DNA膜的非均匀性能及其对微悬臂梁纳米力学行为的影响

发布时间：2021-03-14 10:35

　　本论文以无标记生物检测中DNA-微梁为研究对象,利用微悬臂梁实验、DNA溶液中观液晶理论、水凝胶理论、Monte Carlo方法、密度泛函理论、全原子分子动力学方法等多尺度方法,研究了近表面DNA膜粒子分布的非均匀性、DNA链几何构型的可变性以及两者对微悬臂梁复杂挠度响应和DNA膜弹性性质以及尺度效应的影响。有关方法、模型和结论不但丰富了软物质力学的理论框架,而且为DNA芯片技术以及DNA膜在生物工程和纳米材料中的广泛应用提供了技术参考。主要工作如下:（1）利用非局部密度泛函理论,采用DNA分子球链模型,考虑硬球排斥能、链接触能、直接库伦能和静电-硬球耦合能四种超额能量的贡献,研究了吸附于柱形基底表面的DNA膜内粒子分布特征和DNA膜的微观几何结构。研究表明:溶液盐离子浓度和DNA碱基片段密度、DNA膜电势沿厚度方向的分布是非均匀的。较大的基底曲率对DNA膜内的溶液盐离子和DNA碱基片段密度分布产生显著影响。（2）从DNA膜的中观液晶理论和平均场理论出发,利用DNA软圆柱模型,构造基底上双链DNA（ds DNA）膜自由能的新中观经验势,提出了揭示ds DNA膜内粒子非均布特征和DNA链... 

【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校

【文章页数】：190 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 课题研究的目的和意义
    1.3 国内外微悬臂梁生化传感技术的研究概况
        1.3.1 微梁实验研究
        1.3.2 微梁理论研究
        1.3.3 DNA膜研究
    1.4 未解决的问题
    1.5 研究目标和内容
第二章 DNA膜内粒子沿厚度方向的非均匀特性
    2.1 引言
    2.2 分子模型和DFT算法
        2.2.1 分子模型
        2.2.2 DFT算法
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 粒子密度分布
        2.3.2 DNA片段密度
        2.3.3 净电荷密度分布
        2.3.4 电势分布
        2.3.5 DNA膜厚度
    2.4 小结
第三章 dsDNA膜沿厚度方向非均匀的弹性模量
    3.1 引言
    3.2 模型
        3.2.1 微悬臂层合梁弯曲能量模型
            3.2.1.1 几何描述
            3.2.1.2 DNA膜自由能
            3.2.1.3 微悬臂梁挠度
        3.2.2 DNA膜应力应变关系
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 参数拟合与模型比较
        3.3.2 DNA膜的力学性能
            3.3.2.1 弹性模量
            3.3.2.2 泊松比
            3.3.2.3 盐溶液浓度和碱基对数的影响
            3.3.2.4 微观作用的贡献
    3.4 小结
第四章 混乱封装模式对ssDNA膜弹性模量的影响
    4.1 引言
    4.2 ssDNA-微悬臂梁实验、跨尺度模型和Monte Carlo模拟
        4.2.1 ssDNA-微悬臂梁的弯曲实验
        4.2.2 多尺度模型
        4.2.3 DNA封装模式的Monte Carlo模拟
        4.2.4 DNA膜的弹性性质分析
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 挠度
        4.3.2 弹性模量
            4.3.2.1 不同碱基对数的影响和尺度效应
            4.3.2.2 盐浓度的影响和三种微观作用的贡献
            4.3.2.3 DNA膜沿厚度方向的梯度效应
    4.4 小结
第五章 pH值对DNA膜弹性模量的影响
    5.1 引言
    5.2 模型
        5.2.1 DNA膜电势
            5.2.1.1 NLPB方程
            5.2.1.2 线性近似模型
        5.2.2 微悬臂梁挠度
            5.2.2.1 溶质粒子分布
            5.2.2.2 挠度
            5.2.2.3 DNA膜的弹性模量
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 平均电势和净电荷密度
        5.3.2 DNA-微悬臂梁弯曲挠度
            5.3.2.1 上翘挠度
            5.3.2.2 下弯挠度
        5.3.3 DNA膜压缩弹性模量
    5.4 小结
第六章 金层表面dsDNA纳观几何构型分析和DNA纳米新器件原理的探索
    6.1 引言
    6.2 固定于金层表面的DNA分子构型
        6.2.1 分子动力学模拟系统
        6.2.2 金层结构、DNA结构和系统初始构型
        6.2.3 模拟过程
        6.2.4 结果和讨论
            6.2.4.1 种植密度的影响
            6.2.4.2 盐浓度的影响
            6.2.4.3 金层电荷的影响
            6.2.4.4 pH值的影响
    6.3 DNA分子样品制备新方法的初步探索
        6.3.1 DNA过滤器
            6.3.1.1 模拟方法
            6.3.1.2 模拟结果
        6.3.2 DNA收集器
            6.3.2.1 模拟方法
            6.3.2.2 模拟结果
    6.4 小结
第七章 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
附录A
附录B
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间所作的项目
致谢


【参考文献】：
期刊论文
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[3]SURFACE-ENHANCED CANTILEVER SENSORS WITH NANO-POROUS FILMS[J]. Huiling Duan(State Key Laboratory for Turbulence and Complex System,CAPT and Department of Mechanics and Aerospace Engineering,College of Engineering,Peking University,Beijing 100871,China).  Acta Mechanica Solida Sinica. 2010(01)
[4]利用微悬臂梁传感对瘦肉精进行非标记检测[J]. 黄渊,薛长国,张青川,谭伟明,王保民,伍小平.  医用生物力学. 2009(02)
[5]现代传感器发展方向[J]. 孙圣和.  电子测量与仪器学报. 2009(01)
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本文编号：3082008