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本论文以无标记生物检测中DNA-微梁为研究对象,利用微悬臂梁实验、DNA溶液中观液晶理论、水凝胶理论、Monte Carlo方法、密度泛函理论、全原子分子动力学方法等多尺度方法,研究了近表面DNA膜粒子分布的非均匀性、DNA链几何构型的可变性以及两者对微悬臂梁复杂挠度响应和DNA膜弹性性质以及尺度效应的影响。有关方法、模型和结论不但丰富了软物质力学的理论框架,而且为DNA芯片技术以及DNA膜在生物工程和纳米材料中的广泛应用提供了技术参考。主要工作如下:(1)利用非局部密度泛函理论,采用DNA分子球链模型,考虑硬球排斥能、链接触能、直接库伦能和静电-硬球耦合能四种超额能量的贡献,研究了吸附于柱形基底表面的DNA膜内粒子分布特征和DNA膜的微观几何结构。研究表明:溶液盐离子浓度和DNA碱基片段密度、DNA膜电势沿厚度方向的分布是非均匀的。较大的基底曲率对DNA膜内的溶液盐离子和DNA碱基片段密度分布产生显著影响。(2)从DNA膜的中观液晶理论和平均场理论出发,利用DNA软圆柱模型,构造基底上双链DNA(ds DNA)膜自由能的新中观经验势,提出了揭示ds DNA膜内粒子非均布特征和DNA链可变几何特征的ds DNA-微悬臂梁静态分析的跨尺度解析模型。通过对Stachowiak实验数据的拟合,获得了适合基底上近表面系统的经验参数。通过思想压缩实验,预测了ds DNA膜的弹性模量和泊松比。研究预测出ds DNA膜弹性模量沿厚度方向的非均匀性,同时,发现溶液盐浓度或DNA碱基对数的变化会引起DNA膜的尺度效应。(3)利用DNA软圆柱模型,发展强相互作用下单链DNA(ss DNA)膜的中观液晶理论,结合我们的微悬臂梁弯曲实验,建立了强相作用下ss DNA-微悬臂梁静态分析的跨尺度解析模型。利用Monte Carlo方法,研究了金层表面ss DNA链的混乱封装模式对ss DNA膜弹性模量的影响。研究表明:能量最小系综最真实地模拟了ss DNA链的分布模式,而传统的均匀分布系综假设极大地低估了ss DNA膜的弹性模量。(4)借用水凝胶理论、Langmuir吸附定律和Poisson-Boltzmann方程,考虑DNA链上磷酸基团、氢离子和氢氧根离子、盐离子的非均匀分布,获得了DNA膜电势的解析解,并与第二章密度泛函理论和第三章连续介质模型的结果进行比对。借用Parsegian通过单分子磁镊实验和渗透压实验给出的DNA作用势,建立了p H依赖的DNA-微悬臂梁弯曲挠度和DNA膜压缩弹性模量的解析模型。挠度预测与Stachowiak实验下弯挠度和Arroyo-Hernandez实验上翘挠度拟合良好。研究预测出DNA膜电势出现正值,首次发现了DNA膜的负弹性模量。(5)利用全原子的分子动力学方法,在金(1 1 1)表面上ds DNA链六角形封装模式下,获得了系统自由能最小对应的ds DNA分子链构型。研究表明:除了高种植密度、低盐浓度或金基底带较多正电荷等极端情况之外,大多数情况下可以采用中观粗粒化圆柱模型描述ds DNA链的直链构型;ds DNA膜厚度的分子动力学模拟结果与第二章密度泛函理论和第三章连续介质模型预测结果吻合良好。另外,基于碳纳米管和石墨烯材料,设计了两种新型的DNA样品制备和样品收集装置,并采用分子动力学方法探讨了DNA纳米器件工作的可行性。