CN108645795B - 一种多通道单蛋白磁镊测控方法和系统 - Google Patents
一种多通道单蛋白磁镊测控方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多通道单蛋白磁镊测控方法和系统，所述方法包括以下步骤：首先进行蛋白样品的制备，通过自动探测或人工干预识别视野内要追踪的多个微珠，同时选择合适的参考微珠；然后通过马达控制磁铁的升降和旋转，来控制样品中微珠所受力和转矩的大小，进行校正后实时显示，同时通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠的三维坐标，通过波形实时显示系着微珠的蛋白质长度的实时变化；将经过校正后实时显示的微珠所受力和转矩的大小以及实时显示的蛋白质长度进行存储，至此为止，视野内的多个微珠已采集处理完毕，换至样品的下一视野，重复上述步骤测量蛋白质分子的力学性质。所述方法能够实现多个研究对象的同时快速取样，实现高通量测量。
Description
技术领域
本发明涉及显微测控和蛋白质分子检测领域，具体涉及一种多通道单蛋白磁镊测控方法和系统。
背景技术
与光谱一样，每个生物分子都有自己独特的力谱。所述力谱是指分子所受作用力与形变的关系。通过力谱来考察分子功能、检测分子性质的研究方兴未艾。基于力学的操作和检测技术，如：光镊、磁镊、原子力显微镜、生物力探针等都有较大的发展，测量精度较高，测量的长度和力的大小分别属于纳米级和皮牛级的。但相比较而言，磁镊能够在生物分子无损伤的情况下，对样品分子进行力程范围较广的力学拉伸试验，从接近生理条件的亚皮牛至几百皮牛，并且能产生扭矩控制生物分子的折叠状态。但是这些技术包括现有的磁镊，一次只能观测一个分子，要得到有统计意义的结果，单分子方法需要耗费大量时间。
另一方面，蛋白质的结构和功能检测一般采用X射线衍射、电镜等技术，这些技术一般只能观察静态的图像，不能动态观测。而且这些设备造价高昂，对于蛋白质分子相关的功能试验，样品制备过程复杂，一般需要进行基因工程重组添加荧光基团、组氨酸标记之类的标记。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种多通道单蛋白磁镊测控方法，所述方法在传统磁镊测控的基础上由单通道升级为多通道，通过改进样品制备方法，对多通道的图像进行采集、处理和分析，能够实现多个研究对象的同时快速取样，得到大量统计数据，实现高通量测量。
本发明的另一目的在于提供一种多通道单蛋白磁镊测控系统。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种多通道单蛋白磁镊测控方法，所述方法包括以下步骤：
首先进行蛋白样品的耦联制备，采用活性氨基基团，在存在碳二亚胺(EDAC或EDC)的溶液中，将蛋白的羧基端与含有对应功能基团的微珠结合，蛋白的氨基端与含有对应功能基团的玻片结合，确保能够通过操控玻片或微珠控制蛋白两个固定端，对蛋白施加力的作用并进行测量；
对磁镊测控系统的参数进行设定，通过自动探测或人工干预识别视野内要追踪的多个微珠，同时选择合适的参考微珠；
通过马达控制磁铁的升降和旋转，进而控制样品中微珠所受力和转矩的大小，并对马达控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正后实时显示，同时通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠的三维坐标，通过波形实时显示系着微珠的蛋白质长度的实时变化；
将经过校正后实时显示的微珠所受力和转矩的大小以及实时显示的蛋白质长度进行存储，至此为止，视野内的多个微珠已采集处理完毕，换至样品的下一视野，重复上述步骤测量蛋白质分子的力学性质。
进一步地，所述对马达控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正的具体过程为：设置磁镊测控系统中磁铁竖直方向运动的初始位置和末尾位置以及磁铁的间距，统计磁铁在不同位置时多个微珠所受力和转矩大小的平均值，绘制标准的磁铁位置与微珠受力关系曲线图，通过该曲线图对马达控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正。
进一步地，所述通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠三维坐标的具体过程为：将通过自动探测或人工干预识别到的多个微珠利用象限插补算法同时进行x、y坐标的计算，再用多点对焦系统对微珠进行z坐标的计算。
进一步地，所述蛋白样品为任意蛋白分子。
本发明的另一目的可以通过如下技术方案实现：
一种多通道单蛋白磁镊测控系统，所述系统包括磁路单元、显微成像单元、数据采集和处理单元、载物台和样品池，其中所述磁路单元包括磁铁和控制磁铁的马达，所述显微成像单元包括物镜、光源、分光镜、控制物镜移动的压电驱动器和探测图像的图像传感器，所述数据采集和处理单元包括计算机以及计算机中的数据分析软件；
样品池放置于载物台上，光源输出光信号通过分光镜经物镜投射到样品池中，样品池反射的光信号再进入物镜传送到图像传感器，通过计算机能够控制压电驱动器，进而带动物镜移动，观察样品池中的不同水平位置，图像传感器将图像信息传送至数据采集和处理单元，样品池下方的磁铁由马达控制进行磁铁的升降和旋转，进而控制样品中微珠所受力和转矩的大小，马达与数据采集和处理单元中的计算机相连，从而对马达进行操纵。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明的多通道单蛋白磁镊测控方法和系统，能够对多通道的图像进行采集、处理和分析，实现多个研究对象的同时快速取样，得到大量统计数据，实现高通量测量。
2、本发明的微珠定位追踪技术能够实现微珠精准定位，测得数据的误差较小，将数据采集的准确度提高到了纳米级。
3、本发明中所述对马达控制下微珠所受力和转矩大小的校正技术避免了传统测力数值不稳定的情况，将数据采集的准确度提高到了0.01皮牛。
4、本发明所述蛋白样品的耦联制备方法不需要基因工程重组改变氨基酸来对蛋白进行额外标记，步骤简单，适用于任何蛋白。
附图说明
图1为本发明实施例多通道单蛋白磁镊测控方法的流程图。
图2为本发明实施例通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠三维坐标的流程图。
图3为本发明实施例对马达控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正的流程图。
图4为本发明实施例多通道单蛋白磁镊测控系统的结构图。
其中，1-图像传感器，2-光源，3-压电驱动器，4-计算机，5-马达，6-载物台，7-样品池，8-物镜，9-分光镜，10-磁铁。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种多通道单蛋白磁镊测控方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：
首先进行蛋白样品的耦联制备，将适量蛋白溶解，用配置的EDC激活蛋白的羧基,然后往蛋白溶液中加入氨基微珠，发生羟胺反应，2小时后，氨基微珠就结合上蛋白的羧基端了,这时蛋白的氨基还暴露在外,采用传统方法制备戊二醛修饰的玻片，把氨基微珠-蛋白复合体加到玻片上，氨基与醛基反应，将微珠桥接到玻片上；
图4为多通道单蛋白磁镊测控系统的装置图，包括磁路单元、显微成像单元、数据采集和处理单元、载物台(6)和样品池(7)，其中所述磁路单元包括磁铁(10)和控制磁铁(10)的马达(5)，所述显微成像单元包括物镜(8)、光源(2)、分光镜(9)、控制物镜(8)移动的压电驱动器(3)和探测图像的图像传感器(1)，所述数据采集和处理单元包括计算机(4)以及计算机(4)中的数据分析软件；样品池(7)放置于载物台(6)上，光源(2)输出光信号通过分光镜(9)经物镜(8)投射到样品池(7)中，样品池(7)反射的光信号再进入物镜(8)传送到图像传感器(1)，通过计算机(4)能够控制压电驱动器(3)，进而带动物镜(8)移动，观察样品池(7)中的不同水平位置，图像传感器(1)将图像信息传送至数据采集和处理单元，样品池(7)下方的磁铁(10)由马达(5)控制进行磁铁(10)的升降和旋转，进而控制样品中微珠所受力和转矩的大小，马达(5)与数据采集和处理单元中的计算机(4)相连，从而对马达(5)进行操纵。
将样品池(7)放置在载物台(6)上，样品池(7)中的样品蛋白质一端与盖玻片相连，一端与微珠相连，微珠朝下放置，没有与蛋白质相连的微珠视为参考微珠，直接粘连在盖玻片上，对磁镊测控系统的参数进行设定，通过自动探测或人工干预识别视野内要追踪的多个微珠；
通过马达(5)控制磁铁(10)的升降和旋转，进而控制样品中微珠所受力和转矩的大小，并对马达(5)控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正后实时显示，同时通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠的三维坐标，通过波形实时显示系着微珠的蛋白质长度的实时变化；其中所述对马达(5)控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正的流程图如图3所示，具体过程为：设置磁镊测控系统中磁铁(10)竖直方向运动的初始位置和末尾位置以及磁铁(10)的间距，统计磁铁(10)在不同位置时多个微珠所受力和转矩大小的平均值，绘制标准的磁铁位置与微珠受力关系曲线图，通过该曲线图对马达(5)控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正。所述通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠三维坐标的流程图如图2所示，具体过程为：将通过自动探测或人工干预识别到的多个微珠利用象限插补算法同时进行x、y坐标的计算，再用多点对焦系统对微珠进行z坐标的计算。
将经过校正后实时显示的微珠所受力和转矩的大小以及实时显示的蛋白质长度进行存储，至此为止，视野内的多个微珠已采集处理完毕，换至样品的下一视野，重复上述步骤测量蛋白质分子的力学性质。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (5)
1.一种多通道单蛋白磁镊测控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
首先进行蛋白样品的耦联制备，采用活性氨基基团，在存在碳二亚胺的溶液中，将蛋白的羧基端与含有对应功能基团的微珠结合，蛋白的氨基端与含有对应功能基团的玻片结合，确保能够通过操控玻片或微珠控制蛋白两个固定端，对蛋白施加力的作用并进行测量；
对磁镊测控系统的参数进行设定，通过自动探测或人工干预识别视野内要追踪的多个微珠，同时选择合适的参考微珠；
通过马达控制磁铁的升降和旋转，进而控制样品中微珠所受力和转矩的大小，并对马达控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正后实时显示，同时通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠的三维坐标，通过波形实时显示系着微珠的蛋白质长度的实时变化；
将经过校正后实时显示的微珠所受力和转矩的大小以及实时显示的蛋白质长度进行存储，至此为止，视野内的多个微珠已采集处理完毕，换至样品的下一视野，重复上述步骤测量蛋白质分子的力学性质。
2.根据权利要求1所述的一种多通道单蛋白磁镊测控方法，其特征在于：所述对马达控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正的具体过程为：设置磁镊测控系统中磁铁竖直方向运动的初始位置和末尾位置以及磁铁的间距，统计磁铁在不同位置时多个微珠所受力和转矩大小的平均值，绘制标准的磁铁位置与微珠受力关系曲线图，通过该曲线图对马达控制下微珠所受力和转矩的大小进行校正。
3.根据权利要求1所述的一种多通道单蛋白磁镊测控方法，其特征在于：所述通过微珠定位追踪技术测量多通道微珠三维坐标的具体过程为：将通过自动探测或人工干预识别到的多个微珠利用象限插补算法同时进行x、y坐标的计算，再用多点对焦系统对微珠进行z坐标的计算。
4.根据权利要求1所述的一种多通道单蛋白磁镊测控方法，其特征在于：所述蛋白样品为任意蛋白分子。
5.实现权利要求1-4任一所述多通道单蛋白磁镊测控方法的系统，其特征在于：所述系统包括磁路单元、显微成像单元、数据采集和处理单元、载物台和样品池，其中所述磁路单元包括磁铁和控制磁铁的马达，所述显微成像单元包括物镜、光源、分光镜、控制物镜移动的压电驱动器和探测图像的图像传感器，所述数据采集和处理单元包括计算机以及计算机中的数据分析软件；
样品池放置于载物台上，光源输出光信号通过分光镜经物镜投射到样品池中，样品池反射的光信号再进入物镜传送到图像传感器，通过计算机能够控制压电驱动器，进而带动物镜移动，观察样品池中的不同水平位置，图像传感器将图像信息传送至数据采集和处理单元，样品池下方的磁铁由马达控制进行磁铁的升降和旋转，进而控制样品中微珠所受力和转矩的大小，马达与数据采集和处理单元中的计算机相连，从而对马达进行操纵。
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