高分子鏈小孔移位的蒙特卡羅模擬.pdf

1、高分子鏈經(jīng)納米小孔或管道移位的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是當(dāng)前一個(gè)比較活躍的課題，其在化工和生物系統(tǒng)中存在廣泛應(yīng)用，比如DNA和RNA分子經(jīng)細(xì)胞核膜上的小孔的移位、蛋白質(zhì)在膜管道中的輸運(yùn)以及RNA從病毒細(xì)胞進(jìn)入健康細(xì)胞等。此外在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中也廣泛存在這種現(xiàn)象，如DNA分子快速序列測(cè)定、藥物傳遞控制等。在凝聚態(tài)物理中，高分子鏈在移位過(guò)程中受兩個(gè)關(guān)鍵因素控制：自由能輪廓和外部驅(qū)動(dòng)力。自由能輪廓依賴(lài)于高分子鏈所處的受限環(huán)境、鏈-孔的相互作用、鏈與空間中其他

2、物質(zhì)的相互作用等，而驅(qū)動(dòng)力可以是小孔兩邊的化學(xué)勢(shì)差或者帶電高分子鏈在電場(chǎng)中的作用力。
　　 本文主要研究了高分子鏈在驅(qū)動(dòng)力作用下經(jīng)小孔移位的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。我們采用動(dòng)力學(xué)MonteCarlo方法，模擬三維簡(jiǎn)立方格點(diǎn)上自回避高分子鏈從cis空間經(jīng)小孔移位進(jìn)入trans空間的過(guò)程。模擬主要考慮了鏈與小孔的相互作用、驅(qū)動(dòng)力、空間中的其他物質(zhì)以及trans空間的吸引壁對(duì)高分子鏈移位的影響。我們計(jì)算了不同條件下的移位時(shí)間τ，檢查了τ與鏈長(zhǎng)和驅(qū)

3、動(dòng)力的標(biāo)度關(guān)系，并研究了高分子鏈在擁擠環(huán)境的擴(kuò)散性質(zhì)。本論文的主要工作如下：
　　 (1)模擬高分子鏈在化學(xué)勢(shì)差作用下經(jīng)有相互作用小孔的移位過(guò)程。對(duì)于不同的鏈-孔相互作用和化學(xué)勢(shì)差，發(fā)現(xiàn)存在三種移位模式。高分子鏈在移位過(guò)程中沒(méi)有足夠時(shí)間來(lái)調(diào)整其構(gòu)象，因此高分子鏈的移位是一個(gè)非平衡態(tài)過(guò)程。這個(gè)結(jié)果可以影響移位時(shí)間與相互作用和化學(xué)勢(shì)差的依賴(lài)關(guān)系。隨著化學(xué)勢(shì)差的增加，移位時(shí)間以?xún)缰笖?shù)形式下降，其指數(shù)的大小依賴(lài)于鏈-孔相互作用。在弱鏈-

4、孔吸引作用下，指數(shù)值小于1，這個(gè)結(jié)果可以用非平衡態(tài)的移位過(guò)程來(lái)解釋。
　　 (2)我們使用的格點(diǎn)鍵長(zhǎng)漲落高分子鏈模型在稀溶液中的運(yùn)動(dòng)屬于Rouse動(dòng)力學(xué)。分別在無(wú)驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)驅(qū)動(dòng)條件下，我們研究了標(biāo)度關(guān)系τ～NαF-δ。在無(wú)驅(qū)動(dòng)的情況下，高分子鏈經(jīng)無(wú)相互作用的小孔移位的標(biāo)度指數(shù)α=2.48，這與理論預(yù)期值α=2+2v-γ1相符。而強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的情況下，我們得到α=1.35。α與鏈-孔相互作用有關(guān)，當(dāng)鏈-孔為強(qiáng)吸引作用時(shí)，無(wú)驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)驅(qū)動(dòng)下的

5、指數(shù)值分別為α=2.35和α=1.22。模擬得到α值的范圍可以把DNA快速移位的標(biāo)度值α=1.27包含進(jìn)來(lái)。與驅(qū)動(dòng)力相關(guān)的標(biāo)度指數(shù)δ在中等驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度下約為0.86，我們發(fā)現(xiàn)δ與鏈-孔相互作用存在輕微的依賴(lài)關(guān)系。
　　 (3)考慮在trans空間放置一無(wú)窮大吸引壁對(duì)高分子鏈經(jīng)小孔移位的影響。trans空間的吸引壁對(duì)移位過(guò)程表現(xiàn)出兩個(gè)相反的作用：其排斥體積作用阻礙高分子鏈的移位，而壁對(duì)鏈的吸引作用加速鏈的移位。在一個(gè)臨界的鏈-壁相互作

6、用ε*下，移位時(shí)間與壁到小孔的距離無(wú)關(guān)。ε*的值與鏈長(zhǎng)和化學(xué)勢(shì)差無(wú)關(guān)。ε*的值與高分子鏈吸附到平面的臨界吸附能一致。移位時(shí)間與鏈長(zhǎng)存在標(biāo)度關(guān)系，標(biāo)度指數(shù)為1.30±0.05，在N△μ值足夠大的情況下，這個(gè)值與化學(xué)勢(shì)差和鏈-壁相互作用無(wú)關(guān)。
　　 (4)研究了分子伴侶對(duì)高分子鏈移位的影響。分子伴侶可以加速或者減慢鏈的移位過(guò)程，主要取決于分子伴侶的濃度以及鏈與分子伴侶的相互作用。模擬得到一個(gè)特殊的鏈-分子伴侶相互作用，可以使得移位時(shí)