DNA位點(diǎn)變異、不完全表達(dá)和力學(xué)性質(zhì)的變化等會(huì)引起很多基因疾病,而無(wú)標(biāo)記微梁傳感器為DNA特異性檢測(cè)提供了一種低成本且高效的代替方法。以DNA-微梁系統(tǒng)為研究對(duì)象,本文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬、統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法、思想實(shí)驗(yàn)法和層合梁兩變量模型等多尺度方法,研究微觀作用對(duì)DNA吸附膜彈性性質(zhì)及DNA-微梁系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)(撓度和頻率)的影響。主要工作如下:(1)利用全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬,捕捉了近表面系統(tǒng)雙鏈DNA(ds DNA)分子的微觀構(gòu)型及其周圍粒子的空間分布;借用描述DNA分子電離后周圍空間離子分布的雙電層理論,提出了確定介觀靜電拉鏈模型相關(guān)參數(shù)的新方法,并利用統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法研究了粒子的微觀空間分布與靜電拉鏈模型參數(shù)的相關(guān)性。研究表明:DNA構(gòu)型參數(shù)和反離子覆蓋率對(duì)鹽濃度具有敏感性,在計(jì)算中不能將其視為固定參數(shù);在高鹽濃度且高封裝密度的條件下,反離子覆蓋率會(huì)超過(guò)被中和電荷份數(shù)的實(shí)驗(yàn)上限值。(2)利用改造的靜電拉鏈模型描述DNA分子間相互作用的自由能,采用思想壓縮實(shí)驗(yàn)法和宏觀連續(xù)介質(zhì)彈性桿模型,獲得了DNA膜的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、預(yù)應(yīng)力、彈性模量和泊松比;并借用描述層合梁變形的Zhang兩變量方法,建立了預(yù)測(cè)DNA-微梁檢測(cè)信號(hào)的跨尺度模型,研究了不同鹽濃度、基底材料和邊界條件對(duì)微梁靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。研究表明:DNA膜的預(yù)應(yīng)力和彈性模量隨鹽濃度呈現(xiàn)出非單調(diào)變化。對(duì)于靜態(tài)檢測(cè),邊界約束使得雙夾支梁檢測(cè)失效(即生物吸附時(shí)微梁撓度不發(fā)生改變),微懸臂梁檢測(cè)性能更加優(yōu)越。對(duì)于動(dòng)態(tài)檢測(cè),雙夾支梁性能更加優(yōu)越;在低封裝密度下,微梁動(dòng)態(tài)頻率漂移對(duì)鹽濃度變化不敏感。(3)利用上述預(yù)測(cè)DNA膜彈性性質(zhì)和微梁檢測(cè)信號(hào)的跨尺度模型,研究了不同封裝模式(六邊形的內(nèi)凹角和胞元形狀可變)對(duì)DNA膜的預(yù)應(yīng)力和彈性模量以及微懸臂梁靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:在特定封裝模式下DNA膜會(huì)出現(xiàn)吸引預(yù)應(yīng)力和負(fù)彈性模量,這是首次在DNA分子相互排斥的條件下預(yù)測(cè)出DNA膜的負(fù)彈性模量,理論上闡述了在靜態(tài)DNA雜交實(shí)驗(yàn)中微梁上翹下彎的新機(jī)制;在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中,低封裝密度下微梁動(dòng)態(tài)頻率漂移受質(zhì)量效應(yīng)主導(dǎo),但對(duì)封裝模式變化不敏感,而高封裝密度下不同的封裝模式效應(yīng)會(huì)與質(zhì)量負(fù)效應(yīng)抵消/疊加,導(dǎo)致微梁頻率偏移出現(xiàn)非單調(diào)變化。這些結(jié)果有望為生物芯片的設(shè)計(jì)提供新的思路。
【學(xué)位單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN911.23;TP212;TB383.2
【部分圖文】：

上海大學(xué)碩士學(xué)位論文1.3.1 靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)靜態(tài)模式(彎曲模式)是目前微懸臂梁傳感器最常用的模式，如圖 1.1 所示。它的工作原理為：將一種可以與待測(cè)物質(zhì)分子可以特異結(jié)合的分子預(yù)先修飾在懸臂梁表面上，當(dāng)懸臂梁處于包含待測(cè)物質(zhì)分子的環(huán)境中時(shí)，兩種分子發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，測(cè)量微梁撓度變化從而達(dá)到檢測(cè)生物分子的目的[10 13]。

位論文時(shí)他們推測(cè)是否有DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致共振頻嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Thundat等利用微懸臂梁，研究了在去對(duì)微梁諧振頻率偏移的影響，發(fā)現(xiàn)微梁諧振頻率偏移型[36]的理論預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)法對(duì)應(yīng)；他們認(rèn)為這是由于ss加了水動(dòng)力效應(yīng)(hydrodynamic effect)產(chǎn)生的，即DNA性水動(dòng)力載荷[37]�？梢姡芤涵h(huán)境檢測(cè)的內(nèi)部機(jī)理比值得研究。

atari等采用經(jīng)典密度泛函理論，簡(jiǎn)化DNA分子為首尾相靜電作用引入表面自由能，考慮了接近金層表面正負(fù)離子和生物膜內(nèi)外的非均勻分布，其微梁表面應(yīng)力的預(yù)測(cè)值與St比較符合。Sushko模型是目前DNA 微懸臂梁建模方面為數(shù)均勻效應(yīng)的模型。Parsegian 課題組基于粗�；疍NA 硬圓柱力、水合力和構(gòu)象熵微觀作用力與介觀DNA 液晶自由能之透壓實(shí)驗(yàn)和X 射線實(shí)驗(yàn)確定了單價(jià)鹽排斥勢(shì)能的模型參數(shù)鉗拉伸實(shí)驗(yàn)，采用雙指數(shù)型勢(shì)能函數(shù)，將該模型推廣到高價(jià)回避了吸引作用的靜電力與水合力的微觀起源之爭(zhēng)[2]；康奈度X射線衍射技術(shù)，觀測(cè)到高價(jià)鹽下短鏈DNA縮聚時(shí)鏈間作引的轉(zhuǎn)換，但在理論方面只給出了基于單個(gè)大球模型的Yu有關(guān)微觀作用對(duì)于DNA材料宏介觀力學(xué)性能及其靜動(dòng)態(tài)識(shí)別前還未見報(bào)道。
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本文編號(hào)：2888947