PicoTwist单分子操纵磁镊装置

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。

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
 

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


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 
 

图4 PicoTwist磁极控制磁珠过程示意图

（5）并行的照明和摄像头
 

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 


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

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。