CN110596003A - 一种超分辨显微分析磁光镊装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超分辨显微分析磁光镊装置，包括，第一光镊、第二光镊、磁场、聚苯乙烯微珠及铁磁性微珠；所述聚苯乙烯微珠被所述第二光镊捕获，所述铁磁性微珠被所述第一光镊捕获；所述铁磁性微珠被所述磁场操控形成磁镊。磁场和光场都可以分别进行强度和位置控制，均非机械运动，可以同时捕获和操控同一个微珠。磁镊产生的磁场由电流线圈产生，非工作时对其他物件无磁化影响。磁镊的操作由改变输入电流大小和方向实现，无机械运动，磁镊的操作精度和稳定性得到极大提高。光镊由两束或多束激光产生，使光镊控制更加精密。

Description

一种超分辨显微分析磁光镊装置
技术领域
本发明属于显微技术领域，尤其涉及一种超分辨显微分析磁光镊装置。
背景技术
分子的作用力和转矩在生物中起着重要的作用，驱动着生物动力学和化学过程。利用磁学和光学技术组建的磁光镊(Magneto-Optical Tweezer，MOT)装置可以精密测控这些生物分子间的力和/或转矩，能够在分子水平上对生物结构和动力学过程进行描述，可以充分探索动力学、力学以及结构、功能和相互作用的变化，从而提供一个更完整的生理图像。光镊(Optical Tweezer，OT)和磁镊(Magnetic Tweezer，MT)在同时测控分子力和转矩方面都有严重的限制。光镊是研究分子力的理想工具，但在操纵转矩方面存在一定的局限性。虽然拉盖尔-高斯光束含有轨道角动量，它能使探测粒子旋转，但由于转矩恒定很难精确控制被捕获粒子的转速和旋转运动。因此，光镊因为其技术上具有挑战性，缺乏分别操作捕获粒子力和转矩的能力。同样的，磁镊在操作粒子转矩方面很出色，但在测控作用力方面局限性较大。恩绍定理(Earnshaw's theorem)指出磁场中不能构成一个稳定静止的力学平衡结构，因此不能实现磁珠的稳定束缚。为了解决上述技术问题，本领域技术人员通过研发将光镊和磁镊进行组合，如申请号：201410627408.1或申请号：201410375357.8等。但是上述结合均存在无法实现磁镊和光镊对同一分子的组合操纵。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超分辨显微分析磁光镊装置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，一种超分辨显微分析磁光镊装置，包括，第一光镊、第二光镊、磁场、聚苯乙烯微珠及铁磁性微珠；所述聚苯乙烯微珠被所述第二光镊捕获，所述铁磁性微珠被所述第一光镊捕获，所述铁磁性微珠被所述磁场操控形成磁镊。
其中，所述磁场由两对空间正交放置的亥姆赫兹线圈产生。
其中，还包括，用于实现光镊操控的第一激光器。
其中，还包括，用于激发生物分子的荧光基团的第二激光器。
其中，还包括，用于对铁磁性微珠背焦面成像的第三激光器。
其中，所述铁磁性微珠由聚苯乙烯基质微珠表层均匀涂覆一层铬氧化物后再均匀涂覆均一层聚苯乙烯获得。
其中，所述聚苯乙烯微珠为均匀密度的聚苯乙烯球珠。
本发明所带来的有益效果：磁场和光场都可以分别进行强度和位置控制，均非机械运动，可以同时捕获和操控同一个微珠。磁镊产生的磁场由电流线圈产生，非工作时对其他物件无磁化影响。磁镊的操作由改变输入电流大小和方向实现，无机械运动，磁镊的操作精度和稳定性得到极大提高。光镊由两束或多束激光产生，使光镊控制更加精密。
下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的样品腔室内原理示意图；
图3为本发明的磁场结构示意图；
图4为电流图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
生物分子：生物分子是一种分子结构，每个生物细胞均是由这些重要的生物分子及水所构成。这些分子包含脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白质、糖类及脂肪等。它们又有相对分子质量更低的有机化合物分子构成，包括氨基酸、脂肪酸、糖、嘌呤、嘧啶、单核苷酸、卟啉、ATP等高能化合物。它们是构成生物高分子的基本成分，与生命有着密切关系，属于分子生物学研究范畴。可以通过一些生物单分子的构造来阐述高级复杂的生命现象。具体方法是通过一些先进的技术手段(比如各种显微镜，磁光镊操纵等)从分子水平上研究生命的一些基本现象的物质基础和运作方式。
磁光镊：磁光镊(Magneto-Optical Tweezer，MOT)是一种同时利用可调控的磁场和聚焦激光束产生的组合力对微米至纳米级的粒子进行捕获、移动、拉伸、测量、成像等操纵的装置。磁光镊装置集合了磁场极化，磁场、光偶极力、光辐射力操纵及光学检测模块，兼有微纳米级颗粒的操纵和测量功能，可以对微纳米颗粒或者分子的位置及皮牛顿量级精度的力进行测量。装置在操纵和测量精度控制上有极高的空间分辨率和时间分辨率，特别是生物分子领域，具备高精度的分辨率，才能更好的研究分子动力学，蛋白相互作用等生理过程。
在一些说明性的实施例中，如图1-4所示，一种超分辨显微分析磁光镊装置，具体的包括第一光镊24、第二光镊25、由两对空间正交放置的亥姆赫兹线圈产生的磁场23、聚苯乙烯微珠26、铁磁性微珠30、用于实现光镊操控的第一激光器12、用于激发生物分子的荧光基团的第二激光器6和用于对铁磁性微珠背焦面成像的第三激光器11。铁磁性微珠由聚苯乙烯基质微珠表层均匀涂覆一层铬氧化物后再均匀涂覆一层聚苯乙烯获得，可以被建模为一个均匀厚度和密度的球形磁壳。聚苯乙烯微珠为均匀密度的聚苯乙烯球珠，仅能被光镊进行操控。磁镊由两对平行共轴的线圈成中心垂直交叉布置，因此通过二维磁场对微珠进行旋转操控，另一维为微珠的旋转轴。光镊为双光束光镊系统，双光束由空间光调制器或微分束光路产生，两束光束经过油浸物镜后聚焦为空间位置可调控的双光镊捕获势阱，双光镊分别束缚链接分子两端的微珠，一端为铁磁性微珠，另一端为聚苯乙烯微珠。被捕获的生物分子可以进行超分辨荧光显微成像分析，获取丰富的生理图像。装置所使用的生物样品由微流控系统提供，溶液样品腔室使用BSA进行钝化，以防止微珠黏附在腔室表面。整个装置的控制程序都由LabVIEW软件编写。
应用时，生物样品溶液通过微流管路2进入到样品腔室17，生物样品溶液的位置通过压电陶瓷式三维位移台3进行调节。生物样品中研究的生物分子通过丝状链27连接到聚苯乙烯微珠26和铁磁性微珠30上。聚苯乙烯微珠26被第二光镊25捕获，作为实验操控的参考基点处于相对静止状态。铁磁性微珠30被第一光镊24捕获，通过声光偏转器AOD 13和空间光调制器SLM 14实现生物单分子，如DNA，从0.1-200pN范围力的操作和测量。
在同时，铁磁性微珠30被磁场23操控形成磁镊，在DNA扭转实验中，通常需要一个102pN·nm的转矩，所需的最小磁场强度约几μT。为了测量转矩，施加的磁场必须足够精密可控，以便在背景场和磁珠磁极之间产生可测量的角位移。产生磁场的两对空间正交放置的亥姆赫兹线圈包括，第一对亥姆赫兹线圈1和第二对亥姆赫兹线圈16，磁场的大小和方向由4路计算机33程序控制的电流源32及功率放大器31输出的电流实现调节。第一对亥姆赫兹线圈1和第二对亥姆赫兹线圈16与功率放大器31之间的连接线缆34需要考虑并实现阻抗匹配。如图4所示，电流的输出大小和方向35完全由计算机程序计算和反馈，在此不做赘述。
第一激光器12输出的激光经过光路镜片和器件处理后形成两束相对参数可调节的激光，在经过物镜组4聚焦到样品腔室17中的实验位点实现第一光镊24和第二光镊25的操控。光镊应用后输出的激光通过聚光镜组18发散后被光束吸收片19处理。
第二激光器6输出激光用激发生物分子的荧光基团29产生荧光，荧光的检测可以实现双色成像。超分辨荧光显微分析使用共聚焦模式，激发激光28二向色镜7输入到合束器5与光镊激光和微珠成像激光合束后经物镜照射到分子荧光基团上。荧光的检测使用二向色分束器8分束后分别用第一相机9和第二相机10成像，从而进行显微分析。
第三激光器11输出的激光经合束器15合束到光镊激光光路中，实现对铁磁性微珠30在聚光镜组18的背焦面成像，继而通过四象限位置第一光电传感器QPD 21和第二光电传感器QPD 20空间位置和角位移的测量，分束器22将激光分成两束分别成像在两个位置传感器上，实现更好的磁珠状态测量和生物样品微流的稳定监测。本发明提出了一种新型组合磁光镊，同时集成了超分辨率荧光成像技术。
本发明所提供的装置能够同时操纵和成像单个生物分子。磁镊是一种实现生物分子确定的角速度和转矩值下旋转控制的十分稳定和便于操作的方法；光镊能够提供捕获和控制生物分子空间位置的精细化操作。本发明装置特别适合研究生物单分子动力学问题，例如在不同的离子化强度、结合力和转矩情况时，以及不同核苷酸碱基含量的条件下，线状和环状双链DNA的超螺旋动力学。对生物分子空间结构变换的直接荧光观察能进一步协助了解这些过程的空间实时位置和动态信息。我们仍在继续将这些技术优势和能力不断进行优化，整合成更加精密和便捷的仪器设备。利用光镊和磁镊各自的优势组建的磁光镊装置在测控生物分子(如DNA)中具有不可替代的便捷性和操控精度。作用力的操控可以由于pN量级，转矩的操纵可致pN·nm水平。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (7)

1.一种超分辨显微分析磁光镊装置，其特征在于，包括，第一光镊、第二光镊、磁场、聚苯乙烯微珠及铁磁性微珠；所述聚苯乙烯微珠被所述第二光镊捕获，所述铁磁性微珠被所述第一光镊捕获；所述铁磁性微珠被所述磁场操控形成磁镊。
2.如权利要求1所述的一种超分辨显微分析磁光镊装置，其特征在于，所述磁场由两对空间正交放置的亥姆赫兹线圈产生。
3.如权利要求2所述的一种超分辨显微分析磁光镊装置，其特征在于，还包括，用于实现光镊操控的第一激光器。
4.如权利要求3所述的一种超分辨显微分析磁光镊装置，其特征在于，还包括，用于激发生物分子的荧光基团的第二激光器。
5.如权利要求4所述的一种超分辨显微分析磁光镊装置，其特征在于，还包括，用于对铁磁性微珠背焦面成像的第三激光器。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种超分辨显微分析磁光镊装置，其特征在于，所述铁磁性微珠由聚苯乙烯基质微珠表层均匀涂覆一层铬氧化物后再均匀涂覆一层聚苯乙烯获得。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种超分辨显微分析磁光镊装置，其特征在于，所述聚苯乙烯微珠为均匀密度的聚苯乙烯球珠。
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