ADN có thể tồn tại ở cả dạng xoắn lẫn trạng thái đơn mảnh hình cuộn bất kì. ở trạng thái cuốn bất kì, các liên kết hiđro liên kết các nhánh của ADN lại với nhau bị phá vỡ. ADN tồn tại ở trạng thái nào là phụ thuộc vào nồng độ cation và nhiệt độ của dung môi. Sự ổn định của hình dạng xoắn kép được xác định từ những tương tác nội phân tử như liên kết hiđro giữa các cặp base, tương tác giữa các phân tử nước gắn với ADN và các phân tử nước tự do, nước ở vùng hidrat của ADN và lực hydrophobic. Sự ổn định ở trạng thái xoắn phụ thuộc vào nồng độ ion vì các counterion trung hoà điện tích và do đó làm giảm lực đẩy giữa các nhóm phosphate. Sự ổn định cũng phụ thuộc cả vào nhiệt độ vì khi động năng tăng, xác suất phá vỡ các liên kết hidro sẽ tăng theo định luật Arrhenius. Sự có mặt của nước liên kết với phân tử cũng tạo ra sự ổn định hoá.
Các liên kết hidro giữa các cặp base không phải là lực chính dùng để giữ các nhánh ADN với nhau. Cấu trúc xoắn kép được giữ ổn định là nhờ các phân
tử nước. Sự biến dạng vì nhiệt phá huỷ cấu trúc trật tự hydrate đã giữ các chuỗi xoắn kép với nhau. Các tương tác tĩnh điện chống lại sự chồng chất lên nhau của các base, trong khi tương tác không phân cực do hiệu ứng hydrophobic và lực van der Waals lại khiến cho các base chồng chất.
Sự chuyển tiếp từ trạng thái xoắn sang trạng thái cuộn tồn tại ở một ngưỡng cố định nào đó của pH, nồng độ muối và nhiệt độ. Tăng độ pH lên trên 7 sẽ dẫn tới biến dạng chuỗi polynucleotide. Sự biến dạng tồn tại dễ dàng ở độ pH lớn hơn 12 hoặc nhỏ hơn 2 do sự ion hoá các liên kết hidro giữa các base. Lí do là vì ở độ pH càng cao, các base mất proton. Một chuỗi xoắn kép không thể được tạo thành bởi các base bị mất proton, vì các proton đã mất là rất cần thiết trong các phản ứng tạo cặp base. Sự chuyển tiếp vì nhiệt độ phụ thuộc mạnh vào nồng độ muối và pH. Nồng độ càng cao sẽ khiến cho nhiệt độ phân li càng cao. Đó là do sự che chắn của các điện tích của nhóm phosphate bởi môi trường muối. Quá trình chuyển tiếp giữa trạng thái xoắn và trạng thái cuộn phụ thuộc mạnh vào năng lượng tự do của các phân tử với dung môi. Phân tử ở mỗi trạng thái có năng lượng khác nhau. trong quá trình biến dạng vì nhiệt, các counterion được giải phóng từ các phân tử khi các chuỗi ADN tách ra. Điều này làm tăng độ dẫn điện của dung môi.
Ai cũng biết rằng trạng thái B của ADN ổn định hơn trạng thái Z. Đó là vì điện tích của nhóm phosphate ở trạng thái B cố định nên nó khiến các counterin cho chắc chắn nhiều hơn khi ADN ở trạng thái Z.
Một số sự tiếp cận đã được dùng để mô hình hoá sự biến dạng của ADN. Yakushevich đã giới thiệu một mô hình đơn giản hoá áp dụng cho ADN khi các liên kết đã được mô hình hoá thành lò xo, sử dụng phương trình sin- Gordon. Muto và cộng sự đã mô hình hoá quá trình tan chảy bằng cách coi các backbone của chuỗi lennard-Jones cho các liên kết hidro ngang, như được miêu tả trên hình 2.7. Trong mô hình này, các liên kết được mô hình hoá bởi các thế và bài toán lực cặp đôi được giải bằng phương pháp tính số. Tác dụng
nhiễu trắng (sự biến thiên hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên). Các lời giải giải tích cho đến tổng hợp các phương trình vi phân là các lời giải nhiệt. Những tiếp cận này chỉ là ban đầu vì chúng chưa mô hình hoá thoả đáng khí counterion.
Galindo đã mô hình hoá sự chuyển tiếp bằng cách xét chuỗi xoắn kép tồn tại ở hai trạng thái. Trạng thái thứ nhất là trạng thái chuỗi kép ADN duỗi thẳng, gồm có 2 chuỗi điện tích song song; trạng thái còn lại là trạng thái bị cuộn lại. Năng lượng tự do cho mỗi trạng thái được tính toán. Giá trị nhỏ nhất của năng lượng tự do f được coi là tồn tại ở trạng thái cân bằng. Sự chênh lệch năng lượng tự do giữa hai trạng thái X và Y được định nghĩa bằng.
( , ) i( ) i( )
i
f X Y f X f Y
(2.1)
Chỉ số i biểu thị các năng lượng tự do khác nhau của các trạng thái khác nhau. Trạng thái ADN có thể tồn tại nhất sẽ được tìm thấy khi cực tiểu hoá
f
Chương 3
Nống nano cacbon được bao phủ bởi ADN có vai trò như chíp cảm biến, hoạt động trong các tế bào sống
Trong các chương trước, chúng tôi đã giới thiệu khái quát những khái niệm cơ bản về cấu trúc và các tính chất của ống nano cacbon và phân tử ADN. Mục đích của chương mới này là giới thiệu một loại chíp cảm biến quang học ở cấp độ tế bào được chế tạo từ hai vật liệu trên. Sau khi giới thiệu, chúng tôi đưa ra mô hình lý thuyết, dựa vào lí thuyết exciton trong CNNTs, và giải thích nguyên lí hoạt động của loại chíp cảm biến quang học này.