CN114563349A - 全自动单分子磁镊测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

提供一种全自动单分子磁镊测量系统，其硬件包括光源；反应池；微流控装置，用于精准地将样品分子和磁球依次添加到反应池中；电动平移台，用于控制反应池的位移；磁场生成装置；图像传感器；以及控制装置。控制装置用于基于机器学习自动跟踪磁球衍射图像，并将各部分硬件的控制整合起来，从而在软件中实现整个磁镊测量过程的自动化，极大的提高了磁镊测量的效率。

Description

全自动单分子磁镊测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及分子检测领域，尤其涉及一种全自动单分子磁镊测量系统及其测量方法。

背景技术

单分子操纵技术(例如光镊、原子力显微镜和磁镊等)被广泛地应用于研究生物大分子(例如DNA、蛋白质等)及其复合物的力学特性。其中磁镊技术因扩展性好、通量高、可同时进行拉伸和旋转以及在小力下稳定的优点而被广泛推广。

磁镊技术是一种利用磁力来操纵磁球，进而操纵连接在磁球上的生物分子的技术。传统的磁镊测量装置主要包括光源、磁铁、控制磁铁的电机、用于成像的CCD等硬件。其测量流程如下：

步骤1：体外准备好生化样品，化学修饰过的流动反应池，将反应池固定在可移动平移台上，手动将样品分子溶液加入反应池的进样口，并在出样口处用泵低速抽取样品分子溶液，使得样品分子覆盖满整个反应池，待样品分子的一侧与反应池地面充分连接后，加入磁球，使得样品分子另一侧与磁球相连接，以构建样品体系。

步骤2：将进样口液体换成缓冲液，冲洗掉反应池中的游离分子和磁球。

步骤3：手动旋转滑杆移动平移台，选择包含较多磁球的视野进行测量，并手动选取待测的磁球，添加ROI(Region of interest，感兴趣的目标区域，在本发明中指的是磁球衍射图像)。

步骤4：进行校准操作，将磁球的衍射环大小和磁球的高度相对应。

步骤5：进行测量，通过移动磁铁，改变施加的磁场力，观察样品分子的长度变化。

步骤6：数据分析，数据分析过程主要是通过读取原始样品长度随时间的信号，得到样品长度随着力值变化的曲线。

传统的磁镊测量装置的缺点在于各部分比较独立，依赖于操作者的经验和熟练度，耗时较长；样品平移台使用手工旋转滑杆，容易出现移动尺度过大或偏小等情况；需要手动将样品加入进样口，然后通过泵缓速将样品抽入反应池中，手工抽吸容易导致破坏脆弱的样品，另外手动进样及换液效率较低下；测量过程需要手动添加测量ROI，当进行高通量测量时，比如同时跟踪几十上百个分子，手工添加ROI，极为耗时；高通量测量带来的数据分析工作量提高。

发明内容

根据现有技术的上述缺陷，本发明提供一种全自动单分子磁镊测量系统，其包括：

光源；

反应池，其表面能够与样品分子相连接；

微流控装置，用于依次将样品分子和磁球添加到所述反应池中，使得所述样品分子的一侧连接至所述反应池，另一侧连接至所述磁球；

电动平移台，用于控制所述反应池的位移；

磁场生成装置，用于提供施加至所述磁球的可变的磁力，以能够改变所述样品分子的长度；

图像传感器，用于采集所述光源发出的光入射到所述反应池后所生成的传感图像；以及

控制装置，用于基于所述传感图像获取ROI。

优选地，所述微流控装置包括进液离心管，用于储存需要提供至所述反应池的进样口的溶液；以及出液离心管，用于储存从所述反应池的出样口抽出的废液。

优选地，所述进液离心管包括第一离心管，用于储存所述样品分子的溶液；第二离心管，用于储存所述磁球的溶液；以及第三离心管，用于储存缓冲液。

优选地，所述全自动单分子磁镊测量系统还包括电机，用于控制所述磁场生成装置的移动。

优选地，所述微流控装置是微流控压力泵，其能够通过编程提供精确的流量和压力控制。

优选地，所述控制装置用于以磁球衍射图像为样本进行训练，得到自动识别磁球的分类库函数，以及用于接收所述传感图像，基于所述分类库函数对所述传感图像进行ROI的自动检测和选取。

本发明还提供一种用于全自动单分子磁镊测量系统的测量方法，所述方法包括：

控制装置控制微流控装置依次将样品分子和磁球添加到反应池中，以构建样品体系；

所述控制装置控制电动平移台移动所述反应池至第一测量位置；

图像传感器采集所述第一测量位置处的传感图像，并将所述传感图像输入至所述控制装置中；

所述控制装置基于所述传感图像获取ROI；

校准以获得磁球高度与衍射环大小对应的查找表；

所述控制装置控制磁场生成装置以改变所述磁球上的磁力，基于所述查找表以及衍射环的大小和位置，得到样品分子长度与磁力变化的曲线。

优选地，所述方法还包括：

所述控制装置对在所述第一测量位置处的所述传感图像的所有ROI实施测量后，所述电动平移台控制所述反应池移动到第二测量位置处进行测量，直到测量完所有的测量位置。

优选地，所述控制装置控制微流控装置依次将样品分子和磁球添加到反应池中，以构建样品体系的步骤还包括：

所述控制装置控制微流控装置将第一离心管中的样品分子溶液输入至反应池的进样口，并通过出样口抽取使得样品分子覆盖满整个反应池；待样品分子的一侧与反应池的地面充分连接后，所述控制装置控制微流控装置将第二离心管中的磁球溶液输入至进样口，使得样品分子的另一侧与磁球相连接。

优选地，所述方法还包括：

所述控制装置利用Matlab软件一次性读取和分析所有数据。

本发明提供一种全自动单分子磁镊测量系统及其测量方法，其利用电动平移台可控地移动反应池，利用微流控装置进行自动进液和换液，利用机器学习的方式自动化选取磁球，以及使用自动化的脚本进行数据分析和处理。本发明通过控制装置将各部分整合在一起，解决了现有的磁镊测量系统操作过程中大量耗时费力等人为操作的问题，提供了一种自动化方案。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的全自动单分子磁镊测量系统的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的自动检测和选取磁球衍射环ROI的界面。

图3是根据本发明一个实施例的用于全自动单分子磁镊测量系统的测量方法的流程图。

图4是根据本发明一个实施例的数据处理结果的示例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当注意，本发明给出的实施例仅用于说明，而不限制本发明的范围。

图1是根据本发明一个实施例的全自动单分子磁镊测量系统的示意图。如图1所示，该磁镊测量系统100包括光源101、准直透镜102、相对设置的磁铁对103、反应池104、电动平移台105、微流控装置106、物镜107、图像传感器108以及控制装置109。其中，光源101用于发射光，其可以是LED等。准直透镜102用于将来自光源101的光准直后通过磁铁对103中间的位置入射到反应池104上。反应池104中的磁球对入射光进行衍射，生成衍射环，该衍射环经由物镜107成像在图像传感器108上，该传感图像可以例如图2所示，其包括多个磁球衍射图像。图像传感器108用于将光学图像转换为电子传感图像，并将该传感图像传输至控制装置109。图像传感器108可以例如是CCD。控制装置109用于对该传感图像进行ROI的自动检测和选取，如图2中方框中的区域即为ROI区域。

反应池104用于固定连接样品分子，其根据所测量的样品分子以及样品分子的连接需求预先经过化学处理，使其表面能够与样品分子的一侧连接。反应池104通常由玻璃片组成，例如其可以由通过3M防水双面胶粘合的双层玻璃片组成。

微流控装置106用于为反应池104进样和换液，其可通过编程提供精确的流量和压力控制，其例如可以是微流控压力泵。微流控装置106可以包括进液离心管111和出液离心管110，进液离心管111用于储存需要提供至反应池104的进样口IN的溶液，出液离心管110用于储存从反应池104的出样口OUT抽出的废液。进液离心管111的数量需要根据所需溶液种类的数量来确定。为清楚起见，图1中仅示出了一个进液离心管111，但实际应用中可包括更多的离心管。例如，进液离心管111可以包括第一离心管，用于储存样品分子溶液；第二离心管，用于储存磁球溶液；以及第三离心管，用于储存缓冲液。

微流控装置106经由进液离心管111连接至反应池104的进样口IN，以及经由出液离心管110连接至反应池104的出样口OUT。当需要添加样品分子时，微流控装置106控制将第一离心管中的样品分子溶液输入至反应池104的进样口IN，并通过出样口OUT抽取使得样品分子覆盖满整个反应池104。待样品分子的一侧与反应池104的地面充分连接后，微流控装置106控制将第二离心管中的磁球溶液输入至进样口IN，使得样品分子的另一侧与磁球相连接，以构建样品体系。最后，微流控装置106控制将第三离心管中的缓冲液输入至进样口IN，以冲洗反应池104中游离的样品分子和磁球。本发明的微流控装置106可实现根据需要设置合适的流速、体积等参数，全程可控自动进样和换液，避免了手动在进样口进样操作带来的干扰。

其中，样品体系指的是反应池-样品分子-磁球的连接结构。磁球位于样品分子的上方，磁球尺寸为2μm左右，远大于样品分子的尺寸。光从磁球的上方入射，光源101的波长应与磁球的尺寸相匹配，使得磁球能够发生衍射。

电动平移台105用于控制反应池104的移动，其包括电机112用于控制反应池104在x方向移动，以及电机113用于控制反应池104在y方向移动。对应于反应池104的大小，可以设置多个测量位置。例如2*8，共16个测量位置(如图1所示，圆圈代表测量位置)，其中在x方向有两个测量位置，Y方向有八个测量位置。通过电动平移台105控制反应池104进行16次移动，在保证每次测量互不干扰的前提下，可以最大程度保证可测量的次数，同时在更换测量视野时，可以最大程度减少手动移动造成的移动尺度不好控制的情况。应当注意，以上测量位置的数量仅为示例，实际应用中可根据反应池104的大小和测量需求进行测量位置的选取，在本发明中为方便起见，以16个测量位置为例进行说明。

该系统100还包括电机114，用于控制磁铁对103上下移动，以改变磁铁对103施加至反应池104中的磁球上的磁力。应当注意，磁铁对103也可以采用其他的磁场生成装置，用于提供施加至磁球的可变的磁力，以能够改变样品分子的长度。

控制装置109用于对所述传感图像进行ROI的自动检测和选取。本发明采用机器学习的方法，以大量磁球衍射图像为样本进行训练，以得到自动识别磁球的分类库函数。实现了对磁球的衍射图像的自动识别，实现了自动ROI选取，如图2所示，可以极大地减少手动添加ROI带来的时间上的消耗。例如，可以利用Labview中的NI particle classificationtraining模块，以1000个磁球衍射图像为样本，构建自动识别磁球的分类库函数。

在进行实际测量之前，需要先对磁镊测量系统进行校准，以得到磁铁高度与磁力对应的查找表，其记载了磁铁高度与磁力的对应关系，其中磁铁高度指的是磁铁对相对于反应池上表面的高度。在测量中，还需要通过校准获得磁球高度与衍射环大小对应的查找表，其记载了磁球高度与磁球衍射环大小的对应关系，其中磁球高度指的是磁球当前位置相对于磁球初始位置的高度。在实际测量中，通过电机114沿z轴移动磁铁对103，以改变磁球上的磁力，从而改变样品分子的长度。在此过程中，通过衍射环的大小可以得到磁球的高度，通过衍射环的位置可以得到磁球的位置(x、y坐标值)，由于样品分子的初始长度是已知的，通过磁球的高度和位置即可得到当前的样品分子长度，根据磁铁对103的高度通过磁铁高度与磁力对应的查找表获得磁力值，即可得到样品分子长度与磁力值的对应关系，进而得到样品分子长度与磁力变化的曲线。

本发明还提供一种用于全自动单分子磁镊测量系统的测量方法，其流程图如图3所示。

步骤301：控制装置109控制微流控装置106依次将样品分子和磁球溶液添加到反应池104中，以构建样品体系。具体地，控制装置109控制微流控装置106将第一离心管中的样品分子溶液输入至反应池104的进样口IN，并通过出样口OUT抽取使得样品分子覆盖满整个反应池104。待样品分子的一侧与反应池104的地面充分连接后，微流控装置106控制将第二离心管中的磁球溶液输入至进样口IN，使得样品分子的另一侧与磁球相连接，以构建反应池-样品分子-磁球的样品体系。最后，控制装置109控制微流控装置106将第三离心管中的缓冲液输入至进样口IN，以冲洗反应池104中游离的样品分子和磁球。

步骤302：控制装置109控制电动平移台105移动反应池104至第一测量位置。如图1所示，电动平移台105可以例如进行16次独立测量。

步骤303：图像传感器108经由物镜107采集该第一测量位置处的样品分子的传感图像，并将该传感图像输入至控制装置109中，如图2所示。

步骤304：控制装置109基于机器学习自动检测和选取磁球衍射环ROI。其可以设置ROI的大小，区分固定的参考球以及样品球，然后选择磁球衍射环ROI。其中，参考球通常为聚苯乙烯材料，其提前被固定在玻璃片上，用于消除在测量过程中由于机器漂移等造成的测量波动。

步骤305：校准以获得磁球高度与衍射环大小对应的查找表。在该过程中，控制装置109移动物镜107的位置，使磁球离焦程度变化，衍射环大小会对应变化，其与测量过程中磁球受力高度变化导致的离焦程度变化相对应。设置物镜移动的步数(一般不低于30步)，每一步停留时间和移动距离以及插值数。校准过程步数也不宜过多，否则校准时间变长可能会产生漂移。例如，物镜移动20步，将得到的20个衍射环叠加，然后进行插值处理，即可得到磁球高度与衍射环大小对应的查找表。

步骤306：控制装置109通过电机114控制磁铁对103移动，以改变磁球上的磁力，从而改变样品分子的长度，以得到样品分子长度与磁力变化的曲线。在此过程中，通过衍射环的大小和位置得到磁球的位置和高度，进而可以计算得到样品分子长度，通过磁铁的位置得到磁铁的高度，进而得到磁力值。

磁镊的测量模式主要为两种，恒加载力模式(force ramp)和恒加载位移(forceclamp)模式，通过控制电机114可以实现使磁力线性增加，或者使磁铁对103的移动线性增加两种控制方式。对于同一个样品分子也可以多次测量，例如测量三次，因此还需要设置各次测量之间的弛豫时间(relax time)，以及设置磁铁起始测量和终止测量的位置、磁铁移动每一步的等待时间、测量的周期等。

步骤307：控制装置109对在第一测量位置处的所有ROI实施测量后，电动平移台控制反应池104移动到第二测量位置处进行测量，继续执行步骤303-步骤307，直到测量完所有(例如16个)测量位置。

测量完成后，进行数据的保存、读取和分析。由于高通量测量带来的数据量大大增加，另外每次测量会进行多个测量循环，这给数据分析处理带来了很大的麻烦和挑战。因此本发明在Matlab软件中实现了所有数据一次性读取和分析，避免了手工选取和处理的过程。本发明的处理脚本中包括数据的读取、分析、平滑与噪声处理，自动分析并记录样品分子的跳变，整合单个分子的多次测量结果并绘图保存，处理结果如图4所示。

在本发明中，由控制装置109控制电动平移台105、微流控装置106、电机114、物镜107以及图像传感器108的操作，实现了将磁镊测量部分自动化优化并整合，提高了测量效率。

本发明提供一种全自动单分子磁镊测量系统及其测量方法，其利用电动平移台可控地移动反应池，利用微流控装置进行自动进液和换液，利用机器学习的方式自动化选取磁球，以及使用自动化的脚本进行数据分析和处理。本发明通过控制装置将各部分整合在一起，解决了现有的磁镊测量系统操作过程中大量耗时费力的人为操作的问题，提供了一种自动化方案。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种全自动单分子磁镊测量系统，其包括：

光源；

反应池，其表面能够与样品分子相连接；

微流控装置，用于依次将样品分子和磁球添加到所述反应池中，使得所述样品分子的一侧连接至所述反应池，另一侧连接至所述磁球；

电动平移台，用于控制所述反应池的位移；

磁场生成装置，用于提供施加至所述磁球的可变的磁力，以能够改变所述样品分子的长度；

图像传感器，用于采集所述光源发出的光入射到所述反应池后所生成的传感图像；以及

控制装置，用于基于所述传感图像获取ROI。

2.根据权利要求1所述的全自动单分子磁镊测量系统，其中，所述微流控装置包括进液离心管，用于储存需要提供至所述反应池的进样口的溶液；以及出液离心管，用于储存从所述反应池的出样口抽出的废液。

3.根据权利要求2所述的全自动单分子磁镊测量系统，其中，所述进液离心管包括第一离心管，用于储存所述样品分子的溶液；第二离心管，用于储存所述磁球的溶液；以及第三离心管，用于储存缓冲液。

4.根据权利要求1所述的全自动单分子磁镊测量系统，其中，所述全自动单分子磁镊测量系统还包括电机，用于控制所述磁场生成装置的移动。

5.根据权利要求1所述的全自动单分子磁镊测量系统，其中，所述微流控装置是微流控压力泵，其能够通过编程提供精确的流量和压力控制。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的全自动单分子磁镊测量系统，其中，所述控制装置用于以磁球衍射图像为样本进行训练，得到自动识别磁球的分类库函数，以及用于接收所述传感图像，基于所述分类库函数对所述传感图像进行ROI的自动检测和选取。

7.一种用于全自动单分子磁镊测量系统的测量方法，所述方法包括：

控制装置控制微流控装置依次将样品分子和磁球添加到反应池中，以构建样品体系；

所述控制装置控制电动平移台移动所述反应池至第一测量位置；

图像传感器采集所述第一测量位置处的传感图像，并将所述传感图像输入至所述控制装置中；

所述控制装置基于所述传感图像获取ROI；

校准以获得磁球高度与衍射环大小对应的查找表；

所述控制装置控制磁场生成装置以改变所述磁球上的磁力，基于所述查找表以及衍射环的大小和位置，得到样品分子长度与磁力变化的曲线。

8.根据权利要求7所述的用于全自动单分子磁镊测量系统的测量方法，其中，所述方法还包括：

所述控制装置对在所述第一测量位置处的所述传感图像的所有ROI实施测量后，所述电动平移台控制所述反应池移动到第二测量位置处进行测量，直到测量完所有的测量位置。

9.根据权利要求7所述的用于全自动单分子磁镊测量系统的测量方法，其中，所述控制装置控制微流控装置依次将样品分子和磁球添加到反应池中，以构建样品体系的步骤还包括：

所述控制装置控制微流控装置将第一离心管中的样品分子溶液输入至反应池的进样口，并通过出样口抽取使得样品分子覆盖满整个反应池；待样品分子的一侧与反应池的地面充分连接后，所述控制装置控制微流控装置将第二离心管中的磁球溶液输入至进样口，使得样品分子的另一侧与磁球相连接。

10.根据权利要求7所述的用于全自动单分子磁镊测量系统的测量方法，其中，所述方法还包括：

所述控制装置利用Matlab软件一次性读取和分析所有数据。

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