论文摘要
本文利用液晶生物膜弯电理论、层合梁Zhang两变量方法以及尺度法和连续介质静电理论等,建立了无标记生物检测中DNA芯片纳米力学分析的简化单层硅膜弯电模型和四层层合梁力电液晶模型,确立了DNA片段长度、封装密度和溶液盐浓度等因素与DNA生物膜电势和芯片挠度之间的关系,并对DNA生物膜电势进行了实验检测。对于单链DNA（ssDNA）芯片,从生物电角度出发,基于聚电解质溶液的非线性Poisson-Boltzmann（NLPB）方程和Liu的简化单层硅膜弯电理论,利用Fogolari修正公式,给出了ssDNA几何特征、盐溶液浓度等因素与生物膜电势、芯片挠度之间的近似解析关系。根据Wu的ssDNA芯片实验数据,对生物膜高度和弯电系数等模型参数进行了拟合,考察了ssDNA链片段长度和封装密度等因素对芯片挠度的影响。对于双链DNA（dsDNA）芯片,在本文ssDNA芯片非线性弯电模型的基础上,考虑杂交对dsDNA分子单体浓度、电荷密度和生物膜平衡高度的影响,利用Fogolari修正公式,给出了dsDNA几何特征、盐溶液浓度、DNA分子杂交率等因素与生物膜电势、芯片挠度之间的近似解析关系。根据Wu的dsDNA芯片实验数据,对生物膜高度和弯电系数等模型参数进行了拟合,考察了DNA链片段长度和封装密度等因素对杂交前后生物膜高度、电势、电荷密度和芯片挠度的影响。对于DNA生物膜电势,利用巯基自组装技术和数字电位差综合测试仪对杂交前ssDNA生物膜与杂交后dsDNA生物膜电势差进行实测,考察了DNA片段长度、盐溶液浓度、pH值与DNA生物膜电势之间的关系,并比较了生物膜电势实测值与采用Fogolari修正法和Chen迭代法的理论预测值之间的差别。对于ssDNA芯片,考虑到芯片变形和结构特征,在本文ssDNA芯片简化单层硅膜弯电模型的基础上,借鉴Gao关于生物薄膜的自由能分析,建立了ssDNA芯片纳米力学分析的四层层合梁力电液晶模型,利用泰勒展开法,给出了ssDNA几何特征、盐溶液浓度、非生物层宏观机械性能等因素与生物膜电势、芯片挠度之间的近似解析关系。根据Mckendry的ssDNA芯片实验数据,对生物膜高度和弯电系数进行了拟合,并考察了ssDNA链片段长度和封装密度等因素对生物膜电势和芯片挠度的影响。