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(bǔ)的單鏈DNA通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)而形成雙螺旋的結(jié)構(gòu)。DNA可通過(guò)化學(xué)合成方法來(lái)得到，而且序列和堿基數(shù)目均可以精確控制，堿基對(duì)尺寸非常小，這些因素使得DNA在納米技術(shù)領(lǐng)域可作為一個(gè)理想的材料，用于構(gòu)建各種可控的納米結(jié)構(gòu)和機(jī)器。為了拓展DNA的應(yīng)用范圍，近年來(lái)，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(duì)的堿基對(duì)T∶T可在加入Hg2+的條件下形成一種新型的金

2、屬堿基對(duì)T-Hg-T，C∶C可與Ag+形成C-Ag-C金屬堿基對(duì)。
　　DNA鏈替換反應(yīng)在非酶促純DNA反應(yīng)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(yīng)速率的新方法。反應(yīng)體系中，我們?cè)趖oehold中引入錯(cuò)配的堿基對(duì)C∶C。實(shí)驗(yàn)中我們利用熒光光譜儀和非變性聚丙烯酰氨凝膠電泳來(lái)進(jìn)行表征。在不加入Ag+的條件下，DNA鏈替換反應(yīng)速率比較慢，加入Ag+后反應(yīng)速率明顯提高。我們發(fā)現(xiàn)可通過(guò)改變A

3、g+濃度來(lái)方便和靈敏地調(diào)控DNA鏈替換反應(yīng)速率，同時(shí)反應(yīng)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(yīng)速率會(huì)在某一個(gè)濃度值達(dá)到最大，然后開始下降，直到Ag+濃度非常高，鏈替換反應(yīng)基本不發(fā)生，這是因?yàn)檫^(guò)多的Ag+會(huì)聚集在C堿基周圍，阻礙了堿基對(duì)的形成。這種鏈替換反應(yīng)對(duì)金屬離子具有特別的專一性和選擇性，我們還可以通過(guò)合成特定的DNA片段來(lái)探索其他金屬離子（如銅離子等）的特異性反應(yīng)。該方法也可用于金屬離子的檢測(cè)，同時(shí)在DNA納米領(lǐng)

4、域也具有一定的應(yīng)用前景。
　　DNA鏈替換反應(yīng)的速率與toehold上堿基配對(duì)的數(shù)目有很大的關(guān)系。在上述研究的基礎(chǔ)上，我們?cè)趖oehold上同時(shí)引入兩個(gè)錯(cuò)配堿基對(duì)T∶T和C∶C，這相當(dāng)于有兩個(gè)調(diào)控因素。我們精心設(shè)計(jì)了兩組toehold的長(zhǎng)度及序列，其中一組中，只有同時(shí)加入Hg2+和Ag+，DNA鏈替換反應(yīng)才能良好的進(jìn)行，這一組相當(dāng)于與門(AND);另一組中，只要加入Hg2+或Ag+（或同時(shí)加入），鏈替換反應(yīng)就能良好的進(jìn)行，這一組相

5、當(dāng)于或門(OR)。這樣我們就成功地構(gòu)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(yīng)用于分析化學(xué)與生物化學(xué)，它將整個(gè)化學(xué)反應(yīng)體系的功能集成在以微通道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)核心的微小芯片上。它將微化學(xué)反應(yīng)控制在微米級(jí)甚至納米級(jí)的空間內(nèi)，反應(yīng)速度大大提高，可以節(jié)省時(shí)間，同時(shí)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(chǔ)，目前玻璃和高分子材料應(yīng)用最為廣泛。高分子材料中以聚二甲基硅氧烷(PD

6、MS)應(yīng)用較為廣泛，同時(shí)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(lái)說(shuō)具有較大的優(yōu)勢(shì)，可設(shè)計(jì)性比較強(qiáng)，但操作相對(duì)復(fù)雜，成本較高。
　　在本文中，我們利用一個(gè)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(xì)管，通過(guò)環(huán)氧膠將兩者固定在玻璃片上，制作成一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)程和不同實(shí)驗(yàn)條件下液滴尺寸的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中采用超純水(water)作為分散相，礦

7、物油(oil)作為連續(xù)相。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)3種不同的drippingto jetting液滴轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變，驅(qū)動(dòng)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(guò)程，最后直徑逐漸增大，這是一個(gè)比較有趣的新現(xiàn)象，也是第二種dripping to jetting轉(zhuǎn)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(shí)開始出現(xiàn)脖子，直到最后無(wú)法形成球形的液滴，這是第三種dripping to jetting轉(zhuǎn)變。此外，我