德國picotweezers品牌，高分辨率三維單細(xì)胞單分子力學(xué)捕獲分析光鑷系統(tǒng)(3D Force Sensitive Optical Tweezers)
PicoTweezers是一種結(jié)合了光鑷技術(shù)及微視圖像計(jì)算集合的分子生物力學(xué)分析系統(tǒng)。PicoTweezers作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，可以與蔡司Axiovert、AxioA1或D1顯微鏡聯(lián)合使用。PicoTweezers配備了功率為1W或5W的紅外光纖激光器，可達(dá)激光陷阱捕獲力范圍是400pN——2nN。PicoTweezers的3D-壓電平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)x軸和y軸為200μn;m的分辨率，在z軸方向可以實(shí)現(xiàn)20μn;m的分辨率。*的視頻分析系統(tǒng)（Video-analysis）可以達(dá)到至少2.5納米的橫向和軸向分辨率，其圖像拍攝速率為200幀/秒，X、Y、Z互相成像速度為400赫茲，可對(duì)生物大分子進(jìn)行0.1PN作用力分辨率的實(shí)時(shí)分析。
圖1 PicoTweezers裝配示意圖
系統(tǒng)工作原理：
分子之間的作用力是在三維方向上分布的，所以為了計(jì)算大分子之間產(chǎn)生的各種作用力，需要在X、Y、Z三個(gè)維度上進(jìn)行作用力的精確檢測(cè)，并且要求在這三個(gè)維度的測(cè)量空間比較大，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的自由度和多目的性。
PicoTweezers系統(tǒng)使用視頻分析系統(tǒng)（右下圖）作為粒子追蹤、檢測(cè)和力測(cè)量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然相對(duì)復(fù)雜，但模塊化的配置和穩(wěn)定的組裝賦予了該系統(tǒng)易于使用的特征。
在測(cè)量的過程中，被光阱捕獲的顆粒會(huì)在三個(gè)方向上對(duì)光進(jìn)行阻擋，導(dǎo)致光線偏轉(zhuǎn)，PicoTweezers的視頻分析系統(tǒng)通過獲取偏轉(zhuǎn)的圖像來分析作用力的變化，進(jìn)而可以分析分子之間作用力的變化。由于該系統(tǒng)非常穩(wěn)定，且不需要校準(zhǔn)、沒有試驗(yàn)和空間的限制，所以該系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，是生物學(xué)、分子生物學(xué)、材料學(xué)研究者在大分子生物力學(xué)研究中的進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器之一。
系統(tǒng)擁有自動(dòng)、簡單和可靠的力校準(zhǔn)系統(tǒng)
該系統(tǒng)在三維空間中的力校準(zhǔn)是通過斯托克斯阻力法移動(dòng)3D-壓電平臺(tái)周邊的介質(zhì)來進(jìn)行的。在具體的應(yīng)用中，作用力的檢測(cè)是通過基于視頻的Allan方差分析和校準(zhǔn)途徑來實(shí)現(xiàn)的，其過程主要是通過對(duì)微小粒子的波動(dòng)進(jìn)行圖像記錄和分析，在此過程中，不需要施加任何摩擦力。在實(shí)驗(yàn)過程中，斯托克斯方法和Allan方差都不需要對(duì)光阱剛度k進(jìn)行判定，即使需要，視頻分析軟件可以自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。
系統(tǒng)的計(jì)算原理
系統(tǒng)擁有兩臺(tái)高速數(shù)碼照相機(jī)。臺(tái)照相機(jī)對(duì)光學(xué)阱捕獲的粒子的周圍區(qū)域進(jìn)行成像，第二臺(tái)高速CMOS照相機(jī)對(duì)被放大的粒子大圖像進(jìn)行測(cè)量。相關(guān)的關(guān)鍵會(huì)實(shí)時(shí)分辨并鎖定每個(gè)幀圖像的邊緣部分，確定出圖像的灰階和合適的范圍，以此來確定或獲取粒子的直徑。
當(dāng)外在的作用力施加在粒子上面時(shí)導(dǎo)致粒子在Z-軸上發(fā)生位移時(shí)，粒子的直徑會(huì)發(fā)生變化，軟件會(huì)將這種變化通過Z-軸的作用力表現(xiàn)出來。而粒子受到水平方向上的作用力時(shí)，僅僅改變圖像的圓心的位置，但是其直徑并不會(huì)改變。這樣通過獲取圖像的位置的變化就可以分析粒子納米級(jí)別的水平方向受到的作用力，進(jìn)而分析出粒子在X、Y軸上所受到的作用力。
粒子在Z-軸上作用力會(huì)改變圖像的直徑，在X、Y軸上所受到的作用力會(huì)改變圖像的圓心位置
力測(cè)量的三種方式對(duì)比：
左邊：是傳統(tǒng)光鑷的監(jiān)測(cè)方法。激光通過捕獲粒子，然后收集前向散射光并投射到探測(cè)器感應(yīng)粒子的偏轉(zhuǎn)。由于獲取圖像之前需要設(shè)置冷卻器以進(jìn)行精確地調(diào)節(jié)，這種設(shè)置獲取的圖像容易漂移和錯(cuò)位，導(dǎo)致誤差；
中間：從顆粒被捕獲的目標(biāo)收集背散射光，入射激光設(shè)置分光器并投射到檢測(cè)器。這種方式測(cè)量的量程大，同樣可以建立基于視頻的檢測(cè)方法，但精確度不夠。
右邊：這是PicoTweezer的檢測(cè)方法，同樣也是通過設(shè)置并收集背散射光，然后通過分光器并投射到檢測(cè)器。但是PicoTweezer系統(tǒng)采用了高靈敏度的CMOS圖像傳感器進(jìn)行處理，并添加一組聚焦透鏡進(jìn)行圖像聚焦，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粒子圖像的更精確測(cè)定。其建立的基于圖像的檢測(cè)方法允許粒子更高的多樣性，數(shù)據(jù)吞吐速度更快，分析效果更精確。采用這種方法的優(yōu)勢(shì)之一是激光器和光阱之間的光學(xué)路徑無需對(duì)檢測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)或調(diào)整，對(duì)于被監(jiān)測(cè)的對(duì)象粒子的直徑和移動(dòng)可以被長期地監(jiān)測(cè)而不會(huì)發(fā)生漂移。
圖 光鑷子測(cè)量分子力的三種方式對(duì)比
圖PicoTweezers軟件工作界面
儀器亮點(diǎn)
1)定量在三維方向?qū)崿F(xiàn)0.1 PN分辨率下的3D測(cè)量
2)光阱捕獲力可在1 W光纖激光器下達(dá)到400 PN
3)通過光鑷實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲對(duì)象精度為納米級(jí)別的操控
4)擁有緊湊、超穩(wěn)定模塊化系統(tǒng)
5)可編程的LabVIEW?軟件界面
6)不需要檢測(cè)校準(zhǔn)，軟件計(jì)算非常容易
儀器應(yīng)用范圍
1.)單分子與活細(xì)胞的操控和分析
2)高分子彈性分析、微流控分析
3)分子相互作用、納米孔分析
應(yīng)用案例
1)單分子的捕獲及分析
單個(gè)DNA鏈通過兩端的官能基團(tuán)固定在兩個(gè)微珠之間。其中的一個(gè)微珠被玻璃微吸管固定，另外一個(gè)微珠被光鑷俘獲，通過移動(dòng)壓電平臺(tái)增加珠之間的距離引起的受控DNA的機(jī)械張力。作為響應(yīng)的分子的力 - 延伸曲線表現(xiàn)出DNA特定的機(jī)械性能，結(jié)果可以計(jì)算DNA的熵彈性，DNA的一個(gè)過渡延伸平臺(tái)區(qū)和熔融過渡區(qū)域。
圖DNA分子的捕獲及分析圖譜
2)單個(gè)DNA鏈的易位過程分析
PicoTweezers可用于納米孔分子生物學(xué)的研究，他們迅速演變成單分子檢測(cè)領(lǐng)域一個(gè)非常新穎的技術(shù)。當(dāng)單個(gè)DNA分子或DNA-蛋白復(fù)合物通過納米孔時(shí)，這個(gè)過程可以被PicoTweezers監(jiān)測(cè)并分析，相關(guān)數(shù)據(jù)可以確定DNA的易位動(dòng)力學(xué)和DNA上結(jié)合的蛋白質(zhì)的位置。
納米孔測(cè)量的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在:(1)可在非常低的濃度和很小的樣品體積下測(cè)定目標(biāo)分子;(2)可同時(shí)進(jìn)行基因與生物標(biāo)志物的篩選;(3)由于不需要進(jìn)行放大及轉(zhuǎn)化,分析測(cè)量的速度將很快且費(fèi)用低廉。
當(dāng)捕獲的的粒子上的DNA接近納米孔（至5微米的距離）時(shí)，帶負(fù)電荷的DNA通過DNA骨架的靜電力立即進(jìn)入納米孔中，這種效果可以通過監(jiān)測(cè)的力信號(hào)得到?？梢钥吹竭@種作用力在到達(dá)一定穩(wěn)定值后突然變化，顯示出DNA的易位過程。系統(tǒng)所測(cè)得的力取決于施加的電壓以及納米孔的直徑。當(dāng)整個(gè)DNA鏈與納米孔另外一端的距離為10.5微米時(shí)，表明DNA鏈被拉出孔，所述力降回到零。
目前PicoTweezers可結(jié)合各個(gè)實(shí)驗(yàn)室已構(gòu)建的納米尺度裝置對(duì)單分子進(jìn)行分析。包括生物納米孔(通道) (由各類蛋白質(zhì)分子鑲崁在磷脂膜上組成)、固態(tài)納米孔(通道)(包括各種硅基材料、SiNx、碳納米管、石墨烯、玻璃納米管等)及兩類相結(jié)合的雜化納米孔(通道)。
圖 DNA的易位過程分析圖譜
3)單個(gè)DNA結(jié)合蛋白分析
當(dāng)結(jié)合到DNA鏈上的單個(gè)過氧氧化還原酶通過納米孔過程中，會(huì)發(fā)生非對(duì)稱的力的信號(hào)。這種信號(hào)可以作為蛋白質(zhì)在DNA上的結(jié)合位點(diǎn)的無標(biāo)記的定位信息。相關(guān)的力學(xué)信息結(jié)合DNA和蛋白質(zhì)的特征，可以進(jìn)一步得出其蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)合作用力來源于蛋白質(zhì)與DNA骨架電荷的作用力。當(dāng)單個(gè)DNA結(jié)合蛋白通過納米孔時(shí)，DNA與結(jié)合蛋白之間的靜電引力減少，有助于分子通過微孔。
圖單個(gè)DNA結(jié)合蛋白分析圖譜
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