论文部分内容阅读
从上世纪八十年代开始,以DNA自组装为基础的纳米工程逐渐成为一个热门的研究领域。DNA组装结构具有多变性,功能性以及可控性,已经广泛地被应用在多个领域。DNA自组装是一个精细的操作,从分子链的设计到退火过程都会影响组装的结果。然而,现在科学家们注重的仍然是组装的最终结构,对于组装的动力学及其影响因素研究的较少。基于此,本论文利用激光光散射等现代物理手段原位跟踪了不同类型的DNA的组装过程,以经典的成核-生长机理为基础,揭示了DNA自组装的动力学,探讨了分子链设计与组装过程的关系,并研究了浓度、盐度等外界因素对DNA自组装动力学的影响。
本论文首先研究了结晶体系的DNA组装过程的动力学。散射光强的时间依赖性出现两个“S”形状,分别对应了成核,增长,以及“涨落”这三个阶段。由光强曲线求算了三个物理参数,τ0,τ1,和κ。Τ0对应形成晶核的时间,随温度增加而增大,由此得到的活化能为负值,说明成核可以自发进行。Τ1对应晶核开始迅速增长的时间,随温度增加而减小,由此得到的活化能为正值,说明增长受扩散等因素影响。Τ0和τ1之间的平台区对应晶核的发育过程,该过程随温度增加而缩短,在低温可以无限长,而在高温时τ0和τ1可以重合。Κ对应晶体的增长速率,DNA自组装存在最佳增长速率。对组装体的密度分析表明,DNA在成核增长过程中一直存在大量错位和错配,并一直处于不断地调整过程中。最后的涨落阶段是不同晶体间调整增大的阶段。
在一般的小分子和高分子结晶过程中,只观察到了τ0和τ1重合的情况。推测这是由于晶核增长势垒弱造成的。为此,本论文还研究了Y型DNA凝胶体系的动力学。在凝胶的形成过程中,晶核不需太多调整,增长便能进行。Y型凝胶存在两个熔点,当温度低于高熔点时,组装即可进行,光强角度依赖性只出现一个“S”形状,τ0和τ1发生重合,与预期一致。随温度降低,组装速度加快,得到活化能为负值。但当温度接近低熔点时活化能成为正值,组装速度随温度降低而降低。Y型DNA凝胶只有在高浓度才能形成,模量随着温度的增加而降低。扫频实验发现DNA凝胶的储能模量随着频率的增加而增加,这是因为大量的DNA链没有参与网络结构的形成。这些缺陷的存在与组装动力学有密切关系,另外还受序列设计的影响,Y型DNA序列刚性过强,倾向于二维而不是三维增长。
论文最后研究了晶核需要中度调整才能进行进一步增长的体系,但可用于增长的粘末段数目增加。同样,τ0和τ1发生重合,增长速度明显加快。求算得到的活化能在研究的温度范围内都是负值。利用这一体系,研究了DNA浓度和Mg2+浓度对DNA自组装动力学的影响。研究发现组装速度随DNA浓度降低而降低。增加DNA浓度提高DNA组装的最高临界温度。计算得到活化能基本不受DNA浓度影响。Mg2+是用来屏蔽DNA骨架的静电排斥作用,当缓冲体系中不存在二价离子的时候,DNA不发生组装。增加Mg2+可以提高DNA组装速度,DNA的最高临界组装温度也随着Mg2+浓度的增加而增加。但是,存在着一个临界的Mg2+浓度,高于该值时,DNA组装速度基本不受影响。
三个DNA体系各具特色的组装行为说明DNA的组装过程与设计的DNA序列及最终的组装结构密切相关。浓度、盐度等对组装动力学的影响说明DNA自组装是一个很复杂的过程。如何根据设计的序列和组装特点采取高效的组装方式,在短时间内得到无缺陷的组装结构是一个具有重要研究价值的课题。