DNA與金屬離子相互作用及液滴在微流控芯片中生成的物理規(guī)律研究.pdf

1、雙鏈DNA是由兩條互補的單鏈DNA通過堿基互補配對而形成雙螺旋的結構。DNA可通過化學合成方法來得到，而且序列和堿基數(shù)目均可以精確控制，堿基對尺寸非常小，這些因素使得DNA在納米技術領域可作為一個理想的材料，用于構建各種可控的納米結構和機器。為了拓展DNA的應用范圍，近年來，DNA及其類似物與金屬離子的相互作用得到廣泛的研究。研究發(fā)現(xiàn)，有多種金屬離子可與核苷相互作用，例如，非正常配對的堿基對T∶T可在加入Hg2+的條件下形成一種新型的金

2、屬堿基對T-Hg-T，C∶C可與Ag+形成C-Ag-C金屬堿基對。
　　DNA鏈替換反應在非酶促純DNA反應中發(fā)揮重要的作用。我們利用metallo-toehold概念提出一種可調(diào)控DNA鏈替換反應速率的新方法。反應體系中，我們在toehold中引入錯配的堿基對C∶C。實驗中我們利用熒光光譜儀和非變性聚丙烯酰氨凝膠電泳來進行表征。在不加入Ag+的條件下，DNA鏈替換反應速率比較慢，加入Ag+后反應速率明顯提高。我們發(fā)現(xiàn)可通過改變A

3、g+濃度來方便和靈敏地調(diào)控DNA鏈替換反應速率，同時反應速率是連續(xù)可調(diào)的。隨著我們持續(xù)加入Ag+，DNA鏈替換反應速率會在某一個濃度值達到最大，然后開始下降，直到Ag+濃度非常高，鏈替換反應基本不發(fā)生，這是因為過多的Ag+會聚集在C堿基周圍，阻礙了堿基對的形成。這種鏈替換反應對金屬離子具有特別的專一性和選擇性，我們還可以通過合成特定的DNA片段來探索其他金屬離子（如銅離子等）的特異性反應。該方法也可用于金屬離子的檢測，同時在DNA納米領

4、域也具有一定的應用前景。
　　DNA鏈替換反應的速率與toehold上堿基配對的數(shù)目有很大的關系。在上述研究的基礎上，我們在toehold上同時引入兩個錯配堿基對T∶T和C∶C，這相當于有兩個調(diào)控因素。我們精心設計了兩組toehold的長度及序列，其中一組中，只有同時加入Hg2+和Ag+，DNA鏈替換反應才能良好的進行，這一組相當于與門(AND);另一組中，只要加入Hg2+或Ag+（或同時加入），鏈替換反應就能良好的進行，這一組相

5、當于或門(OR)。這樣我們就成功地構建了以Hg2+和Ag+為輸入條件的DNA分子邏輯門。
　　微流控芯片主要應用于分析化學與生物化學，它將整個化學反應體系的功能集成在以微通道網(wǎng)絡為結構核心的微小芯片上。它將微化學反應控制在微米級甚至納米級的空間內(nèi)，反應速度大大提高，可以節(jié)省時間，同時貴重樣品的消耗量大大減少，而且更加環(huán)保和安全。芯片材料的選用是制作芯片的重要基礎，目前玻璃和高分子材料應用最為廣泛。高分子材料中以聚二甲基硅氧烷(PD

6、MS)應用較為廣泛，同時以SU-8為光刻膠，采用模塑法制作微流控芯片。利用這種方法制作芯片，總體來說具有較大的優(yōu)勢，可設計性比較強，但操作相對復雜，成本較高。
　　在本文中，我們利用一個內(nèi)徑1mm方形玻璃管在其中套入一根外徑1mm的帶尖端的毛細管，通過環(huán)氧膠將兩者固定在玻璃片上，制作成一個簡易通道的微流芯片。利用制作好的芯片，我們先研究了液滴生成的過程和不同實驗條件下液滴尺寸的變化規(guī)律。實驗中采用超純水(water)作為分散相，礦

7、物油(oil)作為連續(xù)相。實驗方法主要分兩種:一是固定分散相流速，逐漸增大連續(xù)相流速;二是固定連續(xù)相流速，逐漸增大分散相流速。實驗中我們發(fā)現(xiàn)3種不同的drippingto jetting液滴轉變形式。第一種情況是分散相流速比較小且固定，剛開始形成的液滴其形貌和尺寸都是一致的，這是dripping形式的液滴，隨著連續(xù)相流速逐漸增大，液滴的直徑一直在減小，直到最后液滴難以形成，這是第一種dripping tojetting轉變，驅動力是連續(xù)

8、相流速;第二種是分散相流速較大且固定，剛開始形成的液滴其形貌和尺寸都是一致的，這是dripping形式的液滴，隨著連續(xù)相逐漸增大，液滴的直徑先減小，然后經(jīng)歷一段不穩(wěn)定過程，最后直徑逐漸增大，這是一個比較有趣的新現(xiàn)象，也是第二種dripping to jetting轉變。第三種是連續(xù)相流速固定，隨著分散相流速增大，液滴直徑一直增大，同時開始出現(xiàn)脖子，直到最后無法形成球形的液滴，這是第三種dripping to jetting轉變。此外，我