磁鑷

磁鑷是近年發展起來的一種用於生命科學研究領域的微操縱技術，通過磁場控制超順磁性小珠的移動，並利用這個小珠捕捉單分子，從而進行接下來一系列力學拉伸的實驗。

基本介紹

• 中文名：磁鑷
• 外文名：magnetic tweezer
• 專業：結構生物學技術

背景概述

生物單分子操縱技術是上世紀90年代以來發展起來的，所謂單分子研究技術有如光鑷、磁鑷、玻璃微管和分子梳、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等，再加上單分子螢光技術。 這些單分子DNA的操縱技術各有自己的優缺點。

對原子力顯微鏡技術來說，它是使用原子力顯微鏡的懸臂來對DNA進行操縱，其可以準確測量的力的範圍不小於10 pN，而許多單分子研究要求10pN以下的精確度，比如對分子馬達的研究。

玻璃微針技術是使用商業拉針儀拉出比原子力顯微鏡懸臂彈性係數更小的微針尖，通過修飾微針尖，連線DNA，但是這樣一個微針只能連線一根DNA，故並不能重複使用，因此，實驗很耗費時間。

光鑷是利用聚焦雷射束產生輻射壓力而形成的光學陷阱,可以使處在陷阱中的微粒受力,此方法要求使用高功率的雷射器，價格昂貴。同時，強的雷射束斑還可能對所研究的DNA分子造成損傷。

STM的基本原理是基於量子“隧道效應”，當針尖和試樣面間距離足夠小時(<0.4nm)，在針尖和試樣面間施加一偏置電壓，在偏置電壓作用下，針尖和試樣面之間將產生強大的電場 (109-1010V/m)。試樣面上的吸附電子在強電場作用下，經過蒸發被移動或提取，在試樣面上留下空穴，從而實現單原子的移動和操縱。同樣，吸附在針尖上的原子也可在強電場作用下，經過蒸發而沉積到試樣面上，完成單原子的放置，此方法對材料要求較高，必須是導體或者半導體。

傳統的單分子操縱技術——微針、原子力顯微術、光鑷等存在作用力小且不易測量，實驗環境受限制，對生物樣品有損害等諸多不足。作為克服這些不足而出現的磁鑷技術，具有作用力大，套用範圍廣，無損耗，穩定等優勢，很好地解決了這些問題。磁鑷提供的作用力範圍在0.1—100pN內可調，既可從分子外部進行操作，也可以深入細胞內部，還可對溶液體系中的鮮活樣品進行操作。

最早套用磁鑷的是Crick與Hughes，他們用磁鑷在生物物理實驗中操縱磁性物體研究細胞質的粘滯性；隨後Yag用磁鑷研究了細胞質的力學性質。近年來，磁鑷技術更是迅速發展，已在用來研究單個DNA分子和動力蛋白的微機械與傳輸性質。

原理

磁鑷的原理是通過梯度分布的磁場對處於其中的可磁化小珠施力, 觀察並分析其運動。超順磁性的小珠處於磁場中時, 磁化後的磁化強度 M 將與磁場的強度 H 方向相同, 但兩者間的數值關係並不是線性的, 磁化強度 M 存在著一個飽和值 M max , 小珠的磁矩滿足:

m= M_maxV

磁鑷與DNA拉力

式中: V ——超順磁性小珠的體積; m——磁矩。外磁場對小珠的作用力 F 為:

F= ( m·V) B

飽和時小珠磁矩 m 的方向與外磁場磁感應強度 B 的方向一致, 將此方向定義為 X 軸向, 則 F 最終

結果為:

F= M_maxV

由上述原理可知磁珠受力直接取決於外磁場。首先要求系統的磁感應強度 B 要足夠大, 使磁珠磁化強度能夠達到飽和值; 其次, 要有合適的梯度分布, 特別是梯度為常值的情況最簡單, 此時受力也為常值。

結構

磁鑷主要包括磁路系統、顯微成像系統以及數據採集和處理系統等部分。另外, 還有用來保障系統穩定運行的溫控、防震等輔助裝置。磁路系統是用來產生足夠使磁珠達到飽和磁化強度並具有高線性梯度分布的磁場。在設計磁路系統時, 為獲得上述要求的磁場, 採用了兩組線圈的設計; 一組用來產生梯度穩定的磁感應強度 B, 即近似為常值; 另一組用來在產生數值較大且均勻的磁感應強度以使小球達到飽和磁化。磁路系統除了組合電磁線圈和電源外還有為保證磁場穩定的機械和溫度控制等裝置。顯微成像系統包括倒置顯微鏡和探測圖像的 CCD 系統等。數據採集和處理系統包括計算機採集和相應的分析程式編寫。

磁鑷系統

性能

從結構和原理上，磁鑷包括三部分：超順磁小球、磁場以及顯微裝置，梯度分布的磁場對處於其中的可磁化小球施力，通過這種施力操縱進而影響生物樣品，即將DNA 的一端連在小球或玻璃表面上,另一端連上一個超順磁性小球(簡稱磁球),另加一個磁場吸引住磁球,改變外磁場就可以拉動或轉動磁球,從而拉伸或扭轉DNA分子。單分子磁鑷又可以分為縱向磁鑷和橫向磁鑷,其中縱向磁鑷方法是通過小球像的光暈的變化來測量磁球與載玻片表 面的距離, 即單分子DNA的拉伸長度。這種方法實驗時樣品池溶液可更換,具有較高的實驗效率,但是它的缺點是對顯微鏡顯像的質量要求很高；而文獻報導的近場橫向磁鑷裝置能夠直觀方便地觀察並檢測單個DNA分子的伸展長度,同時具有較高的精確度。它的缺點是實驗時樣品池內的溶液不能更換, 而且一次實驗只能操縱一個單根DNA，效率比較低。

磁鑷的性能是由系統各部分綜合決定的。磁鑷系統主要由磁路系統、顯微成像系統以及數據採集和處理系統等部分組成。另外還有用來保障系統穩定運行的溫控、防震等輔助裝置。磁路系統用來產生穩定梯度分布的磁場，包括組合電磁線圈、電源以及相應的機械和溫度控制等；顯微成像系統包括倒置顯微鏡和探測圖像的CCD系統等；數據採集和處理則分別由相應的程式完成。

套用特點

磁鑷技術更為簡單直接 ，磁鑷用永磁體或電磁體吸引磁珠，連結於磁珠與基底間的生物分子受到磁珠傳遞的作用力；使用倒置顯微鏡觀測磁珠位置，以表征分子長度變化。磁鑷很好地避免了熱與光對樣品生物活性的損傷，對樣品的要求低於光鑷，對系統漂移與噪聲也不甚敏感。而磁鑷可驅動磁珠旋轉，這在研究生物分子時有其獨特的套用，廣泛套用於 DNA 解旋研究，如 DNA拓撲異構酶(DNA topoisomerases)與 DNA相互作用，以及其它可旋轉分子(如 ATPase)的研究。但是，磁鑷實驗中分子形變由顯微鏡與相機採集圖像獲得，其頻寬與測量精度、靈敏度都受到一定限制。磁鑷作用力可達 nN 量級或更大，但是其空間解析度僅為 nm 量級，這在一定程度上制約了磁鑷在某些研究中的套用。

磁鑷用於DNA拓撲學研究

總結綜述

在眾多單分子操縱技術中，磁鑷以其非接觸式操作、相對於光鑷既無機械損傷又無光照損傷等優勢，成為物理、化學、和生命科學、醫藥科學等領域裡不可或缺的工具。磁鑷的建立是以均勻梯度磁場控制磁珠的運動來實現，系統結構、磁路系統的設計、線圈的纏繞直接影響磁鑷的工作效果。