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生物马达和分子如何被用来测量磁性材料

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-02  浏览次数:33
核心提示:路德维希马克西米利安大学的物理学家们能够展示生物马达和分子是如何被用来对磁性材料进行精确测量的。它们非常小,在许多生物技

路德维希马克西米利安大学的物理学家们能够展示生物马达和分子是如何被用来对磁性材料进行精确测量的。

 

它们非常小,在许多生物技术应用中使用,没有人注意到其中的许多。例如,超顺磁珠能够跟踪液体或凝胶中的某些物质,它们可以混合只有几微升的液体,或者过滤掉溶液中的单个分子。此外,它们还能进行单分子测量,可以作为分子尺度上的传感器和杠杆。它们可以用简单的磁铁从外部控制。由Jan Lipfert (LMU Munich)和Nynke Dekker (TU Delft,荷兰)领导的一个研究小组现在把这些微米大小的珠子作为他们研究的焦点,因为令人惊讶的是,这些神奇的珠子的磁化强度还没有被完全理解。如果你了解它们的磁性,那么Jan Lipfert,你可以利用它们来开发新的生物技术应用,并建立和改进研究工具,如磁性镊子。


在他们的实验中,这个由国际研究人员组成的团队使用了这些所谓的磁性镊子。磁性镊子是一种仪器,将DNA分子或大肠杆菌等细菌的一边附着在玻璃表面上,另一边附着在磁珠上。然后,研究人员将外部磁场直接施加到珠子和附着的分子上,也就是说,它们像用真正的镊子一样拉着分子或细菌。如果磁场是额外旋转的,那么珠子和所有与之相连的东西也会旋转。“这在实践中效果很好,”Lipfert说。但还不清楚为什么磁场会使珠子旋转。我自己也很吃惊。


纳米尺度的测量工具


有不同的模型可以解释这种效应。“起初我们认为这些珠子有一个小的铁磁成分,这使得它们的行为像指南针针,”Lipfert解释说。一个同事的发表已经提出了这样一种行为作为模型。“然而,我们的测量结果非常清楚地表明,可以排除这种铁磁模型的可能性,”利普弗特宣称。研究人员的想法是,磁化过程中一定存在各向异性或不对称,这意味着微小的顺磁性纳米颗粒在珠子中分布不均匀。这可以解释观察到的磁化和珠子的旋转。


通过两个实验,研究人员能够非常准确地研究磁性各向异性。在第一个实验中,他们将大肠杆菌的细胞附着在玻璃表面,并将磁珠附着在所谓的鞭毛马达上。这些马达通常被细菌用来旋转从细菌表面突出的鞭毛,类似鞭子的附属物。细菌利用鞭毛来推动鞭毛并引导它们穿过人体。就像在粘稠的蜂蜜里游泳一样,所以叫Lipfert。


在他们的实验中,由Jan Lipfert和Nynke Dekker领导的团队使用鞭毛马达对这些微米大小的珠子施加恒定的扭矩。这可以说是它们正常应用的一个逆转。这样,生物马达就变成了物理的。“在我们的工作中,我们使用了来自生物学领域的工具来理解一个物理问题,即超顺磁珠在磁场中旋转时的行为,”Lipfert解释说。


研究人员研究了外部磁场是如何使珠子减速并最终使分子马达停止工作的。通过这种方法,Lipfert和他的团队能够定量测试各种磁各向异性模型,并排除一些模型。Lipfert说,有了这个实验装置,研究人员甚至能够测量诸如电动机性能或扭矩之类的东西——在大约x的尺寸下。10 - 20马力。


巨大的潜力


在第二种实验中,珠子不是主动旋转的,而是通过双链DNA分子附着在表面。在这个装置中,热波动导致珠子旋转。这些旋转波动再次作为外加磁场的函数进行测量。研究结果使研究人员能够定量比较各种模型。总之,这些测量结果排除了提出类似于罗盘指针的磁珠铁磁性行为的模型。相反,它们支持诱导磁化的各向异性理论,要么是因为珠子偏离了一个精确的球形,要么是因为o


 
 
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