DNA-微弹性结构的热效应研究--《上海大学》2013年博士论文
DNA-微弹性结构的热效应研究
【摘要】：利用微悬臂梁实验、聚合刷标度理论、DNA溶液液晶理论以及层合梁两变量方法等，研究温变效应和分子间相互作用对无标记生物检测中DNA-微弹性结构纳米力学响应的影响，构建DNA分子几何特征、缓冲溶液离子强度、非生物层力学性能以及温度变化等与DNA-微弹性结构挠度以及频率变化之间的关系。
主要工作如下：
(1)利用微悬臂梁光杠杆技术实时测量了DNA分子在种植和杂交过程中引起DNA-微梁挠度检测信号，考察了碱基对数以及温度变化对单链DNA(ssDNA)-微梁以及双链DNA(dsDNA)-微梁挠度检测信号的影响。研究表明：温度变化对DNA-微梁挠度检测信号的干扰不可忽略。
(2)基于de Gennes的聚合刷标度理论和Zhang的层合梁两变量方法，利用能量最小原理建立了ssDNA-微梁纳米力学响应的能量模型，研究了碱基对数、种植密度以及温度变化对ssDNA-微梁挠度的影响，并与第二章的实验结果进行了对比，说明了构型熵是引起ssDNA-微梁纳米力学响应的重要因素，但还需考虑分子间其它相互作用(如静电力)的贡献。
(3)借助Strey等提出的DNA液晶理论，考虑静电力、水合力以及构型熵三种微观作用对DNA-微梁挠度的影响，结合第二章等温情况下的实验数据，利用变分法得到的解析模型拟合了种植和杂交过程中DNA-微梁的物理化学参数，从理论上解释了DNA杂交引起微梁的上翘下弯现象，并预见了在DNA-微梁挠度差检测技术中存在失效现象，同时分析了DNA链间相互作用和溶液离子强度变化对检测失效的影响。
(4)考虑非生物层的热弹性变形能以及DNA生物膜的自由能，建立了在力-热共同作用下的DNA-微梁挠度的解析模型，并与第二章温变情况下的实验结果进行了对比，证实了该能量模型的可靠性。给出了在不同种植密度、碱基对数、溶液离子强度以及基底材料条件下的温变控制条件，说明了DNA-微梁挠度差检测技术的热相关性。此外，根据连续介质力学观点理论预测了DNA生物膜热膨胀系数，说明了近表面系统(DNA-微梁)与渗透溶液系统的差异。
(5)基于Hamilton原理建立了力-热作用下DNA-微梁动态响应的解析模型，研究了基底非生物层材料种类、DNA分子结构特性以及温度变化等对DNA-微梁动态响应的影响。研究表明：基底材料和吸附DNA分子种类对频率偏移的影响明显。大部分情况下DNA分子吸附使得DNA-微梁频率减小。然而，以SU8聚合物基底的dsDNA-微梁频率存在增加或减小现象。在种植密度大约为0.25#/nm2时，dsDNA-微梁频率几乎无变化，使得动态检测失效。此外，相比于静态工作模式，DNA-微梁动态工作模式具有更高的热稳定性。
(6)利用变分法建立了力-热作用下DNA-圆薄板轴对称弯曲问题的理论模型，对比了本文提出的四层板模型预测结果与简化两层板模型结果，研究了温变效应对DNA-圆薄板挠度的影响。结果表明：需考虑PDMS层和钛层对DNA-圆薄板挠度的影响。温度变化对DNA-圆薄板挠度的影响不可忽略，应严格控制DNA-圆薄板的环境温变，特别在低种植密度、短链DNA分子以及高溶液离子强度条件下尤为如此。
【关键词】：
【学位授予单位】：上海大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：Q523【目录】：
ABSTRACT8-13
第一章 绪论13-27
1.1 课题研究的目的和意义13-14
1.2 国内外研究概况14-22
1.2.1 实验研究概况14-19
1.2.2 理论研究概况19-22
1.3 开放性问题22-24
1.4 研究目标和内容24-27
第二章 DNA-微悬臂梁的温变效应实验研究27-39
2.1 引言27-28
2.2 材料与方法28-32
2.2.1 试剂和仪器28-29
2.2.2 试剂的配制29
2.2.3 实验原理以及装置29-30
2.2.4 等温条件下 DNA 种植实验步骤30-31
2.2.5 等温条件下 DNA 杂交实验步骤31-32
2.2.6 温变效应的实验步骤32
2.3 结果与讨论32-37
2.3.1 温变重复往返性测试32-33
2.3.2 等温条件下 DNA 种植和杂交引起微梁变形的测定33-36
2.3.3 温度变化对 DNA-微梁挠度影响的测定36-37
2.4 小结37-39
第三章 温变效应对 ssDNA-微悬臂梁纳米力学行为的影响39-53
3.1 引言39-40
3.2 ssDNA-微梁的理论模型40-45
3.2.1 ssDNA 生物膜的自由能41-44
3.2.2 非生物层的变形能44-45
3.2.3 ssDNA-微梁的总能量45
3.3 结果与讨论45-52
3.3.1 等温条件下碱基对数对 ssDNA-微梁挠度的影响46-47
3.3.2 等温条件下种植密度对 ssDNA-微梁挠度的影响47-48
3.3.3 温变效应对未修饰生物分子的层合梁挠度的影响48-51
3.3.4 温变效应对 ssDNA-微梁挠度的影响51-52
3.4 小结52-53
第四章 等温条件下 DNA-微悬臂梁挠度及其失效分析53-79
4.1 引言53-54
4.2 DNA-微梁的多尺度模型54-61
4.2.1 DNA 生物膜的自由能54-58
4.2.2 非生物层的变形能58
4.2.3 等温条件下 DNA-微梁的静态挠度58-61
4.3 结果与讨论61-76
4.3.1 等温条件下 ssDNA-微梁挠度61-64
4.3.2 ssDNA-微梁中三种微观作用对比64-67
4.3.3 等温条件下 dsDNA-微梁挠度67-69
4.3.4 dsDNA-微梁中三种微观作用对比69-72
4.3.5 等温条件下挠度差及其失效分析72-76
4.4 小结76-79
第五章 DNA-微悬臂梁的热效应及其 DNA 生物膜的热膨胀系数预测79-97
5.1 引言79-80
5.2 力-热作用下的 DNA-微梁的能量模型80-83
5.3 DNA 生物膜热膨胀系数的预测83-84
5.4 结果与讨论84-95
5.4.1 温变效应对 DNA-微梁挠度的影响84-87
5.4.2 DNA-微梁的温变控制条件87-90
5.4.3 温度变化对 DNA-微梁检测失效的影响90-93
5.4.4 DNA 生物膜的热膨胀系数93-95
5.5 小结95-97
第六章 DNA-微悬臂梁动态特性分析97-117
6.1 引言97-98
6.2 力-热作用下 DNA-微梁的振动模型98-104
6.3 计算与讨论104-114
6.3.1 等温条件下模型对比104-108
6.3.2 等温条件下 DNA-微梁频率变化108-110
6.3.3 质量效应、吸附刚度以及热效应对 DNA-微梁频率变化的影响110-112
6.3.4 dsDNA-微梁动态检测的失效分析112-114
6.4 小结114-117
第七章 力-热作用下 DNA-圆薄板的轴对称弯曲117-137
7.1 引言117-118
7.2 DNA-圆薄板轴对称弯曲的能量解析模型118-130
7.2.1 非生物层的变形能119-121
7.2.2 DNA 生物膜的自由能121-124
7.2.3 DNA-圆薄板的挠度124-130
7.3 结果与讨论130-136
7.3.1 内外层面间分界线的确定130-131
7.3.2 等温条件下四层板模型与简化两层板模型对比131-134
7.3.3 温变效应对 DNA-圆薄板挠度的影响134-136
7.4 小结136-137
第八章 结论与展望137-141
8.1 结论137-138
8.2 展望138-141
附录 DNA 生物膜的弹性模量预测141-143
参考文献143-157
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文157-159
作者在攻读博士学位期间所参加的项目159-161
致谢161-162
欢迎：、、)
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