CN207992231U - 利用磁珠控制dna在固态纳米孔测序实验中扩散的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，设有磁镊系统，所述磁镊系统包括操作台、显微镜、磁针和控制磁针移动轨迹的微操作器，所述操作台上设有液池，显微镜镜头对准所述液池，磁针在靠近其尖端的位置设有线圈，通电之后会在液池范围内产生磁场，通过移动磁针调节磁场的位置，进而控制液池中磁珠的移动。本实用新型通过通电产生磁场的磁针控制液池中的磁珠移动，对磁珠的吸引释放自如，通过调节电流大小即可方便地调整磁场大小，操作方便，易于实现，且控制精准，使用效果好，适合推广使用。
Description
技术领域
本实用新型属于生物医疗技术领域，具体为一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置。
背景技术
基因测序技术不仅为遗传信息的揭示和基因表达调控等基础生物学研究提供重要数据,而且在基因诊断和基因治疗等应用研究中也发挥着重要的作用。自从1977年第一代测序技术问世以来,经过三十几年的努力,基因测序技术已经取得了重大进展,在第一代和第二代测序技术的基础上,以单分子测序为特点的下一代测序技术应运而生。纳米孔测序技术被认为是最有可能成为下一代基因测序的技术之一,它不仅有可能将目前的DNA序列分析的成本大大降低,分析速度大大提高,还将推进基于基因组技术的个性化医学向现实迈进一步,从而引起医学界的一次变革。固态纳米孔测序技术作为新兴的第四代DNA测序技术,具有低成本、高读长、易集成的特点,在成本、速度等方面有着十分巨大的优势。
实用新型内容
本实用新型的技术目的是提供一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其技术方案为：
一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，设有磁镊系统，所述磁镊系统包括操作台、显微镜、磁针和控制磁针移动轨迹的微操作器，所述操作台上设有液池，显微镜镜头对准所述液池，磁针在靠近其尖端的位置设有线圈，通电之后会在液池范围内产生磁场，通过移动磁针调节磁场的位置，进而控制液池中磁珠的移动。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
所述磁针直径为2mm,尖端所在的锥体高度为7mm，线圈绕制在距离所述锥体10mm以内的范围。
常规实验中，磁针一般仅控制一个或几个磁珠，故所述锥体尖端的直径必须与磁珠在同一数量级,所述尖端的直径为10μm左右。
所述线圈采用直径0.04mm的细漆包线在磁针上重复绕制而成，绕制的匝数为500，总电阻为50Ω，细漆包线的两端则与直径为0.2mm的漆包线连接，向线圈施加的电流为60mA。
所述磁针采用1j85合金棒制成，即含镍量为85％的铁镍软磁材料，制成的磁针具有低矫顽力和高磁化率，易于磁化也易于退磁。
所述液池由设有通孔的PMMA板贴在玻片上构成。作为优选，PMMA板的厚度设为2mm，通孔的直径设为20mm。
所述PMMA板与载玻片的贴合面在通孔周围涂抹有真空润滑脂。
所述磁镊系统设有双磁针，通过双磁针控制磁珠的运动。
有益效果:
本实用新型通过通电产生磁场的磁针控制液池中的磁珠移动，对磁珠的吸引释放自如，通过调节电流大小即可方便地调整磁场大小，操作方便，易于实现，且控制精准，使用效果好，适合推广使用。
附图说明
图1为本实用新型的工作示意图；
图2为液池结构示意图；
图3为磁针与液池的结构示意图；
图4为磁珠在单磁场中的运动；
图4(a)为磁针在溶液中静置的状态示意图；
图4(b)为磁针尖端吸引了一个磁珠的状态示意图；
图4(c)为第二个磁珠在磁场中的运动状态示意图；
图4(d)为第二个磁珠被吸引到磁针上的状态示意图；
图5为图4(d)的局部放大图；
图6为磁珠在双磁场中的运动；
图6(a)为双磁针保持一定距离，通电之后磁针开始吸引磁珠的状态示意图；
图6(b)为上方磁针已吸附磁珠的状态示意图；
图6(c)为两个磁针均吸附一定数量磁珠的状态示意图；
图6(d)为两个磁针吸附数量进一步增加的状态示意图；
图7为图6(d)的局部放大图；
图8为磁针尖端轴线磁场强度分布；
图9为磁针尖端轴线磁珠受力分。
具体实施方式
为了进一步阐明本实用新型的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本实用新型做进一步的介绍。
一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，设有磁镊系统，所述磁镊系统包括操作台、显微镜、泵式防震台，屏蔽笼、磁针和控制磁针移动轨迹的微操作器等组成部分。
操作台左右两侧分别设有一台微操作器，所述微操作器设有多维度位移机构，左右两个磁针分别被夹持在对应的微操作器的末端执行机构上，显微镜镜头对准操作台上的液池2。
所述磁针1在靠近其尖端的位置设有线圈，磁针1探入液池2中后，给线圈通电，磁针1会在液池2范围内产生磁场，通过微操作器移动磁针1调节磁场的位置，进而可控制液池2中磁珠的移动。本实施例中，所述磁针1采用1j85 合金棒制成，磁针直径为a为2mm，长度b为40mm，尖端所在的锥体高度c为 7mm，磁珠的直径为2.8μm，锥体尖端的直径与磁珠在同一数量级,约为10μm。
所述线圈绕制在距离锥体10mm以内的范围,线圈采用直径0.04mm的免焊细漆包线重复绕制多层构成，绕制的匝数为500，总电阻为50Ω，所述细漆包线的两端焊接上直径为0.2mm的漆包线，工作时，向线圈施加的电流为60mA。
鉴于在载玻片上加工液池的难度高，本实施例中，我们采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作为液池材料，在厚度为2mm的长方形PMMA板上加工直径f为20mm 的通孔，在通孔周围的PMMA板面上涂抹真空润滑脂，并将该面贴上超薄载玻片，即构成了所述液池。
单磁针实验：我们先用单个磁针在液池中产生磁场，溶液为0.1M KCl in 10 mMTris-HCl,1mM EDTA buffer(pH＝8.0)and 0.1％Tween 20，通以60mA 的电流，并用CCD显微镜记录下实验视频，随后用photoshop提取视频帧到图层，得到间隔为0.3s的视频照片，整个流程如图4，(a)磁针在溶液中静置， (b)磁针尖端吸引了一个磁珠，圆圈内为磁珠，(c)第二个磁珠在磁场中的运动,(d)第二个磁珠被吸引到磁针上。其中，在通电后1分钟左右发现了磁针开始吸引磁珠，而在随后，如图4(c)发现一个磁珠正在靠近磁针，经过0.3s即吸引到了磁针上，说明靠近尖端的磁场明显强于其他空间。由于磁针的形状以及线圈绕制过程中不可避免的不均匀绕制等原因，我们可采用ANSYS电磁模块对理想条件的磁场进行分析以解释其现象。将图中圈部分放大如图5。
磁场模拟:我们对两个通电磁针周围空间产生的磁场分布进行模拟，模拟条件如上所示，分别模拟两磁针磁场方向不同(N-S)和相同(N-N)的情况，在磁针尖端轴线上N-S情况磁场方向会叠加，而N-N方向磁场方向会抵消，但是从模拟结果来看，在两磁针尖端较小的范围内，磁场强度并没有很大的区别，说明一个磁针产生的磁场并不会对另一个磁针产生过大的影响，而这个影响对于尖端本身的磁场可以忽略不计，而这恰恰是我们控制磁珠的主要区域。除此之外我们也对单个磁针产生的磁场进行了模拟，在磁针尖端小范围内结果与双磁针模拟的结果并无明显差别，证明我们可以在双磁针磁场的空间内，使用单个磁针控制此磁针吸引住的磁珠的运动，而不受另一磁针的影响。
如图8所示，本实施例中还得到了磁针轴线上的一些具体磁场强度B的数值，鉴于ANSYS网格模拟的精确性，只能得到每间隔2.5μm的数值，分别计算与尖端相距为50μm，60μm，70μm，80μm四种间距的磁场分布，如图7所示，坐标x＝0表示轴线的中央，两端分别为针尖位置，可以看出在靠近针尖的地方有相当强的磁场，而随着距离的增加，磁场强度急剧下降。在不考虑水的粘滞系数和磁珠本身在重力场中的影响，磁珠直径为2.8μm，内部为Fe2O3，外部为 PDMS，均为均匀分布，因此我们可以把磁珠在磁场中的运动看为质点，只考虑质心的运动，磁珠在磁场中的受力为：
其中，m为小磁珠的磁矩，查文献得m＝1.42×10-13Am2，为磁场梯度，即图8曲线的斜率，由此算得磁珠在溶液中的受力如图9，可以看出在靠近磁针的区域内磁珠受力相当大，且远远大于DNA拉伸所需要的力50pN，这个区域的范围也比磁珠本身的直径要大，而在中间区域，磁针距离越大磁场梯度越小，几乎趋近于0，因此从图9也可以看出，这个区域磁珠的受力无限趋近于0，因此我们可以用双磁针控制住磁珠的运动，从而进一步对其所绑定的DNA进行过孔运动的控制，双磁针实验过程如图6、图7所示。
本实施例装置使用微操纵器夹持磁针，能实现微米尺度和多维度的高精度控制磁针，从而进一步控制磁珠的运动轨迹及其位置。设置在屏蔽笼中的只有微操纵器和操作台等不会影响电磁场的装置，电源置于屏蔽笼外，磁针对磁珠的吸引释放自如，没有过多的外在因素的干扰，通过调节电流大小即可方便地调整磁场大小，通过CCD显微镜装置能直观地了解实验结果。本实施例能够在 50μm(λDNA的长度为46μm)的范围控制磁珠的运动，进而拉伸通过biotin分子与磁珠相连的DNA分子，抑制其在溶液中的热运动。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，设有磁镊系统，所述磁镊系统包括操作台、显微镜、磁针和控制磁针移动轨迹的微操作器，所述操作台上设有液池，显微镜镜头对准所述液池，磁针在靠近其尖端的位置设有线圈，通电之后会在液池范围内产生磁场，通过移动磁针调节磁场的位置，可控制液池中磁珠的移动。
2.根据权利要求1所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，所述磁针直径为2mm,尖端所在的锥体高度为7mm，线圈绕制在距离所述锥体10mm以内的范围。
3.根据权利要求2所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，锥体尖端的直径与磁珠在同一数量级。
4.根据权利要求3所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，所述尖端的直径为10μm。
5.根据权利要求2所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，线圈采用直径为0.04mm的细漆包线，绕制的匝数为500，总电阻为50Ω，所述细漆包线的两端与直径为0.2mm的漆包线连接，向线圈施加的电流为60mA。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，所述磁针采用1j85合金棒制成。
7.根据权利要求1所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，所述液池由设有通孔的PMMA板贴在玻片上构成。
8.根据权利要求7所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，所述PMMA板的厚度为2mm，所述通孔的直径为20mm。
9.根据权利要求7或8所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，其特征在于，PMMA板与载玻片的贴合面在通孔周围涂抹有真空润滑脂。
10.根据权利要求1-5,7或8所述的一种利用磁珠控制DNA在固态纳米孔测序实验中扩散的装置，特征在于，所述磁镊系统设有双磁针，通过双磁针控制磁珠的运动。
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