CN103792393A

CN103792393A - 基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置及示踪方法

Info

Publication number: CN103792393A
Application number: CN201410029607.2A
Authority: CN
Inventors: 王宏达; 潘延刚; 徐海娇; 蔡明军; 单玉萍; 蒋俊光
Original assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: CN103792393B

Abstract

本发明涉及一种基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置及示踪方法，该示踪方法包括以下步骤：在进行单粒子或单分子示踪测量前对原子力显微镜探针针尖进行检测物的修饰；示踪测量过程中，原子力显微镜探针以恒定的力与被测物表面接触；当检测物与被测物有相互作用时微悬臂发生偏转，扫描器的压电陶瓷的伸缩距离发生变化；利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化的关系以及压电陶瓷的伸缩距离随时间变化关系，实现对于单粒子或单分子的示踪。本发明的原子力显微镜的单粒子或单分子示踪方法能用于研究细胞内吞病毒、纳米粒子等粒子的动态过程，同时也适用于研究葡萄糖、氨基酸等生物小分子在细胞膜上的转运过程。

Description

基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置及示踪方法

技术领域

本发明涉及微观粒子轨迹测量方法技术领域，具体涉及一种基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置及示踪方法。

背景技术

在单分子水平研究生物分子间相互作用的机制，对于深入了解生物分子的特异性识别、生化过程以及分子结构与功能的关系具有极其重要的意义，并已经成为目前生物、化学、物理交叉领域的一个前沿方向（[1]陈宜张，林其谁，生命科学中的单分子行为及细胞内实时检测，1，北京：科学出版社，2005，1-11。[2]M.J.J.A.Dvorak，The application of atomic force microscopy to the study ofliving vertebrate cells in culture，Methods，2003(29)：86-96）。

AFM单分子力谱法以其独特的优越性在生物单分子间相互作用的研究中发挥着十分重要的作用。现有的AFM单分子力谱法具有如下的步骤：

首先使压电陶瓷扫描器和样本表面保持一定距离，AFM探针与样本表面没有接触，微悬臂不发生偏转；压电陶瓷扫描器开始伸长，AFM探针和样本表面接触，微悬臂发生偏转；当压电陶瓷扫描器伸长到用户定义最大范围时，压电陶瓷扫描头开始回缩，AFM探针远离样本表面。

上述的AFM单分子力谱法在研究单粒子与细胞的相互作用方面存在着一定的缺陷，在实验过程中，AFM探针受压电陶瓷扫描器的驱动沿Z方向向细胞表面运动，细胞表面上的动态过程，如内吞、转运等也是在Z方向上的运动，如图1所示，这样使得检测到的力信号容易被认为是AFM探针本身运动产生的而不是细胞表面上的动态过程产生的，因而不能直接客观的研究细胞表面上的动态过程。

发明内容

针对现有技术的AFM单分子力谱法检测到的力信号容易被认为是AFM探针本身运动产生的而不是细胞表面上的动态过程的技术问题，本发明提供一种基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置及示踪方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置，包括：

控制器、扫描器、微悬臂、原子力显微镜探针及激光检测器；

所述扫描器可在所述控制器的控制下按照特定方向伸缩；所述微悬臂的一端安装在所述扫描器上，另一端安装有所述原子力显微镜探针。

所述的基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置的示踪方法，包括以下步骤：

步骤一、在进行单粒子或单分子示踪测量前对原子力显微镜探针针尖进行检测物的修饰；示踪测量过程中，原子力显微镜探针以恒定的力与被测物表面接触；当检测物与被测物有相互作用时微悬臂发生偏转，扫描器的压电陶瓷的伸缩距离发生变化；

步骤二、利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化的关系以及压电陶瓷的伸缩距离随时间变化关系，实现对于单粒子或单分子的示踪。

上述技术方案中，检测物包括：单个单分子、多个单分子、单个病毒或单个纳米粒子。

上述技术方案中，被测物包括：细胞膜、人工磷脂膜、人工纳米孔、能内吞或转运单个分子及颗粒的体系。

上述技术方案中，原子力显微镜探针与被测物表面以小于10pN恒定的力接触。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置，压电陶瓷随时间变化关系能直接反映单个粒子或单分子随时间的位移关系。

本发明的原子力显微镜的单粒子或单分子示踪方法能用于研究细胞内吞病毒、纳米粒子等粒子的动态过程，同时也适用于研究葡萄糖、氨基酸等生物小分子在细胞膜上的转运过程。

本发明的原子力显微镜的单粒子或单分子示踪方法能测量纳米级的运动，同时也适合研究纳米粒子和细胞膜、纳米粒子和人工纳米孔、纳米粒子和人工磷脂膜、分子和细胞膜、分子和人工纳米孔、分子和人工磷脂膜之间的相互作用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为现有技术的AFM单分子力谱法测量的力-距离曲线图；

图2为本发明的原子力显微镜的单粒子或单分子示踪方法电路原理图；

图3中左边的图3A为病毒粒子进入细胞膜之前扫描器压电陶瓷的位置，右边的图3B为病毒进入细胞膜后扫描器压电陶瓷的位置；

图4中上部的图4A为利用原子力显微镜单粒子或单分子示踪方法得到压电陶瓷伸缩随时间变化关系图；下部的图4B为利用原子力显微镜单粒子或单分子示踪方法得到微悬臂偏转随时间变化关系图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明的基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置及示踪方法，在反馈系统的控制下完成进针后，设定一个控制点使AFM探针（原子力显微镜探针）以恒定的力（<10pN）与被测物表面接触，探针的偏转电压和设定的控制点相比较会产生一个偏差。把此偏差信号输送到反馈系统，反馈系统会调节扫描器压电陶瓷位置以确保探针电压和设定的控制点保持一致。当单粒子或单分子受力向下运动时，AFM探针微悬臂会发生偏转，随之原子力显微镜扫描器的压电陶瓷会伸长，利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系以及压电陶瓷伸缩距离随时间变化。本发明避免了压电陶瓷扫描器驱动AFM探针在Z方向的运动对被测物表面动态过程研究的影响。

具体的说，如图2所示，一种基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置，包括：

控制器、扫描器、微悬臂、原子力显微镜探针及激光检测器；所述扫描器可在所述控制器的控制下按照特定方向伸缩；所述微悬臂的一端安装在所述扫描器上，另一端安装有所述原子力显微镜探针。

应用上述示踪装置，本发明还提供一种原子力显微镜的单粒子或单分子示踪方法，该方法具有如下步骤：

步骤一、首先，在进行单粒子或单分子示踪测量前对AFM探针针尖进行检测物的修饰。示踪测量过程中，在反馈系统的控制下完成进针，设定一个控制点使AFM探针以恒定的力和被测物接触；当检测物与被测物之间有相互作用时微悬臂会发生偏转随之扫描器压电陶瓷会发生变化；

步骤二、利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系以及压电陶瓷伸缩随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。

上述的步骤一中，反馈系统主要由控制器、扫描器、微悬臂、AFM探针、激光检测器组成，扫描器在控制器的控制下按照特定方向伸长或缩短，微悬臂的一端安装在扫描器上，另一端安装有AFM探针，通过反馈系统的作用实现进针或回针。AFM探针与样本表面作用时受到的力F=C*S，C为微悬臂弹性系数，S和设定的控制点大小有关。检测物包括单个单分子、多个单分子、单个病毒或单个纳米粒子。被测物包括细胞膜，人工磷脂膜，人工纳米孔，能内吞或转运单个分子及颗粒的体系。该能内吞或转运单个分子及颗粒的体系具体指的是能内吞单个分子及颗粒的体系，或能转运单个分子及颗粒的体系。本发明的原子力显微镜的力示踪方法在接触模式、非接触模式和敲击模式下均可适用。

如图3所示，当探针以恒定力与检测物接触时，由于被测物与检测物之间发生内吞或转运作用，AFM探针针尖受到被测物与检测物产生的力的作用，此时微悬臂发生偏转随之压电陶瓷发生变化。

上述的步骤二中，数据采集卡将采集到的AFM探针微悬臂变化和扫描器压电陶瓷伸缩距离输入至电脑并进行分析处理，实现对于单粒子或单分子的示踪。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

实施例细胞内吞病毒粒子动态过程的研究

将病毒粒子修饰到AFM探针针尖上，在反馈系统的控制下完成进针后，设定控制点使AFM探针和细胞膜表面以恒定力（小于10pN）接触，当病毒粒子内陷到细胞膜里面时，探针微悬臂会向下发生偏转（图4B中所示，偏转大小用力来表示）；为了保持探针微悬臂保持原来的状态，压电陶瓷会在反馈系统的控制下发生伸长（图4A所示，伸长距离为纳米），其中测得伸长距离就为病毒的内陷距离，测得距离范围为100-200纳米；利用数据采集卡采集微悬臂偏转随时间变化关系以及压电陶瓷伸缩距离随时间变化关系并输入至电脑进行分析处理。本方法能测量纳米级的运动，同时也适合研究纳米粒子和细胞膜、纳米粒子和人工纳米孔、纳米粒子和人工磷脂膜、分子和细胞膜、分子和人工纳米孔、分子和人工磷脂膜之间的相互作用。

如图4中的图4A、图4B所示，实验结果表明本发明的优点是：（1）能够得出病毒由于内吞作用而向下运动距离和时间从而计算病毒运动速度（2）避免了AFM探针在Z方向上运动对病毒运动过程的影响。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置，其特征在于，包括：

2.权利要求1所述的基于原子力显微镜的单粒子或单分子示踪装置的示踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的示踪方法，其特征在于，

检测物包括：单个单分子、多个单分子、单个病毒或单个纳米粒子。

4.根据权利要求2所述的示踪方法，其特征在于，

被测物包括：细胞膜、人工磷脂膜、人工纳米孔、能内吞或转运单个分子及颗粒的体系。

5.根据权利要求2所述的示踪方法，其特征在于，原子力显微镜探针与被测物表面以小于10pN恒定的力接触。