了解生命過程的分子機制是預(yù)防和治療癌癥等各種疾病的關(guān)鍵。磁鑷單分子操縱系統(tǒng)是當(dāng)今流行的單分子操縱設(shè)備之一，可以對單個生物大分子進行力學(xué)操縱并實時高精度測量其構(gòu)象變化的性質(zhì)。
磁鑷技術(shù)
磁鑷（Magnetic Tweezers），是一種利用超順磁球?qū)ι锎蠓肿舆M行力學(xué)操縱的技術(shù)。bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)是一款商業(yè)化的獨立儀器，包括Olympus的研究型倒置式顯微鏡、對單分子操縱進行優(yōu)化設(shè)計的照明和自動對焦系統(tǒng)、以及磁鑷技術(shù)所具有的的運動控制系統(tǒng)。整個磁鑷系統(tǒng)在集成的計算機軟件的控制下，可以方便的進行單分子力學(xué)響應(yīng)、構(gòu)象轉(zhuǎn)變的測量。
原理
超順磁球在磁場中會被磁化并具有一定的能量，如果磁場是非均勻的，磁化的超順磁球會受到磁場梯度的方向的力的作用。通過控制外加磁場的強度和梯度，可以控制磁球上受到的拉力的大小。磁鑷可以施加的拉力范圍從0到數(shù)百皮牛頓（pico Newton）。
在測量方面，通過對磁球的顯微圖像分析，可以得到所研究的分子的伸長的信息，達到納米級別的精度。通過高速相機來采集磁球的的顯微圖像，時間分辨率可以達到毫秒級別。
主要技術(shù)特點：
? 單分子操縱
? 恒定拉力控制
? 毫秒級別時間分辨率
? 穩(wěn)定性：對單分子數(shù)小時到數(shù)天的連續(xù)測量
? 可擴展性：可以結(jié)合商業(yè)倒置顯微鏡的各種功能，如熒光成像等
? 高性價比
bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)
bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)作為一個高度靈活的單分子檢測儀器，其商業(yè)化的研究型倒置顯微鏡平臺給用戶定制和個性化需求提供了多重選擇。
? 通過增加轉(zhuǎn)動馬達，實現(xiàn)對雙螺旋DNA的扭轉(zhuǎn)與超螺旋研究
? 通過改變磁鐵的尺寸，實現(xiàn)不同范圍內(nèi)拉力的高精度標(biāo)定與控制
? 通過不同的磁鐵設(shè)計，實現(xiàn)分子拉伸的高精度測量和分子扭轉(zhuǎn)的高精度測量
? 商業(yè)化研究型倒置顯微鏡可以對光學(xué)路徑進行方便的調(diào)整，以實現(xiàn)不同的實驗要求
? 可以與各種熒光顯微鏡，如共聚焦、全內(nèi)反射等結(jié)合使用
bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)與其他單分子操縱系統(tǒng)對比優(yōu)勢：
? 與AFM力譜技術(shù)對比：bioPSI磁鑷可以實現(xiàn)更高精度的拉力控制，無需反饋系統(tǒng)就實現(xiàn)恒定外力測量，無機械漂移，可以實現(xiàn)長時間穩(wěn)定測量。
? 與AFS力譜技術(shù)對比：磁鑷樣品制備簡單，每次采用新的蓋玻片組裝實驗用的微流腔，杜絕交叉污染。bioPSI磁鑷可以實現(xiàn)更高精度的拉力控制，無需反饋系統(tǒng)就實現(xiàn)恒定外力測量。
? 與光鑷對比：系統(tǒng)穩(wěn)定性更強，bioPSI磁鑷可以實現(xiàn)更高精度的拉力控制，無需反饋系統(tǒng)就實現(xiàn)恒定外力測量。系統(tǒng)維護工作簡單，無需專業(yè)人員進行定期維護。對實驗室環(huán)境無特殊要求。
? 與其他磁鑷系統(tǒng)對比：bioPSI磁鑷基于研究型倒置顯微鏡，特殊的照明和磁鐵設(shè)計可以實現(xiàn)更大的拉力范圍。易于擴展。的控制系統(tǒng)實現(xiàn)無漂移長時間測量。
磁鑷單分子操縱系統(tǒng)的應(yīng)用
? 蛋白質(zhì)折疊
? 高分性
? DNA、RNA穩(wěn)定性與動力學(xué)
? 分子間相互作用
高精度力學(xué)及長度測量
不同于光鑷和原子力顯微鏡等其他單分子操控技術(shù)，磁鑷是直接控制施加到所研究的分子上的拉力的大小。并且可以根據(jù)磁球的熱運動直接對拉力進行標(biāo)定。在已知磁鐵和其磁場的性質(zhì)的情況下，一兩分鐘就可以對不同磁球的拉力進行準(zhǔn)確的標(biāo)定，誤差小于10%。
在使用高倍數(shù)油鏡的情況下，我們改進了磁鑷的照明系統(tǒng)，使得磁球的顯微圖像對焦平面的變化非常敏感，可以實現(xiàn)小于2納米的伸長測量精度。
高數(shù)據(jù)量的去折疊力的測量（DNA G4結(jié)構(gòu)的測量）
同樣得益于bioPSI磁鑷單分子操控系統(tǒng)的超級穩(wěn)定性，如果所研究的分子在拉力減小或去除時可以重新回復(fù)到初始狀態(tài)，我們就可以重復(fù)對其進行多次循環(huán)的測量。這樣在一個分子上就可以得到幾百次甚至更多的測量數(shù)據(jù)，這對于統(tǒng)計分析是非常重要和便利的。
不同于光鑷和原子力顯微鏡等其他單分子操控技術(shù)，磁鑷是直接控制施加到所研究的分子上的拉力的大小。并且可以根據(jù)磁球的熱運動直接對拉力進行標(biāo)定。在已知磁鐵和其磁場的性質(zhì)的情況下，一兩分鐘就可以對不同磁球的拉力進行準(zhǔn)確的標(biāo)定，誤差小于10%。
在使用高倍數(shù)油鏡的情況下，我們改進了磁鑷的照明系統(tǒng)，使得磁球的顯微圖像對焦平面的變化非常敏感，可以實現(xiàn)小于2納米的伸長測量精度。
bioPSI磁鑷單分子操控系統(tǒng)的外力控制和伸長測量系統(tǒng)獨立，并輔以的自動穩(wěn)定系統(tǒng)，可以對單個分子進行長達數(shù)小時，甚至若干天的連續(xù)測量。
圖中所示數(shù)據(jù)是對I27蛋白質(zhì)進行的8個小時的平衡態(tài)折疊與去折疊的磁鑷實驗測量數(shù)據(jù)，所用的拉力是4.5皮牛。傳統(tǒng)的原子力顯微鏡技術(shù)由于機械漂移方面的限制，只能在幾秒中內(nèi)完成測量，所得到的拉力經(jīng)常到200皮牛，由于原子力顯微鏡的測量是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的，所以很多向小力平衡態(tài)情況的外推是錯誤的。而磁鑷的直接測量可以得到精確的結(jié)果。
DNA與蛋白質(zhì)相互作用的動態(tài)測量
對于DNA，可以是雙鏈B-DNA，也可以是單鏈DNA，都具有特定的彈性性質(zhì)與伸長。當(dāng)其與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用時，復(fù)合物的彈性性質(zhì)和伸長會發(fā)生變化。磁鑷不僅可以測量穩(wěn)定的DNA-蛋白質(zhì)的復(fù)合物的彈性性質(zhì)，也可以測量其相互結(jié)合或解離的動態(tài)過程。
bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)：
? 長度測量分辨率：小于2納米
? 拉力校準(zhǔn)精度：小于10%
? 拉力范圍：對于2.8微米直徑順磁球，拉力零到上百皮牛
? 工作穩(wěn)定性：單分子測量大于8小時
? 測量采樣率：大于100赫茲，樣品容許情況下可以優(yōu)化到500赫茲
? 磁鐵位置控制精度：小于5微米
? 磁鐵旋轉(zhuǎn)控制精度：小于0.1度
bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)基本配置：
? 研究級倒置顯微鏡，100X油鏡
? 閉環(huán)壓電陶瓷物鏡控制器
? 高速CCD相機
? 高精度電動平動平臺
? 高精度電動轉(zhuǎn)動平臺（可選）
? 磁鑷系統(tǒng)控制器
? 集成控制系統(tǒng)：實時操控、數(shù)據(jù)采集與分析
