คีมจับเชิงแสงและเชิงแม่เหล็ก

เครื่องมือที่ใช้แสงหรือสนามแม่เหล็กจับลูกปัดขนาดเล็กเพื่อประยุกต์ใช้และวัดแรงระดับพิโกนิวตันกับชีวโมเลกุลเดี่ยวที่ยึดติดอยู่

Definition

คีมจับเชิงแสงและเชิงแม่เหล็กเป็นเครื่องมือระดับโมเลกุลเดี่ยวที่ใช้แรงเชิงแสงหรือเชิงแม่เหล็กในการยึดจับไมโครสเฟียร์ เพื่อออกแรงและวัดแรงระดับพิโกนิวตันที่ควบคุมได้ และในกรณีของแม่เหล็กคือแรงบิด กับโมเลกุลที่ถูกยึดไว้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมวิธีการหลักสองวิธีในการจัดการแรงของชีวฟิสิกส์ระดับโมเลกุลเดี่ยว: คีมจับเชิงแสง (optical tweezers) ซึ่งดักจับลูกปัดไดอิเล็กตริกที่จุดโฟกัสเลเซอร์ และคีมจับเชิงแม่เหล็ก (magnetic tweezers) ซึ่งดึงและบิดลูกปัดแม่เหล็ก หัวข้อนี้จะอธิบายว่าแต่ละวิธีสร้างและสอบเทียบแรงได้อย่างไร สิ่งที่สามารถสังเกตได้ และจุดแข็งที่เสริมกัน โดยการคลี่ออกเชิงกลและการวิเคราะห์วิถีจะกล่าวถึงในหัวข้อใกล้เคียง

Core questions

• ลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสสามารถดักจับลูกปัดขนาดเล็กได้อย่างไร?
• แรงที่คีมจับออกแรงนั้นได้รับการสอบเทียบและวัดได้อย่างไร?
• คีมจับเชิงแม่เหล็กใช้แรงบิดและแรงได้อย่างไร?
• กระบวนการทางโมเลกุลใดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการศึกษาด้วยแต่ละวิธี?

Key theories

กับดักเชิงแสงแบบแรงไล่ระดับ

ลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสอย่างแน่นหนาจะออกแรงไล่ระดับที่ทำให้เกิดแรงคืนสภาพซึ่งยึดลูกปัดไดอิเล็กตริกไว้ใกล้จุดโฟกัส ดังนั้นการกระจัดเล็กน้อยจะบ่งบอกถึงแรง และลูกปัดทำหน้าที่เป็นด้ามจับที่สอบเทียบแล้วสำหรับโมเลกุลที่ติดอยู่

การตรวจสอบโมเลกุลด้วยแรง-การยืดตัว

การดึงโมเลกุลที่ถูกยึดไว้และบันทึกการยืดตัวเทียบกับแรง จะตรวจสอบความยืดหยุ่นและการเปลี่ยนผ่านโครงสร้างโดยตรง เช่นเดียวกับการเปลี่ยนผ่านการยืดตัวเกินของ DNA สายคู่

Mechanisms

ในคีมจับเชิงแสง การไล่ระดับความเข้มของเลเซอร์ที่โฟกัสจะทำให้ลูกปัดไดอิเล็กตริกเกิดการโพลาไรซ์และดึงเข้าหาจุดโฟกัส กับดักมีพฤติกรรมเหมือนสปริงอ่อน ดังนั้นการกระจัดของลูกปัดที่ติดตามด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร จะให้ค่าแรงที่ประยุกต์ใช้หลังจากสอบเทียบกับความผันผวนทางความร้อนหรือแรงหนืด ในคีมจับเชิงแม่เหล็ก การไล่ระดับสนามภายนอกจะดึงลูกปัดแม่เหล็ก และสนามที่หมุนจะบิดลูกปัด ทำให้สามารถใช้ทั้งแรงดึงและแรงบิดที่ควบคุมได้ โมเลกุลเดี่ยวที่ถูกยึดระหว่างลูกปัดกับพื้นผิวจึงถูกโหลดเชิงกลในขณะที่บันทึกการยืดตัวของมัน

Clinical relevance

การวัดด้วยคีมจับเผยให้เห็นกลไกของมอเตอร์, พอลิเมอเรส, และกรดนิวคลีอิกที่มีความสำคัญทางการแพทย์ชีวภาพ ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกด้านการศึกษาเกี่ยวกับกลไกระดับโมเลกุลมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

การสาธิตกับดักเชิงแสงแบบไล่ระดับลำแสงเดี่ยวของ Ashkin ในปี 1986 ซึ่งได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลในภายหลัง ทำให้สามารถทำการทดลองแรงระดับโมเลกุลเดี่ยวได้ เช่น การยืดโมเลกุล DNA เดี่ยว ในขณะที่คีมจับเชิงแม่เหล็กได้เพิ่มแรงบิดที่ควบคุมได้สำหรับการศึกษาการบิดและการขดตัวยิ่งยวด

Key figures

• Arthur Ashkin
• Steven Chu
• Carlos Bustamante
• Steven Block

Seminal works

• ashkin1986
• smith1996

Frequently asked questions

แสงสามารถยึดลูกปัดให้อยู่กับที่ได้อย่างไร?

เลเซอร์ที่โฟกัสอย่างแน่นหนาจะสร้างการไล่ระดับความเข้มที่ทำให้ลูกปัดโปร่งใสเกิดการโพลาไรซ์และดึงเข้าหาจุดที่สว่างที่สุด ก่อตัวเป็นกับดักที่เสถียรซึ่งทำหน้าที่เหมือนสปริงขนาดเล็ก

ความแตกต่างระหว่างคีมจับเชิงแสงและคีมจับเชิงแม่เหล็กคืออะไร?

คีมจับเชิงแสงมีความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาสูงและการดักจับที่แข็งแรง ในขณะที่คีมจับเชิงแม่เหล็กจะใช้แรงคงที่โดยธรรมชาติและสามารถบิดโมเลกุลได้ ทำให้เหมาะสำหรับการศึกษาแรงบิดและการขดตัวยิ่งยวด