基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置及示蹤方法
2023-05-28 18:28:11
基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置及示蹤方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置及示蹤方法，該示蹤方法包括以下步驟：在進行單粒子或單分子示蹤測量前對原子力顯微鏡探針針尖進行檢測物的修飾；示蹤測量過程中，原子力顯微鏡探針以恆定的力與被測物表面接觸；當檢測物與被測物有相互作用時微懸臂發生偏轉，掃描器的壓電陶瓷的伸縮距離發生變化；利用數據採集卡採集微懸臂偏轉隨時間變化的關係以及壓電陶瓷的伸縮距離隨時間變化關係，實現對於單粒子或單分子的示蹤。本發明的原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤方法能用於研究細胞內吞病毒、納米粒子等粒子的動態過程，同時也適用於研究葡萄糖、胺基酸等生物小分子在細胞膜上的轉運過程。
【專利說明】基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置及示蹤方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微觀粒子軌跡測量方法【技術領域】，具體涉及一種基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置及示蹤方法。
【背景技術】
[0002]在單分子水平研究生物分子間相互作用的機制，對於深入了解生物分子的特異性識別、生化過程以及分子結構與功能的關係具有極其重要的意義，並已經成為目前生物、化學、物理交叉領域的一個前沿方向([I]陳宜張，林其誰，生命科學中的單分子行為及細胞內實時檢測，I，北京:科學出版社，2005,1-11。[2]M.J.J.A.Dvorak, The application ofatomic force microscopy to the study of living vertebrate cells in culture，Methods，2003(29):86_96)。
[0003]AFM單分子力譜法以其獨特的優越性在生物單分子間相互作用的研究中發揮著十分重要的作用。現有的AFM單分子力譜法具有如下的步驟:
[0004]首先使壓電陶瓷掃描器和樣本表面保持一定距離，AFM探針與樣本表面沒有接觸，微懸臂不發生偏轉；壓電陶瓷掃描器開始伸長，AFM探針和樣本表面接觸，微懸臂發生偏轉；當壓電陶瓷掃描器伸長到用戶定義最大範圍時，壓電陶瓷掃描頭開始回縮，AFM探針遠離樣本表面。
[0005]上述的AFM單分子力譜法在研究單粒子與細胞的相互作用方面存在著一定的缺陷，在實驗過程中，AFM探針受壓電陶瓷掃描器的驅動沿Z方向向細胞表面運動，細胞表面上的動態過程，如內吞、轉運等也是在Z方向上的運動，如圖1所示，這樣使得檢測到的力信號容易被認為是AFM探針本身運動產生的而不是細胞表面上的動態過程產生的，因而不能直接客觀的研究細胞表面上的動態過程。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的AFM單分子力譜法檢測到的力信號容易被認為是AFM探針本身運動產生的而不是細胞表面上的動態過程的技術問題，本發明提供一種基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置及示蹤方法。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:
[0008]基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置，包括:
[0009]控制器、掃描器、微懸臂、原子力顯微鏡探針及雷射檢測器；
[0010]所述掃描器可在所述控制器的控制下按照特定方向伸縮；所述微懸臂的一端安裝在所述掃描器上，另一端安裝有所述原子力顯微鏡探針。
[0011]所述的基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置的示蹤方法，包括以下步驟:
[0012]步驟一、在進行單粒子或單分子示蹤測量前對原子力顯微鏡探針針尖進行檢測物的修飾；示蹤測量過程中，原子力顯微鏡探針以恆定的力與被測物表面接觸；當檢測物與被測物有相互作用時微懸臂發生偏轉，掃描器的壓電陶瓷的伸縮距離發生變化；
[0013]步驟二、利用數據採集卡採集微懸臂偏轉隨時間變化的關係以及壓電陶瓷的伸縮距離隨時間變化關係，實現對於單粒子或單分子的示蹤。
[0014]上述技術方案中，檢測物包括:單個單分子、多個單分子、單個病毒或單個納米粒子。
[0015]上述技術方案中，被測物包括:細胞膜、人工磷脂膜、人工納米孔、能內吞或轉運單個分子及顆粒的體系。
[0016]上述技術方案中，原子力顯微鏡探針與被測物表面以小於IOpN恆定的力接觸。
[0017]本發明具有以下的有益效果:
[0018]本發明的基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置，壓電陶瓷隨時間變化關係能直接反映單個粒子或單分子隨時間的位移關係。
[0019]本發明的原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤方法能用於研究細胞內吞病毒、納米粒子等粒子的動態過程，同時也適用於研究葡萄糖、胺基酸等生物小分子在細胞膜上的轉運過程。
[0020]本發明的原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤方法能測量納米級的運動，同時也適合研究納米粒子和細胞膜、納米粒子和人工納米孔、納米粒子和人工磷脂膜、分子和細胞膜、分子和人工納米孔、分子和人工磷脂膜之間的相互作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0022]圖1為現有技術的AFM單分子力譜法測量的力-距離曲線圖；
[0023]圖2為本發明的原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤方法電路原理圖；
[0024]圖3中左邊的圖3A為病毒粒子進入細胞膜之前掃描器壓電陶瓷的位置，右邊的圖3B為病毒進入細胞膜後掃描器壓電陶瓷的位置；
[0025]圖4中上部的圖4A為利用原子力顯微鏡單粒子或單分子示蹤方法得到壓電陶瓷伸縮隨時間變化關係圖；下部的圖4B為利用原子力顯微鏡單粒子或單分子示蹤方法得到微懸臂偏轉隨時間變化關係圖。
【具體實施方式】
[0026]本發明的發明思想為:本發明的基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置及示蹤方法，在反饋系統的控制下完成進針後，設定一個控制點使AFM探針(原子力顯微鏡探針)以恆定的力(<10pN)與被測物表面接觸，探針的偏轉電壓和設定的控制點相比較會產生一個偏差。把此偏差信號輸送到反饋系統，反饋系統會調節掃描器壓電陶瓷位置以確保探針電壓和設定的控制點保持一致。當單粒子或單分子受力向下運動時，AFM探針微懸臂會發生偏轉，隨之原子力顯微鏡掃描器的壓電陶瓷會伸長，利用數據採集卡採集微懸臂偏轉隨時間變化關係以及壓電陶瓷伸縮距離隨時間變化。本發明避免了壓電陶瓷掃描器驅動AFM探針在Z方向的運動對被測物表面動態過程研究的影響。
[0027]具體的說，如圖2所示，一種基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置，包括:[0028]控制器、掃描器、微懸臂、原子力顯微鏡探針及雷射檢測器；所述掃描器可在所述控制器的控制下按照特定方向伸縮；所述微懸臂的一端安裝在所述掃描器上，另一端安裝有所述原子力顯微鏡探針。
[0029]應用上述示蹤裝置，本發明還提供一種原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤方法，該方法具有如下步驟:
[0030]步驟一、首先，在進行單粒子或單分子示蹤測量前對AFM探針針尖進行檢測物的修飾。示蹤測量過程中，在反饋系統的控制下完成進針，設定一個控制點使AFM探針以恆定的力和被測物接觸；當檢測物與被測物之間有相互作用時微懸臂會發生偏轉隨之掃描器壓電陶瓷會發生變化；
[0031]步驟二、利用數據採集卡採集微懸臂偏轉隨時間變化關係以及壓電陶瓷伸縮隨時間變化關係並輸入至電腦進行分析處理。
[0032]上述的步驟一中，反饋系統主要由控制器、掃描器、微懸臂、AFM探針、雷射檢測器組成，掃描器在控制器的控制下按照特定方向伸長或縮短，微懸臂的一端安裝在掃描器上，另一端安裝有AFM探針，通過反饋系統的作用實現進針或回針。AFM探針與樣本表面作用時受到的力F=C*S，C為微懸臂彈性係數，S和設定的控制點大小有關。檢測物包括單個單分子、多個單分子、單個病毒或單個納米粒子。被測物包括細胞膜，人工磷脂膜，人工納米孔，能內吞或轉運單個分子及顆粒的體系。該能內吞或轉運單個分子及顆粒的體系具體指的是能內吞單個分子及顆粒的體系，或能轉運單個分子及顆粒的體系。本發明的原子力顯微鏡的力示蹤方法在接觸模式、非接觸模式和敲擊模式下均可適用。
[0033]如圖3所示，當探針以恆定力與檢測物接觸時，由於被測物與檢測物之間發生內吞或轉運作用，AFM探針針尖受到被測物與檢測物產生的力的作用，此時微懸臂發生偏轉隨之壓電陶瓷發生變化。
[0034]上述的步驟二中，數據採集卡將採集到的AFM探針微懸臂變化和掃描器壓電陶瓷伸縮距離輸入至電腦並進行分析處理，實現對於單粒子或單分子的示蹤。
[0035]下面結合附圖對本發明做以詳細說明。
[0036]實施例細胞內吞病毒粒子動態過程的研究
[0037]將病毒粒子修飾到AFM探針針尖上，在反饋系統的控制下完成進針後，設定控制點使AFM探針和細胞膜表面以恆定力(小於IOpN)接觸，當病毒粒子內陷到細胞膜裡面時，探針微懸臂會向下發生偏轉(圖4B中所示，偏轉大小用力來表示)；為了保持探針微懸臂保持原來的狀態，壓電陶瓷會在反饋系統的控制下發生伸長(圖4A所示，伸長距離為納米)，其中測得伸長距離就為病毒的內陷距離，測得距離範圍為100-200納米；利用數據採集卡採集微懸臂偏轉隨時間變化關係以及壓電陶瓷伸縮距離隨時間變化關係並輸入至電腦進行分析處理。本方法能測量納米級的運動，同時也適合研究納米粒子和細胞膜、納米粒子和人工納米孔、納米粒子和人工磷脂膜、分子和細胞膜、分子和人工納米孔、分子和人工磷脂膜之間的相互作用。
[0038]如圖4中的圖4A、圖4B所示，實驗結果表明本發明的優點是:(I)能夠得出病毒由於內吞作用而向下運動距離和時間從而計算病毒運動速度(2)避免了 AFM探針在Z方向上運動對病毒運動過程的影響。
[0039]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。
【權利要求】
1.基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置，其特徵在於，包括: 控制器、掃描器、微懸臂、原子力顯微鏡探針及雷射檢測器； 所述掃描器可在所述控制器的控制下按照特定方向伸縮；所述微懸臂的一端安裝在所述掃描器上，另一端安裝有所述原子力顯微鏡探針。
2.權利要求1所述的基於原子力顯微鏡的單粒子或單分子示蹤裝置的示蹤方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一、在進行單粒子或單分子示蹤測量前對原子力顯微鏡探針針尖進行檢測物的修飾；示蹤測量過程中，原子力顯微鏡探針以恆定的力與被測物表面接觸；當檢測物與被測物有相互作用時微懸臂發生偏轉，掃描器的壓電陶瓷的伸縮距離發生變化； 步驟二、利用數據採集卡採集微懸臂偏轉隨時間變化的關係以及壓電陶瓷的伸縮距離隨時間變化關係，實現對於單粒子或單分子的示蹤。
3.根據權利要求2所述的示蹤方法，其特徵在於， 檢測物包括:單個單分子、多個單分子、單個病毒或單個納米粒子。
4.根據權利要求2所述的示蹤方法，其特徵在於， 被測物包括:細胞膜、人工磷脂膜、人工納米孔、能內吞或轉運單個分子及顆粒的體系。
5.根據權利要求2所述的示蹤方法，其特徵在於，原子力顯微鏡探針與被測物表面以小於IOpN恆定的力接觸。
【文檔編號】G01Q60/24GK103792393SQ201410029607
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】王宏達, 潘延剛, 徐海嬌, 蔡明軍, 單玉萍, 蔣俊光 申請人:中國科學院長春應用化學研究所