BT/2=k_x<δx²>/2=F<δx²>/(2<L>),得到：F=K_BT<L>/<δx²>，其中，K_B为波尔兹曼常数，T为热力学温度，<δx²>为磁球布朗运动X方向的均方差。磁球的运动轨迹利用基于快速傅立叶变化的自相关算法程序分析采集的视频得到。这样dx和〈L〉可以通过图像分析直接得到并通过上式求得外力大小。

如图3所示，所述样品台5上设置有一用于容置样品池3的样品池凹槽51，所述样品池3放置在样品池凹槽51内；所述样品台5由导热材料制成（比如铝或铜等材料）；样品池凹槽51的两端设置有用于容置玻璃管的两个凸台52，如此设置可以便于样品池3中玻璃管的固定。

如图4、5所示，所述样品池3包括一载玻片31、一盖玻片32和一有机玻璃盖33，样品池3整体密封；所述盖玻片32的侧面抛光；所述有机玻璃盖33的下表面设置有盖玻片凹槽34、传感器凹槽35和流道通槽36，传感器凹槽35和流道通槽36相互连通，所述传感器凹槽35内设置有一用于测量样品池溶液温度的温度传感器；所述盖玻片32放置在盖玻片凹槽34 内，上表面与有机玻璃盖33通过无影胶粘结，有机玻璃盖33与载玻片31通过玻璃胶粘结；流道通槽36的侧面设置有一高出有机玻璃盖33下表面的高台38，目的在于密封侧面的时候防止密封胶渗入内腔。

所述流道通槽36的两端均为溶液进出口37，两个溶液进出口37均通过玻璃管接出，并与硅胶管相连；一根硅胶管连接微注射泵，另一根接入样品溶液；通过调节微注射泵的流速和拉伸方式，可以使样品进入或流出样品池。

所述温控装置包括控制器、半导体制冷片8和散热单元9，半导体制冷片8安装在样品台5上，散热单元9安装在半导体制冷片8上；所述控制器与温度传感器的输出端以及半导体制冷片8的控制端均相连，控制器、半导体制冷片8和温度传感器构成一闭环控制系统。温度传感器实时检测样品池中溶液的温度，并将所述温度值输出至控制器，控制器判断当前温度是否达到预期温度，之后控制半导体制冷片8进行加热或冷却，如此循环，实现样品池内的恒温。

其中，所述半导体制冷片8通过一导热固定片10固定在样品台5上。所述导热固定片10可为铝片、铜片等导热材质的固定片。半导体制冷片8和散热单元9之间，以及半导体制冷片8与导热固定片10之间均涂有导热硅脂。如此设置可以提高导热性能。所述散热单元9为一中空循环水冷容器，所述中空循环水冷容器接出两根水管，一根水管与置于外部水溶液中的潜水泵连接，另一根置于外部水溶液中用于水循环。

样品台5的底端和上端暴露部分贴有隔热片。如此设置可以减少与显微镜平台、空气的热交换。

采用本发明所述的可控温磁镊装置进行实验前，需要配制磷酸盐缓冲液（PBS）溶液以及其他试剂，即所需溶质：16ml0.2mM的NaH₂PO₄·2H₂O与84ml0.2mMNa₂HPO₄·12H₂O混合得到100ml的PBS溶液，再加入NaCl达到140mM。然后对其进行过滤以待用。该缓冲液的PH值为7.5。

DNA样品制备采用lambdaDNA（New EnglandBiolab）用于实验，其两端各有12bp的缺口，定制与缺口互补并且分别修饰有生物素和地高辛功能基的12个碱基的寡核酸片断，利用连接酶将两个片断补上得到两端修饰的DNA。实验时DNA与2.8μm修饰有链亲和素的顺磁球（DynalBiotech，M-280）混合，因为生物素与链亲和素能够形成共价键，这样就可以得到连有磁球的DNA。

整个实验在一倒置显微镜（Nikon-TE2000U）上进行。样品池3内充满PH值为7.5的磷酸盐缓冲液。利用生化手段将一个半径为1.4μm的顺磁性磁球6连接上一根λ-DNA分子，DNA分子的另一端固定于侧壁7上，形成如图1所示的结构。样品池3一侧安装了手动微操纵仪控制的永磁铁，通过吸引顺磁球对DNA施加拉力。可以通过改变永磁铁的位置来改变磁力大小。实验中可通过温控装置调节样品池溶液温度。顺磁性磁球6的运动通过外接CCD以每秒25帧成像实时传送到计算机主机上安装的图像采集卡，并录像保存供分析。

以上所述为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的等同变化，皆应属本发明的保护范围。

Claims

1.一种可控温磁镊装置，包括显微成像装置、磁镊装置、样品池和中央监控器，磁镊装置包括磁镊和磁镊控制器，磁镊水平设置在样品池的侧面，并由磁镊控制器控制；生物单分子的一端连接在样品池内远离磁镊的侧壁上，另一端连接一顺磁性磁球，所述顺磁性磁球通过磁镊控制；显微成像装置与样品池可在水平方向做相对平移；显微成像装置将获取的图像信息传输给中央监控器进行数据处理；

其特征在于：

2.根据权利要求1所述的可控温磁镊装置，其特征在于，所述半导体制冷片通过一导热固定片固定在样品台上。

3.根据权利要求2所述的可控温磁镊装置，其特征在于，半导体制冷片和散热单元之间，以及半导体制冷片与导热固定片之间均涂有导热硅脂。

4.根据权利要求1所述的可控温磁镊装置，其特征在于，所述散热单元为一中空循环水冷容器，所述中空循环水冷容器接出两根水管，一根水管与置于外部水溶液中的潜水泵连接，另一根置于外部水溶液中用于水循环。

5.根据权利要求1所述的可控温磁镊装置，其特征在于，样品台底端和上端暴露部分贴有隔热片。

6.根据权利要求1所述的可控温磁镊装置，其特征在于，样品池凹槽的两端设置有用于容置玻璃管的两个凸台。

7.根据权利要求1所述的可控温磁镊装置，其特征在于，流道通槽的侧面设置有一高出有机玻璃盖下表面的高台。