纳柱阵列通道中生物分子等效淌度的宏观输运理论分析.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 21 (2013) 218701 纳柱阵列通道中生物分子等效淌度的 宏观输运理论分析* 1† 1 1 1 2‡ 李子瑞 廖宁波 周余庆 薛伟 刘谋斌 1) ( 温州大学机电工程学院, 温州 325035 ) 2) ( 中国科学院力学研究所, 北京 100190 ) ( 2013 年6 月22 日收到; 2013 年7 月19 日收到修改稿) 各向异性生物分子或带电布朗粒子在周期性孔隙结构运动的分析在生物医学、水处理、环境工程等无数领域 具有非常重要的意义. 本文基于宏观输运理论计算粒子在周期性微纳阵列结构中等效输运参数, 预测分离结果. 首 先通过引入构型熵及有效电荷等参数, 建立各向异性生物分子在纳米级受限环境下的等效布朗粒子模型, 然后应用 宏观输运理论和数值方法计算分子的等效淌度. 以小分子DNA 片段在周期性纳柱阵列通道中电泳迁移为例, 证明 当通道空隙接近或小于分子尺寸时, 熵受限对分子的等效迁移速度有重要的影响, 是实现生物分子分离的主要机理. 因为熵受限的作用随着外电场的增强而减低, 所以在较低电场强度条件下, 分子淌度差别较大, 对应分离效果较佳. 关键词: 生物分子分离, 构型熵, 微纳阵列, 宏观输运理论 PACS: 87.15.Tt, 87.16.dp DOI: 10.7498/aps.62.218701 基于微纳阵列结构实现生物分子分离在物理 1 引言 机理上大体可分为Ogston 筛分、熵俘获(entropic trapping)、爬行控制、静电场筛分等. 其中, Ogston 生物分子分离在基因组学、蛋白质组学、疾 筛分适用于生物分子尺寸小于通道尺寸的情形, 病诊断、药物分析等方面都占有极其重要的地位. 该技术已经有半个多世纪的历史, 在微纳米加工 理想的生物分子分离技术必须具备分离速度快、 技术出现之前主要用于球形粒子通过凝胶介质筛 纯度高、成本低廉、不改变分子物理化学性态等 分. 近年来, 随着微纳加工技术的发展, 应用微纳 1 特征. 目前作为主流科技的凝胶电泳、毛细管电泳 流控技术实现Ogston 筛分有了很大的进展 . 间 等方法凭借技术操作简单、成本低廉等优势, 在生 隙尺寸在10—100 nm 的微纳流控阵列成功用于分 物、医学、化工等无数领域占据主导地位. 但这些 离双螺旋DNA (dsDNA) 片段及蛋白质等生物分 技术却有耗时、分离效率低、材料重复使用率差 子2−5 . 熵俘获适用于柔性高分子大小与间歇性出 等缺点. 此外, 凝胶结构的随机性以及分子在纳米 现的孔隙的尺寸相当的情形, 此时分子需要发生较 尺度空间运动本身的复杂性也使得实验结果的分 大变形或者调整姿态才可以通过. 自从Craighead 67 析非常困难. 相比之下, 通过精密加工制造的人工 和Han 研究组 利用深浅交替的微纳通道成功 微纳阵列结