（固体力学专业论文）基因芯片纳米力学行为的能量模型及其数值模拟.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文利用统计力学、聚合物化学、连续介质力学等建模方法和计算技 术，建立模拟无标记生物检测中基因芯片纳米力学行为的能量模型，以确 立d n a 分子结构特征、缓冲盐溶液浓度等因素与基因芯片纳米力学行为 之间的关系。根据基因芯片的变形和结构特征，采用层合梁两变量新模型， 建立基因芯片的四层梁模型，并数值预测基因芯片的纳米挠度响应 针对双链d n a ( d s d n a ) 系统，在s t r e y 经验势的基础上，首先，将 d s d n a 芯片视为四层悬臂梁结构，建立了分析基因芯片纳米力学行为的能 量模型；其次，利用能量最小原理，计算了基因芯片的纳米挠度，并和 w h 的实验数据进行了比较，数值预测结果与实验数据吻合良好；最后， 研究了饼叮a 封装和制造过程中链间距随机性分布和弹性模量随机性因素 对基因芯片纳米挠度响应的影响。四层梁模型和两层梁模型的比较表明， 在分析基因芯片纳米力学行为时，不应忽略金层和铬层对基因芯片挠度响 应的影响。 针对单链d n a ( s s d n a ) 系统，借助尺度法，考虑软体聚合物的构型熵 和非静电作用、渗透能、静电排斥能等因素，建立了封装时弱相s s d n a 芯 片的能量模型，预测封装时基因芯片的纳米力学行为，并分析封装密度和 d n a 链长等因素对基因芯片封装挠度的影响。首先，将基因芯片的生物层 视为一个聚合物毛刷结构，采用d a o u d - c o t t o n 模型，分析了弱相s s d n a 系统构型熵和非静电作用产生的能量以及对芯片挠度的影响。其次，采用 聚电解质溶液理论中反离子的p o i s s o n - b o l t z m a n n 分布假设，分析了溶液中 反离子进入d n a 毛刷结构而产生的渗透压对芯片挠度的影响。最后，采 用d a o u d - c o t t o n 模型和h a g a n 静电势，并利用元胞法，分析了溶液离子附 着在d n a 链上引起的d n a 链间静电排斥作用对芯片挠度的影响。数值结 果表明，弱相s s d n a 系统中，渗透压对基因芯片纳米挠度的影响要远远大 于其它两种因素的作用，其中静电作用对基因芯片挠度的影响最小。 v 上海大学硕士学位论文 关键词：基因芯片、p o i s s o n - b o l t z m a n n 方程、能量法、d a o u d - c o t t o n 模 型、两变量模型 v l 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o d e l i n gm e t h o d sa n dc o m p u t i n gs k i l l s 疵l u d m ss t a t i s t i cm e c h a n i c s ， p o l y m e rc h e m i s t r ya n dc o n t i n u u mm e c h a n i c sa r eu t i l i z e dt oe s t a b l i s he n e r g y m o d e l sf o rn a n o m e c h a n i c a lb e h a v i o r so fg e n ec h i p si no r d e rt oo b t a i nar e l a t i o n b e t w e e nn a n o m e c h a n i c a lb e h a v i o r so fg e n ec h i p sa n d8 0 m ef a c t o r ss u c ha s d n am o l e c u l a rs t r u c t u r ef e a t u r e s ，i o nc o n c e n t r a t i o no fb u f f e rs a l ts o l u t i o n , e t c a c c o r d i n gt od e f o r m a t i o na n ds t r u c t u r a lp r o p e r t i e so fd n ac h i p s ，f o u r - l a y e r b e a mm o d e l so fd n ac h i p sa r ee s t a b l i s h e db ya l la l t e r n a t i v et w o - v a r i a b l e m o d e lf o rl a m i n a t e db e a m s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r e d o n et op r e d i c tn a n o m e c h a n i c a ld e f l e c t i o n so fc h i p s f o rd o u b l e - s t r a n d e dd n a ( d s d n a ) s y s t e m s ，b a s e do ns t r e y se m p i r i c a l p o t e n t i a l ，f i r s t ，t h ed s d n ac h i ps y s t e mi sv i e w e da saf o u r - l a y e rb e a mm o d e l ， a n da ne n e r g ym o d e lf o rn a n o m e c h a n i c a ld e f l e c t i o n so fd n ac h i p si s f o r m u l a t e d s e c o n d ，t h em i n i m u mp r i n c i p l eo fe n e r g yi su s e dt op r e d i c t n a n o m e c h a n i c a ld e f l e c t i o n so fd n ac h i p s ，a n dn u m e r i c a lr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t hw u se x p e r i m e n t a ld a t a c o m p a r i s o n ss h o wg o o da g r e e m e n t f i n a l l y , i n t h ec a s eo fs t o c h a s t i cc h a i nd i s t a n c e sa n ds t o c h a s t i ce l a s t i cm o d u l u sd u r i n gt h e p r o c e s so fp a c k a g ea n dm a n u f a c t u r e ，i n f l u e n c e so fs t o c h a s t i cf a c t o r so nc h i p s d e f l e c t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h ef o u r - l a y e rb e a mm o d e l a n dt h et w o - l a y e rb e a mm o d e ls h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo fg o l d - l a y e ra n d c h r o m e l a y e ro nn a n o m e c h a n i c a ld e f l e c t i o n so fc h i p sc o u l dn o tb en e g l e c t e d f o rs i n g l e s t r a n d e dd n a ( s s d n a ) s y s t e m s ，c o n s i d e r i n gc o n f o r m a t i o n a l e n t r o p ya n dn o n - e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n , o s m o t i ce n e r g yo f f l e x i b l ep o l y m e r s ， a n de l e c t r o s t a t i cr e p u l s i v ei n t e r a c t i o n , t h es c a l i n gl a wi su s e dt os e tu pe n e r g y m o d e l sf o rw e a k l yi n t e r a c t i o ns s d n a c h i ps y s t e m sd u r i n gt h ep a c k a g ep r o c e s s ， a n dp r e d i c tn a n o m e c h a n i c a lp a c k a g eb e h a v i o r s t h ei n f l u e n c eo fp a c k a g e v 上海大学硕士学位论文 d e n s i t y , s s d n ac h a i nl e n g t h , a n de t c o np a c k a g ed e f l e c t i o n so fc h i p si sa l s o i n v e s t i g a t e d f i r s t , t h ed n a - l a y e ri sc o n s i d e r e da sap o l y m e rb r u s hs t r u c t u r e ， a n dt h ee f f e c to fc o n f o r m a t i o n a le n t r o p ya n dn o n - e l e c t r o s t a t i cf a c t o ro nc h i p d e f l e c t i o n si ss t u d i e d b y d a o u d - c o t t o nm o d e l s e c o n d ，b a s e do n p o i s s o n - b o l t z m a n nd i s t r i b u t i o nh y p o t h e s i so fc o u n t e ri o n si np o l y e l e c t r o l y t e s o l u t i o nt h e o r y , t h ee f f e c to fo s m o t i cp r e s s u r ei n d u c e db yi n g r e s so fc o u n t e r i o i l si n t od n ab r u s hs t r u c t u r e si ss t u d i e d f i n a l l y , d a o u d - c o t t o nm o d e l ， h a g a n se l e c t r o s t a t i cp o t e n t i a l ，a n dt h ec e l lm e t h o da r ec o m b i n e dt oa n a l y s i s t h ee f f e c to fe l e c t r o s t a t i cr e p u l s i v ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nd n ac h 描si n d u c e d b yt h ea t t a c h m e n to fs o l u t i o ni o n so nt h ed n a c h a i n s n u m e r i c a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ei n f l u e n c eo fo s m o t i cp r e s s u r eo nc h i pd e f l e c t i o n si ss t r o n g e rt h a nt h a t o fc o n f o r m a t i o n a le n t r o p ya n de l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n , a n dt h ei n f l u e n c eo f e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o no nc h i pd e f l e c t i o n si sw e a k e s t k e y w o r d s ：g e n ec h i p ，p o i s s o n - b o l t z m a n ne q u a t i o n , e n e r g ym e t h o d ， d a o u d - c o t t o nm o d e l ，t w o - v a r i a b l em o d e l 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：簋鱼丛日期：趟：。厶 6 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：恤导师魏逖嗍丝厶丛 n 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市自然科学基金项目。项目名称：无标记生物检测中基 因芯片的纳米力学行为，项目编号：0 7 z r l 4 0 3 7 。 1 2 课题研究的目的和意义 生物芯片的出现是近年来高新技术领域中极具时代特征的重大进展，是物 理学、微电子学与分子生物学综合交叉形成的高新技术。2 0 世纪9 0 年代，被 誉为与阿波罗登月计划及曼哈顿原子弹计划相媲美的人类基因组计划正式启 动，并以此引发了人类生物科技革命，融合分子生物学、化学、材料学、信息 学、计算机学、微电子学、物理学等多个学科的生物芯片技术由此应运而生。 在基因组研究、临床诊断、新药筛选、食品工业、环境监测、军事安全等领域 发挥了令人瞩目的作用。生物芯片的研究开发及其产业化，将对疾病诊断、药 物筛选、农作物优育和优选、环境检测和防治、食品卫生监督乃至司法鉴定等 技术发展起到巨大的推动作用【m a r ks e h e n a , 2 0 01 1 。 美国b c c 市场调研公司日前发表的生物芯片市场调查报告称，2 0 0 7 年， 全球生物芯片市场大约为1 9 3 7 9 亿美元，2 0 0 8 年将达到2 1 1 5 6 亿美元，2 0 1 3 年这一市场可望达到3 8 亿美元，年增长率高达1 2 7 。 目前，d n a 芯片占据 的市场份额最大，2 0 0 7 年达9 4 7 3 亿美元，2 0 0 8 年将达9 9 9 亿 1 2 1 生物芯片的技术、分类以及应用 生物芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生 命相关的信息分子，它可以对生命科学与医学中的各种生物化学反应过程进行 集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分 析：利用生物芯片技术，一次可以对被检测对象进行多个指标的检验。广义的 生物芯片就是指能对生物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方 的周体薄型器件f 李瑶，2 0 0 4 。 乍物芯片的概念_ i 碾白于计算机芯片，借用了计算机芯片的集成化特点是 把生物活性大分子( 目前主要是核酸和蛋白质) 或细胞等密集排列固定在固相 载体( 通常是硅片、玻片、集丙烯或尼龙膜等) ，因此狱义的生物芯片也称为微 阵列芯片，主要包括e d n a 微阵列、寡核昔酸微阵列、蛋白质微阵列和小分子 化合物微阵列【李瑶2 0 0 4 。 生物芯片的检测原理是利用特异性的分子间相互作用，如核酸杂交、抗原- 抗体特异性结合、蚩白蛋白间特异性结合等。生物芯片技术是将原位合成寡核 苷酸或者直接将大量生物探针以纤维打印方式有序的固化于固相载体表面( 图 1 1 ) 【马文丽，2 0 0 2 】。 ，、，一。一 笔攀 地l 地缸岛均飞圣0 ；西 邋j 图1 i 生物芯片技术概述 生物芯片根据芯片上的探针种类不同，可分为蛋白质芯片和基因芯片【粱国 栋，2 0 0 1 。基因芯片是最早、应用最多的一种生物芯片，被美国科学促进会列 为1 9 9 8 年度自然科学领域十太进展之一可见其科学史上的意义。本文主要研 究对象就是这一类型的生物芯片。 22 基因芯片技术 基因芯片是指探针为基因的生物芯片。基因就是有遗传效应的d n a 片段 上海大学硕士学位论文 根据d n a 的种类，基因芯片又可分为s s d n a 芯片和d s d n a 芯片。 构成d n a 的基本单位是脱氧核苷酸由一个糖分子、一个磷酸分子和 一个含氮碱基构成。众多的脱氧核苷酸通过氢键连接起来形成脱氧核苷酸链， 每个d n a 分子由两条平行但反向脱氧核苷酸主链，盘旋成的规则的双螺旋结 构；两条链之间是通过碱基配对连接在一起。d n a 分子中的碱基是编码信息成 分，有四种不同的形式：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶；分别简称为： a 、c 、g 、t d n a 一个显著的特征是碱基配对的方式：a 只与t 配对连接， c 只与g 配对连接，这些配对称为“碱基对。碱基沿着生物链的线性排列次 序就是生物的序列。 基因技术包含四个关键技术：方阵构建、样品制备、杂交或反应、杂交图 谱检测及读出；其中芯片的制备及反应信号检测是基因芯片技术核心从国际 上生物芯片专利领域分布来看，6 2 的专利集中在数据分析领域，可见如何对 生物芯片的海量数据进行解读、分析是生物芯片研究领域的焦点和重点【马文 丽，2 0 0 2 1 2 3 目的和意义 基因芯片技术应用领域主要有基因表达谱分析、新基因发现、基因突变及 多态性分析、基因组文库作图、疾病诊断和预测、药物筛选、基因测序等。另 外基因芯片在农业、食品监督、环境保护、司法鉴定等方面都将作出重大贡献。 对生物信息的信号分析和解读是基因芯片技术中最重要的环节，信号处理 和存储芯片杂交产生图谱都由专门设计的软件来完成。一个完整的生物芯片配 套软件应包括生物芯片扫描仪的硬件控制软件、生物芯片的图像处理团建、数 据提取或统计分析软件，芯片表达基因的国际互联网上检索和表达基因数据库 分析和积累。如何对生物芯片检测时产生的海量数据进行解读、分析是生物芯 片研究焦点和重点。 本文拟建立基因芯片在无标记检测时的能量模型，并采用能量法对芯片的 纳米力学行为进行数值模拟。目的在于通过检测过程中芯片的宏观力学信息来 提取纳观生物信息，确立d n a 分子结构特征、缓冲盐溶液浓度等因素与基因 海 学硬学位论女 芯片纳米力学响应挠度之间的关系。 本文的选题具有较强的工程背景，同时可以推动生物芯片的理论研究，对 芯片的制作提供有力的参考丰富和发展生物力学、纳米力学的相关理论。 1 3 课题国内外研究概况 l3i 基因芯片国内外研究概况 生物芯片中芯片信息提取虽早采用放射性同位素标记，近年来为了避免同 位素对环境的污染和辐射危害发展了非放射性标记。非放射性标记方法主要 有荧光法( f l u o r e s c e n c e ) 、化学发光法、电化学发光技术、生物发光法和显色 法等 李瑶2 0 0 4 。 f l u o m s c e n c e - o e 协c t o nd n a c h i p 。t h 。e l “r b s ：s 。e $ 南：盆；翟：嚣：篇篇吕：甚：器溶裂 “m 蠹 一季 嗍； c m 口c d m o 。“一? 譬：i 舞i “” 图l2 d n a 蕊片的工作原理( 荧光标记法) 荧光标记法( 图12 ) 是目前芯片技术中运用最多的方法根据各杂交点的 荧光信号强弱用扫描同焦显徽镜读出生物信息，优点是简单、快速、重复性好， 但是缺点是成本高、灵敏度相对较低。日前质谱法、化学发光和光导纤维、二 极管方阵检测、乳胶凝集反应、直接电荷变化检测，悬臂粱光学挠度差技术等 新的芯片检测替代方法正处于研究和试验阶段田u s t a m a n t e 酣副，2 0 0 3 ；c h t m n g a n d l e e ，2 0 0 0 ；h e l d e t a l ，2 0 0 3 ，r u e d a e t a l ，2 0 0 4 ；s t c f lc t m ，2 0 0 4 ；x u 毗a l ， 素 h * g 【# 口论文 2 0 0 4 。 近几年，m m 苏黎士研究实验室、美国橡树岭国家实验室和加州大学、西班 牙国家微电子中心等研究机构正在探索一种基于微悬臂粱光学挠度方法的无标 记生物检测技术，其工作原理为：首先利用巯基白组装技术将s s d n a 固定在芯片 金层表面，然后利用光杠杆技术实时观察生物检测时微悬臂粱的挠度变化，以此 获取靶分子的生物信息，从而可用于检测碱基错配、识别癌细胞抗原和抗体蛋白 等。芯片一般由微米厚的硅或氮化硅层和纳米厚的钛或铬层、金层、生物层四层 材料组成，长宽尺寸在微米级( 图l3 ) 。由于采用光杠杆技术直接读出芯片挠度， 而且捡测分子无需标记，所阻，这种将生物信息转化为力学挠度信息的生物传感 技术灵敏度高、成本低、速度快、易于集成、便于携带。 陶l3基因芯片无标记生物检测示意图 3 i1 国内外相关实验研究 在实验研究方面，早期采用a f m 、光学镊子、磁头实验等直接观察外力作 用下分子的力学响应；m o u l i n 和b a i l e r 发现蛋白质的不确定吸收可以引起悬臂 粱的弯i 抽 m o u l i nc ta l ，2 0 0 0 ；b a i l e rc ta l ，2 0 0 0 。苏黎士f r i t z 于2 0 0 0 年在 s c i e n c e 上发表了里程碑式的工作，将端部修饰的s s d n a 固定在芯片金层表面 作为探测分子，利用光杠杆技术记录了缓冲盐溶液中d n a 杂交引起的芯片挠 上海大学硕士学位论文 度时程曲线 f r i t z e ta 1 ，2 0 0 0 。后有关工作呈现指数型增长趋势，2 0 0 7 年橡树岭 实验室t h o m a st h u n d a t 发明了多点挠度测试技术。 在封装过程中( 即利用巯基自组装技术将s s d n a 固定在金层表面) ，部分实 验表明【w | ue ta 1 ，2 0 0 1 b ，y u ee ta 1 ，2 0 0 4 ，a l v a r e ze ta 1 ，2 0 0 4 ，s t a c h o w i a ke ta 1 ， 2 0 0 6 ，c a r r a s c o s ae ta 1 ，2 0 0 6 ，s s d n a 分子的吸收会引起压表面应力使芯片下弯， 但另外一些实验表明 f r i t ze ta 1 ，2 0 0 0 ，w ue ta 1 ，2 0 0 1 b ，m c k e n d r ye ta 1 ，2 0 0 2 ， h a n s e na n dt h u n d a t ，2 0 0 5 ，s s d n a 分子吸收会引起拉表面应力使芯片上翘，且 芯片稳态挠度与s s d n a 链长、缓冲盐溶液浓度有关。在基因检测过程中( 即 s s d n a 杂交变成d s d n a ) ，同样发现芯片的弯曲方向随着缓冲盐溶液浓度 w ue t a 1 ，2 0 0 1 b 、靶分子错配位置和链长变化而发生变化 h a n s e na n dt h u n d a t ，2 0 0 5 1 ， 且芯片挠度与靶分子浓度、缓冲盐溶液浓度、靶分子链长有关。另外，实验还 表明，芯片挠度与时间、温度变化、缓冲液流场特性等因素有关；芯片挠度一 般在纳米量级，利用此项技术可检测出单个碱基的错配信息和纳摩尔浓度下发 生的杂交反应陬沱e ta 1 ，2 0 0 0 ，w ue ta 1 ，2 0 0 1 b ，m c k e n d r ye ta 1 ，2 0 0 2 ，y u ee ta 1 ， 2 0 0 4 ，a l v a r e ze ta 1 ，2 0 0 4 ，h a n s e na n dt h u n d a t , 2 0 0 5 ，s t a c h o w i a ke ta 1 ，2 0 0 6 ， c a r r a s c o s ae ta 1 ，2 0 0 6 。 我国化学、生物、材料、微电子等领域的科学工作者在生物芯片研究领域 也取得了许多创新成果，如广州马文丽、郑文岭等有关基因芯片的制备、杂效 率、医学临床应用研究，东南大学陆祖宏等有关新型实用生物芯片技术及制备 研究【马文丽，2 0 0 2 ，中科院上海应用物理所樊春海有关生物传感器新的p c r 检测方法研究等，清华大学微电子学研究所岳瑞峰、王酷矗有关基于介质上电 润湿机制的可编程数字化微流控芯片研究，浙师大缪煜清有关新材料如聚合物 用于生物传感器的制备及应用的研究。但基于微悬臂梁光学挠度方法的生物传 感技术的实验研究还比较少见，中科大伍小平院士采用光杠杆技术测量了温度 变化对微悬臂梁挠度的影响，利用经典s t o n e y 公式，研究了芯片表面应力与聚 n - 异丙基丙烯酰胺分子的构象转变之间的关系【李凯，2 0 0 6 。 尽管上述实验工作已初步形成了无标记生物检测新技术的基础，但几乎大 部分实验研究测量的微梁响应曲线都很难得到一致性重复，包括实验者本人， 6 上海大学硕士学位论文 只是验证反应微梁变形曲线的趋势。另外，微梁上分子配对反应或大分子折叠 引起的微梁弯曲变形机制仍然没有统一的认识，在科学界目前还是争论的话题， 目前只有特定实验条件下的特殊性解释，有待于进一步研究 c a r r a s c o s ae ta 1 ， 2 0 0 6 。f r i t z ( 2 0 0 2 ) 、西班牙j d v a r e z ( 2 0 0 4 ) 、橡树岭国家实验室h a n s e n 和 t h u n d a t ( 2 0 0 5 ) 、加州大学k h a l e d ( 2 0 0 3 ) 认为芯片纳米运动由d n a 分子杂交引 起的表面应力变化引起；加州大学w u ( 2 0 0 1 b ) 认为尽管这可能是对的，但利用 s 蛔蝎r 公式将挠度转化表面应力的间接研究方法，不利于揭示隐藏在表面应力 后面的诸多因素与纳米运动之间的关系，而推测杂交过程中构型熵的变化是控 制不同盐溶液中芯片挠度方向的主要因素；苏黎士m c k e n d r y ( 2 0 0 2 ) 认为位阻抗 效应( s t e r i ch i n d r a n c ee f f e c t ) 是导致芯片纳米运动的主要原因：i d v a r e z ( 2 0 0 4 ) ；c a 为封装时s s d n a 与金层作用引起的压表面应力是主要的，而s s d n a 链间的构 型熵、静电排斥、水合作用是可以忽略的。 以上结论都是基于实验在一定条件下的定性推测：在某些条件下某些因素 起主导作用，在另外一些条件下其它一些因素起主导作用。显然，仅凭实验方 法无法合理阐述基因芯片纳米力学行为机理，需要综合考虑各种致弯因素，建 立统一理论框架。 1 3 i 2 目内外相关理论研究 在理论研究方面，目前已有少量工作致力于利用生物、化学、物理、力学 微观或宏观研究方法，建立数学模型，定量研究基因芯片的纳米力学行为。 基于表面应力观点，根据1 9 0 9 年s t o n e y 提出的经典公式和实测的稳态挠 度，w u ( 2 0 0 1 b ) 给出封装产生3 8 r i m 挠度差时表面应力约为0 3 7 5 m j m 2 ， m c k e n d r y ( 2 0 0 2 ) 给出检测产生9 8 n m 挠度差时表面应力约为0 7 m n m ， a l v a r e z ( 2 0 0 4 ) 给出了封装时芯片表面应力的柱状图，应力范围约为0 6 0 m n m ，加州大学s t a c h o w i a k ( 2 0 0 6 ) 研究了检测时芯片表面应力与盐溶液浓度、 杂交密度关系；采用宏观唯相观点，m c k e n d r y ( 2 0 0 2 ) 认为芯片挠度与封装密度 成正比，而封装密度与靶分子浓度、缓冲盐溶液浓度服从l a n g m u i r 等温吸收律， 并结合实验数据拟合出比例常数；上海大学张能辉在美国橡树岭国家实验室 7 上海大学硕士学位论文 h s u e h _ 三变量公式的启发下，提出了更为简洁的预测表面应力两变量解析公式 z h a n ga n dx m g , 2 0 0 6 ；z h a n g , 2 0 0 7 ；z h a n gc ta 1 ，2 0 0 7 ；z h a n ga n dc h e n ，2 0 0 8 ； z h a n ga n ds h a h , 2 0 0 8 1 基于纳米机械力观点，加州大学h a g a n ( 2 0 0 2 ) 考虑生物层静电排斥、构型 熵、反离子渗透压、氢键水合作用和硅层机械能对芯片自由能贡献，首次提出 了芯片稳态纳米力学分析的理论框架( 两层简化模型( b i o s i n x ) ) ，利用有关自 由能经验势、尺度法、m o n t ec a r l o ( m c ) 方法，发现水合力和渗透压是引起芯片 挠度的主要原因，而不是构型熵和静电排斥作用，封装时挠度预测值与 f r i t z ( 2 0 0 0 ) 实验一致，但与w u ( 2 0 0 1 b ) 实验有差别，而且研究中忽略了金层和 钛层机械能对芯片自由能贡献；随后s t a c h o w i a k ( 2 0 0 6 ) 的实验验证了 h a g a n ( 2 0 0 2 ) 的理论预测：若给定d n a 的链长和封装密度，则表面应力与杂交 率呈指数关系。， 基于温度变化考虑，加州大学y u e ( 2 0 0 4 ) 在将该芯片技术平面化的基础上， 利用b a r n e s 于1 9 9 4 年发表在n a t u r e 上的两层梁模型( a u - s l 弧i x ) 给出了芯片的热 机敏系数为1 8 4 r i m k ( 实测值为2 0 8 n m k ) ，并实测了封装时芯片挠度的信号飘 移，发现只有4 0 的功能梁与参考梁的信号相关，即可采用挠度差技术消除噪 声信号；上海大学张能辉【邢晶晶，2 0 0 6 a b 】利用本人在 z h a n ga n dx i n g ，2 0 0 6 】 中提出的层合梁模型，建立了在杂交力和变温作用下的基因芯片三层梁模型 ( a u - t i s i n x ) ，理论解释了f r i t z ( 2 0 0 0 ) 指出的双金属效应，发现温变与杂交力产 生的挠度量级相同，但未考虑杂交力与d n a 分子、缓冲盐溶液浓度等因素之 间的关系，也未考虑温变对生物层自由能的影响。 基于动力因素观点，k h a l e d 采用宏观唯相观点 k h a l e de ta 1 ，2 0 0 3 ，利用 s t o n e y 公式、d u p r e 方程( 表面应力与系统自由能变化关系) 、吸收过程的一阶化 学反应方程和蠕变流的n a v i e rs t o k e s 简化方程，首次给出芯片动态纳米力学分 析的理论框架，研究了双金属效应和湍流效应 f r i t ze ta 1 ，2 0 0 0 。 基于d n a 磷酸基团带负电和高密度封装的考虑，中科院欧阳钟灿院士认 为生物电是造成芯片弯曲的主要原因，假设芯片曲率与生物层电势差成正比， 利用液晶薄膜曲率弹性理论和聚电解质毛刷结构的p o i s s o n - b o l t z m a n n ( p b ) 方 上海大学硕士学位论文 程，建立d n a 微观结构特征等因素与芯片宏观挠度之间的关系，但将芯片简 化为单层硅薄膜模型【l i ue ta 1 ，2 0 0 3 ) 上海大学张能辉 z h a n gc ta 1 ，2 0 0 7 】认为 生物层的压电现象 f u k u d a , 2 0 0 6 可能是使芯片弯曲的主要因素，考虑到芯片挠 度和厚度比在0 1 以下的变形和结构特征，将芯片视为四层梁模型 ( p i e z o - a u - t i s i n x ) ，而生物电势由统计力学中的线性p b 方程解析获得，曲线 拟合表明生物层宏观压电系数的正负可能控制了封装挠度方向性( 上翘和下 弯) ，但需要进一步研究，而且线性p b 方程不适用于高浓度盐溶液的实验条件。 另外，我国科学家在其它相关领域也展开了积极探索，华中科技大学吴健 康在研究微流控芯片技术中微通道流体的双电层阻力效应、周期渗流特性、压 电微流体泵液固耦合特性等【吴健康，2 0 0 5 ：中国科学院力学所赵亚溥在研究生 物单分子与基底粘附的m d 模拟和力学分析；上海交大刘延柱在研究d n a 大 分子的构像转变；中科院软物质物理实验室王鹏业在研究d n a 与蛋白质的相 互作用：中科大杨海洋在研究d n a 在受限空间的计算机模拟；中科院上海原 子核研究所等单位吴世英等人在研究d n a 单分子的纳米定位切割、拾取与微 流控技术；中科院欧阳钟灿院士在研究d n a 单分子弹性理论。近期，我国部 分力学工作者开始关注生物或金属分子与弹性固体表面的相互作用及其力学机 理，如清华余寿文、冯西桥，北大方竞，中科大何陵辉、吴恒安，西交大申胜 平，值得一提的是吴恒安博士利用m d 从理论上显示了同质( c t e c u ) 或异质 ( a v n i ) 原子吸收既可产生表面拉应力，也可产生表面压应力的可能性，这为封 装和检测中d n a 微悬臂梁上翘或下弯的机理探索提供一种新的启示【中国力学 学会办公室，2 0 0 7 。 1 3 2d n a 芯片的能量法研究概况 目前还未见针对新型弯曲芯片系统d n a 层能量描述的研究，但仍有一些 针对传统未弯曲芯片系统d n a 层能量描述的研究。h a g a n 把芯片系统中的能 量划分为固相支架的机械能和生物层的生物能这两大类，而生物层的生物能则 包括由于芯片变形使得构型熵变化产生的能量、层静电能和渗透能 h a g a ne ta 1 ， 2 0 0 2 。d n a 生物层主要分为d s d n a 系统和s s d n a 系统两类。 9 上海大学硕士学位论文 1 3 2 1d s d n a 芯片的能量研究 p o d g o m i k 和s t r e y 采用溶致液晶理论模拟 d s d n a 生物层，建立了在盐溶液中的d s d n a 生物层能量方程 p o d g o m i ka n dp a r s e g i a n , 19 9 0 ； p o d g o m i k e ta 1 ，1 9 9 4 ；s t r e ye ta 1 ，1 9 9 4 ，9 9 7 。 p o d g o m i k 提出了一个d s d n a 分子封装的 新模型，将排列在固相支架上的一条条d n a 链排列视为紧密排列的一个个圆柱体。如图1 4 所示将d n a 链视为圆柱，其中圆柱的直径为 d n a 链与链之间的距离，d n a 链中的相邻碱 基对距离为上，并且假定碱基对按照g - a u s s i a n图1 4d s d n a 链的圆柱模型 分布排列。p o d g o m i k 将d n a 系统能量分为静 电作用、构型熵和水合作用。采用宏观的液晶模型，建立了聚合物d n a 分子 能量模型，模拟了d s d n a 芯片系统在几种溶液中的能量，发现能量d s d n a 系 统能量随着d e b y e 长度指数衰减 p o d g o m i ka n dp a r s e g i a n , 1 9 9 0 。在随后的研究 中指出，在d s d n a 链间距较大的情况下，d s d n a 的静电相互作用和构型熵的 变化共同作用产生的指数衰减长度是d e b y e 长度的两倍；并认为在链间距离比 较大的情况下d s d n a 生物能主要由构型熵决定 p o d g o m i k e ta 1 ，1 9 9 4 。 s t r e y 在p o d g o m i k 的基础上，采用溶致液晶理论和线性p o i s s o n - b o l t z m a n n 方程，建立了检测时d s d n a 生物层能量的函数方程。s t r e y 认为在渗透压比较 大的情况下，生物能与溶液离子强度无关，却和水合作用存在指数衰减的关系； 渗透压小的时候，生物能是由( 屏蔽的) 静电控制【s 呻e ta 1 ，1 9 9 7 。通过与实 验结果的拟合，得到不同浓度的盐溶液下的d s d n a 能量方程中水合参数和 d e b y e 长度的值 s t r e y e ta 1 ，1 9 9 9 。 1 3 2 2s s d n a 芯片的能量研究 对于s s d n a 系统的生物能，目前仍缺乏有关实验支撑。h a l p e r i n ，h a r i h a r a n 1 0 上海大学硕士学位论文 和u a g a n 等分别研究了弱相s s d n a 芯片系统中构型熵、反离子渗透压和d n a 层离子静电排斥分别作用时对系统挠度的响应。 针对s s d n a 系统构型熵作用产生的生物能，d a o u d ( i 9 8 2 ) 等人采用尺度法， 提出了d a o u d - c o t t o n 模型。该模型假定聚合物分子是由一个个连续的水滴 ( b l o b s ) 组成。h a l p c r m 的研究表明d a o u d - c o t t o n 模型中每个水滴都能产生七日r 的自由能，因此s s d n a 构型熵和非静电作用产生的自由能与s s d n a 链在 d a o u d - c o t t o n 模型中的水滴的个数有关 h a l p e r i n ，1 9 8 7 ；l i g o u r ea n dl c i b l e r , 1 9 9 0 ；h a g a ae ta 1 ，2 0 0 2 。 针对s s d n a 系统反离子渗透压作用产生的渗透能。h a r i h a r a n 对聚合物毛 刷结构，采用电解质溶液理论中的p o i s s o n b o l t z m a n n 方程，研究了溶液离子浓 度对进入s s d n a 生物层的反离子浓度影响 h a r i h a r a nc ta 1 ，1 9 9 8 a , 1 9 9 8 b 。h a g a n 在h a r i h a r a n 结论的基础上得到了s s d n a 芯片生物层渗透能方程。 针对s s d n a 系统的离子静电排斥能，h a g a n 利用d a o u d c o t t o n 模型分析 了溶液中离子附着在s s d n a 链上引起的s s d n a 链间静电排斥能对芯片挠度的 影响 n a g a nc ta 1 ，2 0 0 2 。 h a g a n 利用d a o u d - c o r o n 模型、s f 方法和蒙特卡罗法研究了构型熵、反离 子渗透压和离子静电排斥对芯片挠弯曲度的影响 h a g a nc ta i ，2 0 0 2 ，但仅将芯 片固相支架当作硅薄膜结构处理，未考虑其它材料对芯片变形的影响。而实际 上d n a 芯片系统为包含硅层、铬层和金层的层合结构。h a g a n 对于固相支架 的单层板模型并不能精确反映真实的d n a 芯片结构。 1 3 3 课题研究的困难分析和设想 有关无标记生物检测中基因芯片纳米力学的定量理论研究，由于问题复杂 性，目前缺乏统一理论框架，主要都是在单一尺度下假设芯片的弯曲运动是由 某种因素引起的，仅适用于某些条件下的特定性能分析和现象解释，未能解释 实验中的所有现象，未能合理阐述芯片上翘和下弯的竞争机理，而无标记生物 检测中生物一非生物复合系统的力热电效应是同时存在的，是相互竞争的，有 些甚至是耦合的，现有理论研究方法不利于探究芯片纳米运动的机理，现有实 上海大学硕士学位论文 验结果的发散性也阻碍了新技术的实用化进程。 有关单层硅膜模型 l i ue ta 1 ，2 0 0 3 1 、两层梁模型( b i o - s i n x ；a u - s i n x ) 【y 沁e t a 1 ，2 0 0 4 ；h a g a ne ta 1 ，2 0 0 2 是否适合真实的芯片结构特征( b i o - a u t i s i n x ) 和变 形特点( 以纳米级轴对称弯曲为主) ，有待于进一步研究；而环境温度变化对生 物层能量( 芯片挠度) 的影响以及杂交热效应对芯片动力响应的影响，有待于 进一步研究；另外，封装和检测过程中随机性因素和缓冲液湍流效应的影响等， 也有待于进一步研究。 生物芯片无标记检测技术从理论上急需建立考虑力热电因素的统一理论模 型，阐述芯片纳米运动的机理，揭示封装和检测时芯片纳米弯曲力学行为与探 测和目标分子纳观几何和分布