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研究生: 鄭仁浩
Zheng, Reng-Hau
論文名稱: DNA分子於外加電場及流場下之運動行為的探討
Motion of DNA Molecules in Electric Fields and Hydrodynamic Flows
指導教授: 魏憲鴻
Wei, Hsien-Hung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 162
中文關鍵詞: 淨移動DC/AC電場切換不對稱的極化
外文關鍵詞: anomalous drift, switch, asymmetric polarization
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  • 本論文主要探討DNA分子於直流電場驅動後馬上切換交流電場所呈現的運動行為(第三章)。我們發現即使在沒有任何電場梯度作用下,這些DNA分子會往其載入的方向移動。這樣的不尋常的泳動現象並非是來自於介電泳,然而,他們可能來自於電雙層中相反電荷離子因直流電場作用重新分佈所產生之淨偶極電荷所致。此電偶極再與交流電場作用可產生不對稱的庫倫力,進而驅動DNA分子運動。我們從以下四個觀察結果證實了此現象為不對稱的極化所致。第一,在同一實驗反覆切換不同電場則會有遲滯現象發生;第二,將交流電場延遲一段時間後開啟,DNA仍有淨移動行為的發生;第三,其淨移動的遷移率與DNA大小有關;第四,此淨移動行為會與物質本身的帶電量有所相關,且會因所帶電性不同而有相反的淨移動方向,而淨移動方向與電泳的運動方向相反。我們還發現這種現象並不局限於DNA,也可能發生於其他的帶電膠體粒子。因此我們推測此奇特現象普遍存在於帶電之膠體粒子懸浮液中。
    此外,我們探討DNA分子在電場或流場作用下於親疏水表面的運動行為。於第四章我們發現靠近玻璃表面的DNA分子在流場作用下會有拉伸、回縮以及翻滾等現象;但於電場作用下卻無這些現象。在第五章我們製作三維結構的流道來拉伸DNA分子,並發現於三維突縮流道的DNA分子其延展程度比經常所使用的二維突縮流道更好。以及討論奈米流道在製程上所碰到的問題。

    This thesis is mainly focused on the motion of DNA molecules when one switches to an AC field right after an application with a DC field (in Chapter 3). We find, surprisingly, that these DNAs can drift toward the injection end without acquiring any field gradients. Such anomalous drift is not due to dielectrophoresis. Rather, it could arise from the net dipole charge due to field-induced polarization of counterions within the electrical double layer to cause asymmetric Coulomb force created by this charge. This asymmetric polarization is borne out by the observations of (i) unusual hysteresis phenomenon when applying different fields in one experiment, (ii) non-vanished DNA drift when delaying the switching to an AC field, (iii) size-dependent drift mobility, and (iv) the drifting phenomenon is symmetric with respect to the charge attribute of an object—the drifting direction is always opposite to that of electrophoresis that is determined by the sign of the native charge. We also find that the phenomenon is not limited to DNA but can also occur to other charged colloids. We thus speculate that this peculiar phenomenon commonly exists in charged suspensions.
    In addition, we investigate the motion of DNA molecules in electric fields or hydrodynamic flows on hydrophilic or hydrophobic surfaces. We find in Chapter 4 that near-surface DNAs can exhibit stretching, recoiled, and tumbling in hydrodynamic flows but not in electric fields. In Chapter 5, we fabricate structured three-dimensional channels for stretching DNA molecules. We observe that DNAs in such channels exhibit greater extensions than those in regular two-dimensional channels. Problems in fabrication of nanochannels are also discussed.

    摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目錄 iv 表目錄 xi 圖目錄 xii 符號說明 xxiii 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 DNA分子結構 2 1.3 研究動機 3 1.4 文獻回顧 4 1.4.1 DNA於DC電場切換AC電場作用下淨移動行為 4 1.4.2 DNA的翻滾行為及奈米流道製作 5 第二章 基本原理 11 2.1 電雙層(Electrical double layer, EDL) 11 2.2 電泳(Electrophoresis, EP)與電滲(Electro-osmosis, EO) 13 第三章 對DNA先施加直流電場再切換成交流電場後呈現淨移動行為的探討 17 3.1 實驗 18 3.1.1 微流道裝置 18 3.1.2 實驗溶液 18 3.1.3 硬體架構 21 3.1.4 實驗步驟 21 3.1.5 相關實驗細節 23 3.1.6 影像處理軟體與拍攝 25 3.1.6.A 影像擷取軟體Image-Pro Plus之介紹 25 3.1.6.B 曝光時間(Exposure time)的選擇 26 3.1.6.C 100倍物鏡之觀測方法 26 3.2 實驗觀察與記錄 27 3.2.1 DNA分子於AC電場下之運動行為 27 3.2.2 對DNA先施加DC電場再切換成AC電場後呈現之淨移動行為 28 3.2.2.A 以不同方式施加DC電場的影響-遲滯現象(hysteresis phenomenon) 28 3.2.2.B DNA因單一DC/AC電場切換所致之淨移動行為之觀察 29 3.2.2.C DNA大小之影響 31 3.2.2.D 藉DC/AC電場切換進行DNA分離 32 3.2.3 觀察不同電性的粒子是否也會因DC/AC電場切換呈現淨移動 34 3.2.4 因DC電場所致之不對稱電荷極化鬆弛時間(relaxation time)的測量 35 3.3 實驗結果與討論 35 3.3.1 DNA分子於AC電場下之運動行為 35 3.3.2 對DNA先施加DC電場再切換成AC電場後呈現淨移動之行為探討 36 3.3.2.A 遲滯現象的發現 36 3.3.2.B 探討影響T4 DNA淨移動行為的因素 37 3.3.2.B.I DC電場的影響 37 3.3.2.B.II AC電場的影響 37 3.3.2.B.III AC頻率的影響 38 3.3.2.C 探討影響λ DNA淨移動行為的因素 38 3.3.2.C.I DC電場的影響 38 3.3.2.C.II AC電場的影響 39 3.3.2.C.III AC頻率的影響 39 3.3.2.D 探討DNA大小之影響 39 3.3.2.E 藉DC/AC電場切換進行DNA分離的效果 40 3.3.3 對膠體粒子因DC/AC電場切換呈現淨移動之行為探討 41 3.3.4 因DC電場所致之不對稱電荷極化鬆弛時間的探討 41 3.3.5 DNA分子於AC電場下的淨移動行為 42 3.3.6 DNA因DC/AC切換所致之淨移動機制 43 3.4 結論 44 第四章 DNA分子在具界面活性劑之表面上受外加流動或電場作用影響下的運動行為 93 4.1 實驗 93 4.1.1 微流道裝置 93 4.1.2 實驗溶液 94 4.1.3 硬體設備 95 4.1.4 實驗步驟 95 4.1.5 相關實驗細節 96 4.2 實驗觀察與紀錄 97 4.2.1 DNA分子於以界面活性劑覆蓋之玻璃表面的運動行為 97 4.2.1.A 以外加流力驅動 97 4.2.1.B 以直流電場驅動 98 4.2.2 DNA分子於以氧電漿改質之玻璃表面的運動行為 98 4.2.2.A 以外加流力驅動 98 4.2.2.B 以直流電場驅動 99 4.3 實驗結果與討論 99 4.3.1 DNA分子於兩種不同玻璃表面的運動行為 99 4.3.1.A 在外加流力作用下的運動行為 99 4.3.1.B 在直流電場作用的運動行為 100 4.4 結論 101 第五章 於三維突縮流道結合電泳方法拉伸DNA 115 5.1 設計概念 116 5.2 實驗 116 5.2.1微流道製程 116 5.2.2 微流道裝置 117 5.2.3 實驗溶液 117 5.2.4 實驗步驟 118 5.2.5 相關實驗細節 119 5.3 實驗觀察與紀錄 119 5.3.1 以電荷動力結合微流道拉伸DNA 119 5.3.1.A 於三維突縮流道觀察DNA分子的拉伸 119 5.3.1.B 於二維突縮流道觀察DNA分子的拉伸 120 5.4 實驗結果與討論 120 5.4.1 三維與二維突縮流道拉伸DNA分子效果相比較 120 5.5 結論 121 第六章 奈米流道之製程 129 6.1 流道製程 129 6.2 流道製作所碰到的問題以及可能的改善方法 132 第七章 結論及未來展望 138 7.1 結論 138 7.2 未來展望 139 參考文獻 141 附錄A 143 A.1 光罩設計 143 A.2 光微影(Photolithography)製程 143 A.2.1 晶片清洗 143 A.2.2 塗佈光阻(Spin Coat) 144 A.2.3 軟烤(Soft Bake) 145 A.2.4 曝光(Exposure) 146 A.2.5 曝後烤(Post Expose Bake) 147 A.2.6 顯影(Development) 147 A.2.7 硬烤(Hard Bake) 147 A.2.8 測量厚度 148 附錄 B 159 附錄 C 161 自述 162

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