一种磁镊装置

专利号：CN1041017398

专利人：肖波涛

联系人：王正明

地址：湖北省武汉市洪山区华中科技大学

一种磁镊装置

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及一种磁镊装置。

背景技术

近二十年来，在单个分子水平的研究呈爆炸式增长。人们陆续发展了玻 璃微针、原子力显微镜、光镊等单分子研究技术来直接操纵和检测单个分子。与上述几种单分子操纵技术相比，磁镊具有较高的测力精度，而且不会对样 品造成损伤。

目前已有的磁镊技术中，当磁球受力在运动时，不仅有水平方向上磁力， 还受到自身重力的影响，因此在竖直方向上会有一个重力的干扰，磁球所牵引的分子呈斜向下方向。此时，小球的运动就不是规则的阻尼摆运动。分子 的实际长度也比水平方向测量长度更长。而这两点在计算小球受力及运动状 况的时候并没有被考虑进去，因此测得的实验结果精度不高。此外，现有的磁镊样品池较复杂，制作花时间、成本较高；样品池中分子距离外部磁体远， 导致而能施加的磁力较小，一般小于30pN。由于传统磁镊的测力原理限制， 不能测量微米以下长度较短的分子。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种规避重力影响，提升测量精度 的磁镊装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁镊装置，用于实现对单分 子样品的运动控制；包括：

样品池，用于盛放所述单分子样品及溶液；其中，所述单分子样品置 于溶液中，所述单分子样品一端连接在所述样品池的盖玻片底部，另一端连接磁球；

磁体控制单元，位于样品池下方，用于磁球的运动控制；

成像单元，用于向样品池投射光并输出记录所述磁球运动状态的反射 光信号；

控制单元，用于接收并转换所述反射光信号，进行所述磁球的运动测 量及分析。

进一步地，所述磁体控制单元包括：永磁铁，位于样品池下方，通过 磁力控制磁球的运动；

旋转电机，固定在所述永磁铁下方，带动所述永磁铁在水平面内旋转；

线性电机，与所述旋转电机底部相连，带动所述旋转电机以及永磁铁 在竖直方向上运动。

进一步地，所述成像单元包括：T形管、位于T形管内T形衔接部的 分光镜、光源以及物镜；所述光源输出的光信号通过T形管中段管口进入，经所述分光镜作用，通过与所述T形管底端口相连的物镜，投射到所述样 品池内；样品池的反射光信号从所述T形管的底端的物镜进入，经T形管 的顶端口输出。

进一步地，所述控制单元包括：

摄像机，用于收集经T形管的顶端口输出的所述反射光信号，并将其 转换成电信号；

控制器，将上述电信号进行分析处理，获取磁球的运动状态和受力情 况；

压电陶瓷，通过一个电压放大器VA与所述控制器相连，控制所述压 电陶瓷的形变进而产生位移；其中，压电陶瓷与所述物镜的底座相连，通过压电陶瓷的位移，带动物镜移动，观测样品池内的不同位置。

进一步地，所述样品池包括：载玻片、池体、盖玻片以及储液腔；所 述载玻片、池体以及盖玻片叠放形成样品池密闭结构；所述储液腔通过毛细管向样品池密闭结构中输送溶液及样品；所述样品池密闭结构通过管路 与外界相通，排出溶液。

进一步地，所述磁镊装置还包括：温度控制器；所述温控器位于样品 池上，用于控制池内温度。

进一步地，所述温度控制器的精度为0.1℃。

进一步地，所述控制单元采用测力公式：F＝k_BT(X+R)/<δy²>，其中， kB为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，X为分子长度，R为磁球直径，< δy²>为磁球布朗运动y方向的均方差。

本发明提供的磁镊装置，通过改变结构设计以及改变磁球的控制方式， 解决了现有磁镊中，重力影响分子测量的系统误差；即，通过位于在竖直方向上的磁体控制单元配合样品池，完成上下行的磁球控制，即此时的重 力方向与磁力方向相同，此时的重力为恒定的，计算式可补偿，避免了造 成不规则阻尼摆，而且分子的长度在垂直方向测量准确，从而提升了测量精度；此外通过光学成像结构，反射光信号记录磁球的运动状态，也一定 程度上优化了信号采集流程，效率更高，数字性更好，便于分析计算。

附图说明

图1为本发明实施例提供的磁镊装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的样品池的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的样品连接结构示意图；

图4为本发明实施例提供的磁球受力示意图。

具体实施方式

参见图1和图3，本发明实施例提供一种磁镊装置，用于实现单个分子 的运动控制；包括：

样品池，用于盛放单分子样品及溶液；其中，单分子样品置于溶液中， 单分子样品一端连接在样品池的盖玻片底部，另一端连接磁球；

磁体控制单元，位于样品池下方，用于磁球的运动控制；

成像单元，用于向样品池投射光并输出记录所述磁球运动状态的反射 光信号；

控制单元，用于接收并转换所述反射光信号，进行所述磁球的运动测 量及分析。

在进行测量时，通过控制单元驱动磁体控制单元动作，进而通过磁力 作用，成像单元通过光路转换投射到样品池，并收集反射而回的反射光信号，发送给控制单元，经过转换处理，计算磁球的受力和运动状态。

磁体控制单元包括：永磁铁3，位于样品池下方，通过磁力控制磁球 的运动；

旋转电机2，固定在永磁铁3下方，带动永磁铁3在水平面内旋转；

线性电机1，与旋转电机2底部相连，带动旋转电机2以及永磁铁3 在竖直方向上运动。

参见图4，磁球的运动受永磁铁3控制；在竖直方向通过线性电机1 动作，从而调节永磁铁3的位置，进而调节作用于磁球的磁力大小和方向；另一方面通过旋转电机2，调整在水平面内的磁力方向，使磁球在水平面 内运动，施加力矩。

成像单元包括：T形管7、位于T形管7内T形衔接部的分光镜6、 光源10以及物镜；光源10输出的光信号通过T形管7中段管口进入，经 分光镜6作用，通过与T形管7底端口相连的物镜投射到样品池内；样品池的反射光信号从T形管7的底端的物镜进入，经T形管7的顶端口输出。 完成样品池内的运动状态采集，以光信号的形式记录。

同时，光路相对封闭，图像清晰。光信号的传递以及采集效率高，转 化的数字性更好。

成本耗材相对于商业化的光学显微镜更低。

控制单元包括：

摄像机，用于收集经T形管7的顶端口输出的反射光信号，并将其转 换成电信号；

控制器8，将上述电信号进行分析处理，获取磁球的运动状态和受力 情况；

压电陶瓷6，通过一个电压放大器VA与控制器相连，控制压电陶瓷6 的形变进而产生位移；其中，压电陶瓷6与物镜的底座相连，通过压电陶瓷6的位移，带动物镜移动，观测样品池内的不同位置。其中，永磁铁采 用极性相反的两块磁体，关于旋转电机2的中轴线对称设置，从而形成稳 定的磁力输出。

本实施例的优势在于克服了重力对实验结果的影响。本装置中，磁球 悬在竖直方向上，磁力和重力方向重合，合力F为分子受到的力,可由磁球的布朗运动计算出。

磁球做阻尼摆运动，小球热运动时偏离平衡位置δy，回复力dF_y≈－ Fδy/<X>＝-kyδy。X为DNA的长度即磁球到样品池顶部的距离。一般认 为当X较大时，约大于200纳米，k＝F/<X>是该阻尼摆的有效刚度。根据 能量均分定理，小球在垂直磁场方向一个自由度的能量为kBT/2,kB为玻尔 兹曼常数，T为热力学温度，该方向上的能量就等于k<δy²>/2,<δy²>为 磁球布朗运动y方向的均方差。所以kB T/2＝k<δy²>/2＝F<δy²>/(2<X>), 得到F＝kBT<X>/<δy²>。利用基于快速傅里叶变换的自相关算法程序分析 采集的视频，就得到磁球的运动轨迹。这样，δy和<X>可以通过图像分析直接得到，再通过上式求得外力大小。由于能量均分定理，公式 F＝kBT<X>/<δy²>中，<δy²>换成<δz²>或者<δy²+δz²>也适用。

参见图4，当分子长度X≤200纳米时，对于直径2.8微米的磁球，按 上述公式，磁球受到的最大力仅为1pN左右，而且精度较低。本实施例提供的装置，磁铁有极性，磁珠沿磁场方向z的热运动受到抑制，y和z方 向的热运动不再相同，故取y方向分量。本实施例考虑磁球带来的延伸长 度，测力用F＝k_BT(X+R)/<δy²>，其中，R为磁球直径。由于R为若干微米， 这样F就可以足够大，所以本磁镊能够测量短至5纳米的小分子。

参见图2，样品池包括：载玻片9、池体10、盖玻片11以及储液腔13； 载玻片9、池体10以及盖玻片叠放形成样品池密闭结构；储液腔13通过毛细管向样品池密闭结构中输送溶液及样品；样品池密闭结构通过管路12 与外界相通，排出溶液。

磁镊装置还包括：温度控制器；温控器位于样品池上，用于控制池内 温度，使样品溶液更加稳定、测试条件更加精确。温度控制器的精度为 0.1℃。

本实施例中，将带有磁球的分子通过玻璃管放入样品池溶液中，分子中 不接磁球的一端粘附在盖玻片上。在样品池下方的磁铁通过吸引磁球对分子产生一个竖直方向上的拉力，通过磁镊控制器驱动磁铁做直线和旋转运动， 带磁球的分子所受的力的大小和方向也随之改变。磁球的运动通过外接摄像 机成像实时传送到计算机PC主机或者控制计算机上，录像保存并分析。磁球的受力通过压电陶瓷经电压放大器VA传送至控制器上，采集相应的数据并 分析。测力算法引入磁球直径，F＝k_BT(X+R)/<δy²>，能够测量5纳米到几十 微米长的小分子，量程和精度大大提高。

本发明提供的磁镊装置，通过改变结构设计以及改变磁球的控制方式， 解决了现有磁镊中，重力影响分子测量的系统误差；即，通过位于在竖直方向上的磁体控制单元配合样品池，完成上下行的磁球控制，即此时的重 力方向与磁力方向相同，此时的重力为恒定值，计算式可补偿，避免了造 成不规则阻尼摆，从而提升了测量精度；此外通过光学成像结构，反射光信号记录磁球的运动状态，也一定程度上优化了信号采集流程，效率更高， 数字性更好，便于分析计算。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。