【摘 要】
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利用微悬臂梁实验、聚合刷标度理论、DNA溶液液晶理论以及层合梁两变量方法等，研究温变效应和分子间相互作用对无标记生物检测中DNA-微弹性结构纳米力学响应的影响，构建DNA分子几何特征、缓冲溶液离子强度、非生物层力学性能以及温度变化等与DNA-微弹性结构挠度以及频率变化之间的关系。主要工作如下：（1）利用微悬臂梁光杠杆技术实时测量了DNA分子在种植和杂交过程中引起DNA-微梁挠度检测信号，考察了碱基
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利用微悬臂梁实验、聚合刷标度理论、DNA溶液液晶理论以及层合梁两变量方法等，研究温变效应和分子间相互作用对无标记生物检测中DNA-微弹性结构纳米力学响应的影响，构建DNA分子几何特征、缓冲溶液离子强度、非生物层力学性能以及温度变化等与DNA-微弹性结构挠度以及频率变化之间的关系。主要工作如下：（1）利用微悬臂梁光杠杆技术实时测量了DNA分子在种植和杂交过程中引起DNA-微梁挠度检测信号，考察了碱基对数以及温度变化对单链DNA（ssDNA）-微梁以及双链DNA（dsDNA）-微梁挠度检测信号的影响。研究表明：温度变化对DNA-微梁挠度检测信号的干扰不可忽略。（2）基于de Gennes的聚合刷标度理论和Zhang的层合梁两变量方法，利用能量最小原理建立了ssDNA-微梁纳米力学响应的能量模型，研究了碱基对数、种植密度以及温度变化对ssDNA-微梁挠度的影响，并与第二章的实验结果进行了对比，说明了构型熵是引起ssDNA-微梁纳米力学响应的重要因素，但还需考虑分子间其它相互作用（如静电力）的贡献。（3）借助Strey等提出的DNA液晶理论，考虑静电力、水合力以及构型熵三种微观作用对DNA-微梁挠度的影响，结合第二章等温情况下的实验数据，利用变分法得到的解析模型拟合了种植和杂交过程中DNA-微梁的物理化学参数，从理论上解释了DNA杂交引起微梁的上翘下弯现象，并预见了在DNA-微梁挠度差检测技术中存在失效现象，同时分析了DNA链间相互作用和溶液离子强度变化对检测失效的影响。（4）考虑非生物层的热弹性变形能以及DNA生物膜的自由能，建立了在力-热共同作用下的DNA-微梁挠度的解析模型，并与第二章温变情况下的实验结果进行了对比，证实了该能量模型的可靠性。给出了在不同种植密度、碱基对数、溶液离子强度以及基底材料条件下的温变控制条件，说明了DNA-微梁挠度差检测技术的热相关性。此外，根据连续介质力学观点理论预测了DNA生物膜热膨胀系数，说明了近表面系统（DNA-微梁）与渗透溶液系统的差异。（5）基于Hamilton原理建立了力-热作用下DNA-微梁动态响应的解析模型，研究了基底非生物层材料种类、DNA分子结构特性以及温度变化等对DNA-微梁动态响应的影响。研究表明：基底材料和吸附DNA分子种类对频率偏移的影响明显。大部分情况下DNA分子吸附使得DNA-微梁频率减小。然而，以SU8聚合物基底的dsDNA-微梁频率存在增加或减小现象。在种植密度大约为0.25#/nm2时，dsDNA-微梁频率几乎无变化，使得动态检测失效。此外，相比于静态工作模式，DNA-微梁动态工作模式具有更高的热稳定性。（6）利用变分法建立了力-热作用下DNA-圆薄板轴对称弯曲问题的理论模型，对比了本文提出的四层板模型预测结果与简化两层板模型结果，研究了温变效应对DNA-圆薄板挠度的影响。结果表明：需考虑PDMS层和钛层对DNA-圆薄板挠度的影响。温度变化对DNA-圆薄板挠度的影响不可忽略，应严格控制DNA-圆薄板的环境温变，特别在低种植密度、短链DNA分子以及高溶液离子强度条件下尤为如此。
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