PicoTwist单分子操纵磁镊装置

相对于传统的单分子操纵技术—微针、原子力显微术、光镊等存在作用力小且不易测量、实验环境受限制、对生物样品有损害等诸多不足。作为克服这些不足而出现的磁镊技术，具有作用力大、应用范围广、无损耗、稳定等优势，很好得解决了这些问题。磁镊提供的作用力在大小内可调，既可从分子外部进行操作，也可以深入细胞内部，还可对溶液体系中的鲜活样品进行操作.

PicoTwist磁镊装置是基于专用的倒置显微镜，安装在电动平移和旋转平台的一套强大的单分子操纵磁镊装置。PicoTwist磁镊装置的原理是通过梯度分布的磁场对处于其中的可磁化小珠施力， 观察并分析其运动。该磁镊装置使用一对强大的稀土磁铁 （BdFeB）来使磁珠磁化强度能够达到饱和值。由于应用了高精度的温度控制装置、特殊的样品固定装置、保证磁珠快速旋转的步进电机和灵活管理的计算机软件系统以及万像素的CCD相机，可以同时实现多达40个单个分子的视频采集和跟踪测量，大大提单分子的高通量分析和统计水平。

图1 PicoTwist单分子操纵磁镊装置

系统亮点概述
（1）极其稳定健壮—PicoTwist单分子操纵磁镊装置具有非常低的图像漂移设计
纳米操纵的主要障碍之一是显微镜图像漂移，造成检测信号误差。纳米操纵实验通常会在一秒到几天时间内对DNA、蛋白质等进行分析，并精确记录和跟踪DNA 、蛋白质等分子的构象变化。一般的显微镜并非为长时间观测纳米尺寸的物体而设计，所以无法在在纳米精度下记录物体的位置。一般情况下，机械漂移是由温度变化引起，但大多数显微镜制造商并不说明物体在一摄氏度温度变化范围内所引起的图像漂移幅度。一般的显微镜因为温度变化所引起的图像漂移误差较大，通常每°C温度变化引起1um的漂移幅度。这会引起显微操纵的失真，因为只要1/100 °C的变化就足以导致所观测物质10 nm 的位置变化。 
PicoTwist单分子操纵磁镊装置具有非常低的图像漂移设计。其装置温度控制精度高，样品在10至55°C范围内，可精确控制和监测1 / 100°C的变化。PicoTwist磁镊装置1°C的温度变化引起的漂移通常只有30nm（比标准显微镜小30倍）；而目标的焦点位置设置在250um范围内，无滞后效应，所以有效提高了单分子的测量准确性。 

图2一般商业显微镜和PicoTwist
经历相同的热环境过程中焦点位置漂移的比较

（2）高分辨率、力的范围广—具有非常薄的样品固定装置
为了实现强大的磁力，磁铁需要放置在非常靠近磁珠的位置。PicoTwist设计了一个特殊的固定装置，以使磁铁与磁珠的距离最小可以达到100um。样品固定装置是一种三明治结构组成，其中最上层是盖玻片，中间层是微通道双面胶带，底部则是一个薄的聚酯薄膜片。该聚酯薄膜片比最上层是盖玻片要长一些，以保护和平移上面的显微镜物镜。 

图3 PicoTwist样品固定装置

(3)可以同时实现多达40个单个分子的视频采集和跟踪测量，大大提单分子的高通量分析和统计水平。

(4)使用一对强大的磁铁来控制 DNA 伸展和超螺旋 
磁镊的原理是通过梯度分布的磁场对处于其中的可磁化小珠施力， 观察并分析其运动。磁珠受力直接取决于外磁场，所以磁镊系统的磁感应强度要足够大，使磁珠磁化强度能够达到饱和值，而磁场分布也要有合适的梯度。PicoTwist使用一对强大的磁铁来控制 DNA 伸展和螺旋。一对稀土磁铁——钕铁硼磁铁（BdFeB） 产生一个很强的磁场梯度非常强，其中磁场是水平的，而磁场梯度是垂直的。磁铁磁极之间的孔隙为显微镜照明提供了光路。 
当第二电机驱动磁铁围绕垂直轴旋的时，磁场方向根据磁极的旋转而旋转，但磁场梯度保持不变，因此磁铁可以在保持角方向拉伸力不变的情况下的旋转磁珠，其表现像指南针在磁场中转动。第二电机驱动磁极自转速率约为每秒10圈，几乎与最有效的分子泵相同。装置中磁珠的旋转角度和拉伸力都通过相同的软件包来控制，可以通过快速改变控制参数实现不同反应条件下的测试。 

图4 PicoTwist磁极控制磁珠过程示意图

（5）并行的照明和摄像头
PicoTwist磁镊装置的另一独特的和强大的功能是它能够实时测量磁珠的Z轴（垂直）位置。为了实现这一目标，显微镜照明光源为高亮度发光二极管发射的平行光束。在这种条件下，磁珠图像产生一系列的衍射环，其形状和数量经常变化可通过软件来评估散焦图像种磁珠的z轴位置。装置中的LED照明光源非常稳定。且易于调节光源的空间相干性以得到清晰的环形图案。并且LED照明光源功率非常低，避免了对观测过程产生杂散效应的干扰。 
在观测过程中，磁珠的图像通过一个快速CCD相机耦合到显微镜获得。该标准的设备使用768 ×576像素，60 Hz摄像机，或者使用1380 × 1040像素，31 Hz摄像机。 

图5 通过磁珠图像产生衍射环来计算磁珠的z轴位置
（6）配备磁珠跟踪软件，可实时进行数据分析 
磁珠跟踪软件由PicoTwist设计，可实时进行磁珠的纳米级分辨率的跟踪和定位。通过基于PC的计算机辅助电视显微镜系统，点击感兴趣的磁珠的图像，用户开始跟踪磁珠的运动过程，并确定磁珠运行实时的三维位置。使用相关算法来分析磁珠的图像，不管它是明亮还是较暗，都可以得到高精度的X，Y位置信息。通过计算磁珠的产生衍射环图像，并计算每个视频帧中的变化，可以得到纳米精度分辨率的磁珠Z轴位置信息。 
同时，该软件能够同时跟踪几个磁珠。正是由于该系统可以跟踪感兴趣的磁珠以及粘在玻璃表面的参考磁珠，所以通过执行差分跟踪，来实现残余漂移效应的去除。同时，磁珠的作用力和作用角度可以随意调节，磁珠的3D位置信息也可以在实验的几小时，几天甚至几个星期中被连续测量。 

图6 磁珠跟踪软件工作界面 
3、适用范围
生物单分子研究将成为 21 世纪生命科学领域的一个重点研究方向，在生命科学领域有着广泛的应用前景。磁镊是单分子研究的一种方法，PicoTwist单分子操纵磁镊装置通过磁场控制超顺磁性小珠的移动，然后用这个小珠捕捉单分子，并进行相关的力学实验。其主要的应用范围包括：

1.在单分子水平上对生物分子行为(包括构象变化、相互作用、相互识别等)的实时﹑动态检测以及在此基础上的操纵﹑调控等；

2.对单个生物大分子施以力或力矩，并测量它们的物理性质(如DNA弹性、蛋白质的力学变性等)

3.对单个生物大分子施以力或力矩，测量它们的力学生化反应(如分子马达)；

4.研究机械力的作用如何影响细胞的生长、分裂、运动、粘附以及信号的传输，基因的表达；

5.在生物大分子上施加力以使之发生构像上的变化，研究生物单分子形成新的结构，以及力学以及动力学之间的相互联系等。

6.研究各种药物可能导致的DNA、蛋白质凝聚、变性过程；

7.给出分子实时行为与性质的分布，有效避免对集群测量苛刻的同步(synchronization)要求，如DNA的解链(unzipping)、蛋白质的折叠(folding)等。

8.更多的科研Idea………

4、参数

1. 磁镊主要包括磁路系统、显微成像系统以及数据采集和处理系统、温控系统等部分。作用力量程(pN)：0.01 pN—100 pN

2. 样品温度控制范围：14°C- 55°C

3. 温度控制精度：1 / 100°C

4. 图像漂移控制精度：20分钟内小于30 nm

5. 高速实时测量速度：>60 Hz

6. CCD相机参数：使用768 ×576像素，60 Hz摄像机；或者使用1380 × 1040像素，31 Hz摄像机

7. 样品固定装置磁铁与磁珠的最小距离：≥ 100um

图7 PicoTwist部分组件的参数
5、使用方法
样品（如DNA）的一端连接在直径1um的超顺磁性小球上，另一端连接在样品固定装置中的玻璃表面上。两块钕铁硼磁铁置于样品上方，当移动磁铁接近样品时，通过超顺磁性小球给样品施加皮牛级的拉力，同时旋转小磁铁可以向样品施加扭转应力.小球的位置通过一台倒置显微镜以大于60Hz的采样频率记录. 测量样品，如DNA 的力拉伸曲线、DNA长度与小磁铁旋转圈数关系曲线、计算得到DNA 超螺旋结构，形成DNA超螺旋阈值处的结合和解离动力学等。

参考文献 
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附件： 
现在已经有很多单分子的操纵技术：原子力悬臂、光镊、磁镊以及流场拖曳、生物膜力探针(BFP)等。在这些实验中，生物分子的一端固定于一表面，另一端与力传感器相连。

表 1 各种生物单分子实验技术的比较

图1 力传感器的示意图
       A. AFM 实验示意图，悬臂用来作分子间力作用的传感器，悬臂的位移由激光束获得;
      B. 光学纤维作力传感器的例子;

C. 光镊的示意图；

D. 磁镊示意图。