以布朗動態法模擬線形與環形DNA於微流道中之電泳分離

Abstract

在生物醫學上，分離不同長度及不同構型的DNA有非常重要的應用，不過傳統分離方法皆為批次分離或是需要花費較長時間，使得於低成本且耗時短的微流道分離技術興起。在過去的研究中，我們利用正向應力使線型DNA產生垂直於電泳方向的移動，成功分離不同長度之DNA，而本論文的則探討利用正向應力來分離線形DNA與環形DNA。本研究以布朗動態法(Brownian Dynamics)模擬線形DNA與環形DNA於漸縮-漸擴型微流道中之電泳分離，瞭解分離單元之設計及DNA初始位置的變化對兩種DNA分離的影響，以提出較為優化的通道設計。 我們首先改變通道漸縮區之斜率，並且根據DNA鬆弛時間的不同，利用黛博拉數(De)預測DNA於分離單元中之分離結果。我們預期線形DNA能夠於漸縮區受到較大的正向應力往側向偏移，而環形DNA則因受到較小之正向應力而傾向平均分散於微流道中。當詳細模擬DNA以平均的方式進入通道之電泳行為後，發現雖有分離效果但沒有預期中理想。隨著電場增加，最終兩種DNA都往側邊移動，雖然位移程度不同，但仍嚴重降低了裝置的分離效率。為了改善這個問題，我們增加漸縮區出口寬度，讓受到正向應力較小的環形DNA於中央流動，正向應力較大的線形DNA往側向偏移，但是最終漸縮區出口寬度增加的影響，卻也造成線形DNA受到之正向應力大幅下降，同樣使分離效率下降。最後我們大幅改變分離單元之設計，利用兩種DNA受到正向應力偏移程度的不同，設計單一分離單元中，前半部分產生向通道內的正向應力，後半部分產生向通道外的正向應力，以此來分離DNA。不同於前面之設計，在此裝置中，線形DNA反而往通道中央移動，而環形DNA呈現平均分散，由模擬結果來看，此設計的確可以提升分離效果。 最後，當不同構型之DNA離開分離區後，須經由分岔型通道分別收集，而收集通道之設計也會影響最後的分離結果，所以我們針對收集區之分岔型通道詳細探討側邊出口寬度以及側邊與中間出口間的夾角變化是否會對收集的範圍有影響，以設計固定的分岔型通道，使收集標準更加統一，並且可以根據分離區的結果判斷需要收集的範圍，藉由調整側邊與中間出口端的電壓比來改善分離效率。