高分子鏈小孔移位的蒙特卡羅模擬.pdf

1、高分子鏈經納米小孔或管道移位的動力學問題是當前一個比較活躍的課題，其在化工和生物系統(tǒng)中存在廣泛應用，比如DNA和RNA分子經細胞核膜上的小孔的移位、蛋白質在膜管道中的輸運以及RNA從病毒細胞進入健康細胞等。此外在技術應用領域中也廣泛存在這種現象，如DNA分子快速序列測定、藥物傳遞控制等。在凝聚態(tài)物理中，高分子鏈在移位過程中受兩個關鍵因素控制：自由能輪廓和外部驅動力。自由能輪廓依賴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、物質的相互作用等，而驅動力可以是小孔兩邊的化學勢差或者帶電高分子鏈在電場中的作用力。
　　 本文主要研究了高分子鏈在驅動力作用下經小孔移位的動力學過程。我們采用動力學MonteCarlo方法，模擬三維簡立方格點上自回避高分子鏈從cis空間經小孔移位進入trans空間的過程。模擬主要考慮了鏈與小孔的相互作用、驅動力、空間中的其他物質以及trans空間的吸引壁對高分子鏈移位的影響。我們計算了不同條件下的移位時間τ，檢查了τ與鏈長和驅

3、動力的標度關系，并研究了高分子鏈在擁擠環(huán)境的擴散性質。本論文的主要工作如下：
　　 (1)模擬高分子鏈在化學勢差作用下經有相互作用小孔的移位過程。對于不同的鏈-孔相互作用和化學勢差，發(fā)現存在三種移位模式。高分子鏈在移位過程中沒有足夠時間來調整其構象，因此高分子鏈的移位是一個非平衡態(tài)過程。這個結果可以影響移位時間與相互作用和化學勢差的依賴關系。隨著化學勢差的增加，移位時間以冪指數形式下降，其指數的大小依賴于鏈-孔相互作用。在弱鏈-

4、孔吸引作用下，指數值小于1，這個結果可以用非平衡態(tài)的移位過程來解釋。
　　 (2)我們使用的格點鍵長漲落高分子鏈模型在稀溶液中的運動屬于Rouse動力學。分別在無驅動和強驅動條件下，我們研究了標度關系τ～NαF-δ。在無驅動的情況下，高分子鏈經無相互作用的小孔移位的標度指數α=2.48，這與理論預期值α=2+2v-γ1相符。而強驅動的情況下，我們得到α=1.35。α與鏈-孔相互作用有關，當鏈-孔為強吸引作用時，無驅動和強驅動下的

5、指數值分別為α=2.35和α=1.22。模擬得到α值的范圍可以把DNA快速移位的標度值α=1.27包含進來。與驅動力相關的標度指數δ在中等驅動強度下約為0.86，我們發(fā)現δ與鏈-孔相互作用存在輕微的依賴關系。
　　 (3)考慮在trans空間放置一無窮大吸引壁對高分子鏈經小孔移位的影響。trans空間的吸引壁對移位過程表現出兩個相反的作用：其排斥體積作用阻礙高分子鏈的移位，而壁對鏈的吸引作用加速鏈的移位。在一個臨界的鏈-壁相互作

6、用ε*下，移位時間與壁到小孔的距離無關。ε*的值與鏈長和化學勢差無關。ε*的值與高分子鏈吸附到平面的臨界吸附能一致。移位時間與鏈長存在標度關系，標度指數為1.30±0.05，在N△μ值足夠大的情況下，這個值與化學勢差和鏈-壁相互作用無關。
　　 (4)研究了分子伴侶對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。模擬得到一個特殊的鏈-分子伴侶相互作用，可以使得移位時