CN104568752A - 基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，包括以下步骤：1)将光学成像系统固定在旋转平台上，所述光学成像系统由相机、光学显微镜和LED灯组成；2)将微球连接于单分子一端，将分子另一端连接于分子衬底表面，分子衬底还可设置有与所述分子相连接的另一类分子；3)将设置有分子和微球的分子衬底放置在旋转平台上，所述成像系统和分子衬底与旋转平台组成一体，通过控制旋转平台的转速来控制所述微球所受离心力的大小；4)使用光学显微镜和相机追踪记录微球位置，从而获得分子的形变信息及分子间的相互作用信息。本发明能够同时对上千颗微球施加离心力，并同时跟踪测量微球位置，进而同时对多个分子力谱进行并行测量。

Description

基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法

技术领域

本发明涉及单分子力谱测量领域，更具体的说，是涉及一种基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法。

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。光镊是利用光探针对单分子进行操纵并测量力谱；磁镊是通过对链接单分子的磁珠施加磁场，对磁珠产生作用力从而对单分子进行操纵；原子力显微镜是将单分子粘附在测量探针上，通过探针形变对单分子力谱进行测量。这三种装置可以对单个分子产生一恒定作用力，该分子会随之伸展形变。但是光镊、原子力显微镜以及常规的磁镊通常只能一次测量一个分子，无法获得具有统计意义的实验结果。特殊的磁镊可以同时测量多个单分子，但是其对施加磁力的统一性非常困难，且其施加的力的范围较小，具有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于离心力的并行大通量单分子力谱方法，能够同时对上千颗微球施加离心力，并同时跟踪测量微球位置，进而同时对多个分子力谱进行并行测量，并且该方法中施加离心力的范围为可以从皮牛级到纳牛级。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，包括以下步骤：

1)将光学成像系统固定在旋转平台上，所述光学成像系统由相机、光学显微镜和LED灯组成；

2)将微球连接于单分子一端，将分子另一端连接于分子衬底表面，所述分子衬底还可设置有与所述分子相连接的另一类分子；

3)将设置有分子和微球的分子衬底放置在旋转平台上，所述成像系统和分子衬底与旋转平台组成一体，通过控制旋转平台的转速来控制所述微球所受离心力的大小；

4)使用光学显微镜和相机追踪记录微球位置，从而获得分子的形变信息及分子间的相互作用信息。

通过改变旋转平台转速，对连接于微球上的分子施加不同大小的拉伸作用力。

在所述光学显微镜下，所述微球的衍射斑纹随微球与物镜距离变化而改变，记录所述微球衍射斑纹与物镜距离的变化规律，获得微球在受到离心力前后与物镜间的距离变化，从而获得所述分子受到离心力后的形变特征或两类分子之间相互作用的变化。

使用离焦成像技术对微球进行三维位置跟踪，得到微球在三维空间中的位置信息，从而获得所述分子受到离心力后的形变特征或两类分子之间相互作用的变化。

所述分子为通过聚合酶链式反应制备的DNA样品。

所述微球由聚苯乙烯微球、硅球或磁珠其中的一种或多种组成。

所述微球直径为1μm-25μm。

所述分子衬底为玻片。

所述旋转平台的转速范围为0-700rpm。

该方法中对单分子施加的作用力范围从0.1皮牛级到纳牛级，并适合多种单分子力谱的测量。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明中的分子衬底上可以同时设置很多个与分子样品相连接的微球，并通过旋转平台同时对微球施加离心力，对微球产生的离心力相同，具有非常高的同一性。

2、本发明中的光学成像系统能实时跟踪测量微球位置并记录，因此可以快速准确的并行测试单分子力谱。

3、本发明中旋转平台最高转速可达700rpm对分子施加的作用力范围可以从皮牛级到纳牛级。

4、本发明方法适合多种单分子力谱的测量。

具体实施方式

本发明提出一种基于离心力的并行高通量单分子力谱方法，包括下列步骤：

步骤1：搭建光学成像系统，并将其固定在高速旋转平台上，光学成像系统由以太网相机，光学显微镜和高能红光LED灯组成；

步骤2：将微球连接于分子一端，将分子的另一端连接于分子衬底表面，或者在分子衬底表面连接另一类分子，两类分子通过特定的相互作用连接；

步骤3：将包括有微球和分子的分子衬底固定在高速旋转平台上，此时光学成像系统、分子衬底及高速旋转平台组成一体，通过控制转台旋转对微球施加离心力，并通过控制转速来控制微球所受离心力的大小；

步骤4：使用光学显微镜及相机追踪记录微球位置，从而获得分子形变以及相互作用信息。

本发明首先控制高速旋转平台旋转，在短时间内达到一恒定转速，使连接于微球上的分子受到一恒定的拉伸力。

进一步的，光学显微镜下，微球的衍射斑纹随微球与光学显微镜的物镜距离变化而改变，通过微球衍射斑的形状的变化情况可以判断微球在显微镜光轴方向的移动距离，记录微球衍射斑纹与微球物镜距离的变化规律，获得微球在受到离心力前后与物镜间的距离变化，从而获得连接于微球与基底间的分子受到离心力后的形变，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，所述分子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3.5kb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(分子衬底)反应，使DNA连接于玻片表面，另一端与链霉亲和素修饰的直径为5微米的微球反应相连接。其中微球为聚苯乙烯微球、硅球或磁珠其中的一种或多种构成，直径范围可为为1μm-25μm。

将带有分子样品和微球的玻片(分子衬底)放置于高速旋转平台上，控制其旋转，使其以转速200rpm恒速旋转，可对所用微球产生约28皮牛的作用力。高速旋转平台的旋转臂长为350毫米，最高转速为700rpm，能够对微球产生0.1皮牛-5纳牛的作用力。

使用相机与显微镜以每秒15帧记录图像，追踪观察连接了单根DNA的微球在旋转前后的运动过程。在50X物镜下，约有80颗微球可以同时被记录，其中约40颗在旋转后被拉离玻片表面约1.1微米。该测量结果与原子力显微镜、磁镊、光镊等测量结果一致。

Claims (10)

1.基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将光学成像系统固定在旋转平台上，所述光学成像系统由相机、光学显微镜和LED灯组成；

2)将微球连接于单分子一端，将分子另一端连接于分子衬底表面，所述分子衬底还可设置有与所述分子相连接的另一类分子；

3)将设置有分子和微球的分子衬底固定在旋转平台上，所述成像系统、分子衬底与旋转平台组成一体，通过控制旋转平台的转速来控制所述微球所受离心力的大小；

4)使用光学显微镜和相机追踪记录微球位置，从而获得分子的形变信息及分子间的相互作用信息。

2.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，通过改变旋转平台转速，对连接于微球上的分子施加不同大小的拉伸作用力。

3.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，在所述光学显微镜下，所述微球的衍射斑纹随微球与物镜距离变化而改变，记录所述微球衍射斑纹与物镜距离的变化规律，获得微球在受到离心力前后与物镜间的距离变化，从而获得所述分子受到离心力后的形变特征或两类分子之间相互作用的变化。

4.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，使用离焦成像技术对微球进行三维位置跟踪，得到微球在三维空间中的位置信息，从而获得所述分子受到离心力后的形变特征或两类分子之间相互作用的变化。

5.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，所述分子为通过聚合酶链式反应制备的DNA样品。

6.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，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种或多种组成。

7.根据权利要求1或6所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，所述微球直径为1μm‐25μm。

8.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，所述分子衬底为玻片。

9.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，所述旋转平台的转速范围为0‐700rpm。

10.根据权利要求1所述的基于离心力的并行高通量单分子力谱测试方法，其特征在于，该方法中对单分子施加的作用力范围从0.1皮牛级到纳牛级，并适合多种单分子力谱的测量。