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1、美国国立卫生研究院公众检索美国国立卫生研究院公众检索作家手稿 物理学报。作家的手稿;在PMC 2007年7月7中提供。最后编辑出版的形式为：物理学报。 2006年7月7日; 97（1）：018103。分子筛在定期自由能由纳滤数组创建山水图案Jianping Fu , Juhwan Yoo , 和 Jongyoon Han1机械工程学系，麻省理工学院，剑桥，麻省研究所02139，美国2电气工程与计算机科学，加州理工学院，帕萨迪纳，加州91125，美国3系电气工程与计算机科学，4生物工程部，麻省理工学院，剑桥，MA 02139研究所美国摘要我们提出一个奥格斯顿式筛分棒状的图案定期纳流控滤波器阵列D

2、NA的过程试验研究。对通过DNA的电泳阵列议案被描述为克服偏见布朗定期调制自由能的议案。一个动力学模型，构建了基于平衡分配理论和克拉默斯的理论，解释了现场依赖流动性好。我们进一步的研究表明，从交叉实验证据奥格斯顿样筛选到熵俘获，在收缩之间nanofilter大小和DNA大小比例而定。也许，在聚电解质电围环境最重要的应用是与凝胶，电泳分离生物大分子的大小。论的分子特征的RG到孔径的凝胶一回转半径比的基础上，三个不同的分离制度已被确定为筛分奥格斯顿（的RG /一“1），熵诱捕（的RG /一1） ，和有偏见的reptation（的RG /一“1）1。在奥格斯顿筛分，筛分是由于分子内的纳米孔的分子空间

3、位阻。由于的RG /一“1，自由移动的分子通过凝胶基质，假设他们不受干扰盘绕构象。该解释的奥格斯顿筛选政权迁移率的标准模型是所谓的“延伸奥格斯顿模型”2，其中相对迁移率，在凝胶间的迁移率和自由流动的解决方案0比，一个分子假设给定的大小等于该分区中的凝胶分子系数K（金围绕排除在一般配置空间体积）。即使在=/0= K的实验从来没有得到很好的测试，主要是因为流动性假设和分子的分配系数K无法衡量的凝胶体系独立，扩展奥格斯顿模型应用于作为为广泛接受的经验提出了弗格森确定生物大分子的分子量方法的理论基础3。作为一个近平衡理论，扩展奥格斯顿模型也未能解释领域相关的流动性变化，在中到高场凝胶电泳已知发生1,3

4、。对在凝胶电泳筛分机理的理论研究已被精心控制实验平台的关联的大小和形状没有限制的筛选与观察到毛孔分子动力学行为。近年来，各种微加工结构已被作为对凝胶替代提出4。这些定期筛分结构也证明了分子动力学的理论研究和随机运动的理想场所围5。最近，图案定期纳流控过滤器（nanofilter）阵列均表现为诸如蛋白6生物分子的快速分离。在这封信中，通过使用理论模型的均衡分配理论的基础上，定量地表征了一种僵化，杆状DNA的筛选过程中的（新英格兰BioLabs公司，50 - 到1600个碱基对（bp）的）在不同的微加工周期nanofilter阵列。该nanofilter，作为模型孔隙收缩系统服务，包括一个深浅水区

5、和围地区图。 1。在浅区（DS）的深度是作为探测DNA分子大小同一量级。在nanofilter阵列结构和制造细节见文献。 6。该nanofilter阵列用Tris -硼酸- EDTA的5 缓冲填充到削弱电渗流的影响7。用于荧光检测，DNA进行标记的YOYO - 1染料与染料的1:20至bp的比率（分子探针），在这个比例，染料插扩展了约68 DNA长度。对通过DNA的电泳nanofilter漂移本质上是一个电场驱动的分区过程1。与高熵深地区相比，在有限的浅水区域内的DNA构型空间之间建立在深，浅区突变界面通过一个构作DNA熵障碍9。这种构型熵障碍来源于阻止部分的DNA与墙面立体重叠的限制，并从变

6、形的构象熵与关联熵障碍不同，弹性10。该构型熵障碍是-TS- kBTln（s/d）（电话：绝对温度，下：构型熵，知识库：玻尔兹曼常数，s/d：无障碍微观配置的状态积分之比在浅及深地区）9 。根据定义，s/d等于K（K为K报表/ Kd值），在浅部和深地区的分配系数比。以各种几何形状的纳米孔硬质分子分区进行了研究和统计与几何参数都解析和数值9。在稀溶液中的限制，分配系数文（我=秒，四）细杆，长度为L的DNA一样，在这两个地区是浅和深计算 其中i= 1 /二（缩放分子长度）和PI =瓦特/二（缩放nanofilter宽度）。长度的DNA测试（与等高线长度L和持续长度罐），L可以安全地被视为从Krat

7、ky - Porod模型计算相当于DNA的平均终端到终端的距离DNA的议案通过nanofilter阵列可以说是一个热激活克服偏见定期调制变化f图自由能障碍的过程。 1（b）条。免费的能源前景由电场杨仁包含本地千里马（障碍）和极小（陷阱），类似于双阱势12倾斜。我们定义为两个连续捕获事件添travelDNA的漂移，所以travel= 1 /maxEav，其中MAX封装=4dsds0/（副局长2 DS）是最大的nanofilter内筛分的自由流动。 MAX是线性外推得到的流动性在不同杨仁数据DNA长度为零。 MAX封装变异性不大，几乎是独立的杨仁。经DNA达到一个陷阱，它是被困在一定的一生trap

8、才进入nanofilter收缩。相对迁移率*因此可以写为*=/MAX封装=travel/（travel+trap）。两个能源方面包括在变化f表达障碍（变化f=-TS-W）图。 1（b）条。对于能源的DNA熵增加进入aconfining nanofilter收缩正TS长期应收帐款。为电的DNA翻译势能在沿磁场方向nanofilter屏障下降W长期应收帐款。约，W= NqEavdd（护士：DNA的碱基数，问：有效电荷每bp的0派生）13。杨仁0有效降低能源的磁场方向的障碍。杨仁0时，|TS/W|“”1，能源占主导地位的熵。这一制度提供了最大尺寸的选择性，但分离速度和效率，从而严重降低。当|TS/W

9、|“”1，诱捕效果变得微不足道，没有分离应该预计6。优化的分离性能，预计当|TS/W|1。由于变化f相当于或大于kBT，kesc，为逃避升学率的DNA克服的障碍，以及平均捕获时间trap，可以从该克拉默斯的理论获得过阻尼简化版本，在这一制度制度14其中，为常数的DNA摩擦和全依据能量景观图描绘。 1（b）项，trap可以计算其中是一个常数秒单位 V型/（基点米）和？是减少电场（=W/ kBT）1。中号捕获时间。 14表明对杨仁类似的依赖。迁移率是通过测量一个合奏，在各种杨仁平均超过nanofilters带迁移时间t旅行数以千计。图2（a）为100 bp的DNA片段中分离了80纳米nanofil

10、ter阵列。 受体和trap为100 bp的DNA片段图实验数据。 2款（b）和低分子量的DNA梯图。 2（C - D座）吻合式计算与理论曲线。 （4），特别是在低场（杨仁30V/cm）制度和短的DNA 15。最佳拟合常数发现所有的杨仁相当恒定。 DNA的近平衡态横过nanofilter可以预计的减少电场？ 1。当杨仁 -TS）。通过结合式。 （1）和W表达，我们计算出来的？在短的DNA限c是n个独立和-1D，其中D为nanofilter筛分财产帐目。在图的实验数据。二偏离略有当DNA长度的增加数持续长度的理论曲线。这是自长的DNA预期，其他程度的熵的自由，例如内部结构，成为跨越nanofil

11、ter动力学障碍不可忽视的。该（构）捕获机制的熵用来解释长长的脱氧核糖核酸（“5千碱基对（KBP）的）在类似的障碍干预熵的DNA被发现在较长的推进不是因为它们更短的可能性疝核更快分离16 。我们展示的交叉筛选，从奥格斯顿通过测量一个从0.5-8 kbp的大小不等的DNA迁移率73至熵诱捕纳米nanofilter阵列。对这些DNA的RG回转半径，从Kratky - Porod模型估计，跨度为40-220 nm范围内，覆盖了周围的RG /副1地区。图3清楚地显示了两种不同的筛选由现行的流动曲线山谷证明制度。山谷的左侧是奥格斯顿筛分，为DNA长度增加而降低。右边显示的证据熵诱捕，与DNA长度增加。杨

12、仁不同的转换点都在约1.5 kbp的，其中的DNA的RG（1.5 kbp的）80纳米，相当于在DS = 73纳米。这个观察支持这一过渡政权之间的奥格斯顿筛分和熵俘获约的RG /副1。杨仁显示了这两种制度不同的诱捕效果：在奥格斯顿筛选，高垒高度较低杨仁导致更大尺寸的选择性（与陡峭的曲线所示）有关;在熵诱捕，nanofilter显示了在小尺寸的选择性低杨仁，但流动性曲线变得陡峭如杨仁增加。所有的流动曲线，达到一个高原作为DNA长度变得比约5 kbp的大。复数域附近的过渡制度的影响模式不能解释的简单动力学在文献提出的模型。 16，并进一步更详细的表征需要进行。我们承认，从美国国家科学基金会（仙- 0

13、347348），美国国立卫生研究院（EB005743），和新加坡麻省理工学院联盟（SMA -，CE认证计划）的支持。 j的柳得到了加州理工大学暑期大学生研究计划。我们感谢也让体育毛的SEM照片。References1. Viovy JL. Slater GW, et al. Rev Mod Phys Electrophoresis 2000;2002;7223:813. 3791.2. Ogston AG. Rodbard D, Chrambach A. Trans Faraday Soc Proc Natl Acad Sci U S A1958;1970;5465:1754. 970.3.

14、Ferguson KA. Metab Clin Exp 1964;13:985. PubMed: 14228777Tietz, D. Advances inElectrophoresis. 2. VCH Publishers; New York: 1988. p. 109-169.4. Volkmuth WD, Austin RH. Han J, Craighead HG. Huang LR, et al. Huang LR, Cox EC, Austin RH,Sturm JC. Nature Science Nat Biotechnol Science 1992;2000;2002;200

15、4;35828820304:600. 1026,1048, 987. PubMed: 15017155. Bakajin OB, et al. Tegenfeldt JO, et al. Phys Rev Lett Proc Natl Acad Sci U S A 1998;2004;80101:2737.10979.6. Fu J, Mao P, Han J. Appl Phys Lett 2005;87:263902.7. Han J, Craighead HG. Anal Chem 2002;74:394. PubMed: 118114148. Smith DE, Perkins TT,

16、 Chu S. Macromolecules 1996;29:1372.9. Giddings JC, Kucera E, Russell CP, Myers MN. J Phys Chem 1968;72:4397.10. Turner SWP, Cabodi M, Craighead HG. Nykypanchuk D, Strey HH, Hoagland DA. Phys Rev LettScience 2002;2002;88297:128103. 987. PubMed: 1190950511. Rubenstein, M.; Colby, RH. Polymer Physics.

17、 Oxford; New York: 2003.12. Risken, H. The Fokker-Planck Equation. Springer-Verlag; Berlin: 1996.13. The characteristic diffusion length l estimated from the Peclet number is always greater than dTherefore, the nanofilter transition region radius is approximately equal to d , which leads todW=NqE da

18、v d14. Stockmayer, WH. Molecular Fluids. Balian, R.; Weill, G., editors. Gordon & Breach; London: 1976.Ajdari A, Prost J. Proc Natl Acad Sci U S A 1991;88:4468. PubMed: 203468415. Stellwagen NC, Gelfi C, Righetti PG. Biopolymers 1997;42:687. PubMed: 9358733 of dsDNA0decreases by about 2% over the 40

19、0- to 100-bp range (However, this small decrease should not0affect our arguments16. Han J, Turner SW, Craighead HG. Phys Rev Lett 1999;83:1688.图。 1。（一）刚性棒状跨nanofilter是一个深刻的地区（DD）和浅区等长（副秘书长）组成的DNA分割。这一时期和一个nanofilter宽度为p和w分别。 （二）提供免费能源利用DNA在穿越一个有经验的nanofilter风景（黑色曲线为：E = 0，灰色曲线：杨仁 0）。斯，埃德：浅及深地区电场分别。杨

20、仁：平均超过nanofilter电场。 DNA的保存在浅水区域的自由和深排水性能，在这两个地区的比例仅向当地产生电场的斜坡。 （三）扫描电镜图像交替深（300 nm）和浅（55 nm）的地区。 p值= 2微米。图。 2。（一）100 - bp的DNA片段在nanofilter阵列分离（副= 80纳米，日= 580纳米，和P = 4微米）。电泳（灰色）是从注入点1厘米。 （红色）高斯函数被用于装修和黑条标签峰宽（标准差）。 （b）相对mobility的100 bp的DNA片段固体曲线拟合。在 s.d.从半peakwidth派生*均小于4，为*所以没有统计误差线绘制。插图显示了最适合的不同领域的优

21、势常数。 有一个平均约8684和 s.d. 3左右。 （C - D座），平均捕获时间trap（三）和相对迁移率（d）与最佳拟合曲线。 trap和分别计量nanofilter阵列低分子量DNA片段与DS = 55纳米时，dd = 300纳米，而P = 1微米。分离长度为5毫米和trap=Ttravel/5000-travel。在 s.d.对*均小于6，为*所以没有统计误差线绘制。插图显示了一个说，关注1990年和标准差约13。所有的拟合曲线在（b - D）的-21顷计算与Q = 2.49 10焦耳/视频 BP公司，唱片= 53纳米，和L = 0.36度，东经纳米。图。 3。作为移动的DNA长度的函数。后提取的DNA片段进行琼脂糖凝胶分离。副秘书长的nanofilter阵列= 73纳米，日= 325纳米，p值= 1微米。相对大的统计误差线（如果不是更大的符号画）可能是由于DNA浓度低。灰色和黄色部分表示奥格斯顿筛分和熵诱捕，分别。过渡点的垂直虚线标示的DNA长度= 1.5 kbp的画线。