納米通道中不同流場條件下高分子鏈稀溶液運動特性的分子動力學模擬.pdf

1、近些年，微加工技術快速發(fā)展，產生了一批功能復雜、結構緊湊的微納流體器件，廣泛的應用于化學、生物、生命科學等領域，其中最為典型的代表是微流控芯片。微流控芯片的結構特征是微納米通道網絡，它們將芯片上功能不同的各個部分連接起來，在進行基因測序、分離與檢測時，DNA和蛋白質等高分子化合物的運動均發(fā)生在這些通道內。由于通道的受限作用及外部流場的存在，高分子鏈的運動是一個非常復雜的動力學過程，受到眾多因素的影響，如分子鏈的柔順性、外部驅動力的大小、

2、受限程度的強弱及壁面性質等等，高分子鏈可以呈現出的構象將受到限制，所以表現出完全不同于本體的運動行為。但傳統(tǒng)的實驗和理論方法在研究高分子鏈微觀運動過程方面具有一定的難度，而數值模擬方法研究納米通道內高分子鏈的性質，可預測DNA、蛋白質等生物大分子在納米通道內流動或靜止生物溶液中的動態(tài)特性及構象，從而為優(yōu)化微流控芯片內部的控制和傳輸，設計出更緊湊、更高效的微納流體器件提供理論依據。
　　本文運用分子動力學模擬方法研究納米通道內高分子

3、鏈的傳輸特性，首先研究了非受限環(huán)境內高分子鏈稀溶液的構象參數和動態(tài)特性。再采用平衡分子動力學方法研究了兩平行平板構成的納米通道內的高分子鏈稀溶液，獲得了高分子鏈的構象及運動特性。在前面工作的基礎上，本文引進兩種不同的剪切流場：泊肅葉流和庫埃特流，采用非平衡分子動力學方法，系統(tǒng)的研究在壁面與流場兩種作用相互耦合時高分子鏈的運動特性。本文通過分子動力學研究取得的主要成果如下：
　　1)當高分子鏈處于非受限環(huán)境中時，隨著鏈長的增加，它的

4、回轉半徑呈指數增加，其構象變得越卷曲，隨機運動能力逐漸減弱；溶液密度的增大不僅限制了高分子鏈的隨機運動能力、增強了團聚現象，而且導致了松弛時間的增加。
　　2）無論長鏈還是短鏈，隨著通道高度和接觸角的增大，高分子鏈的構象實現了從二維構象向三維構象的轉變；壁面的存在阻礙了短鏈的隨機運動能力，而對于長鏈，納米通道既有阻礙高分子鏈運動的作用同時也具有解纏結的作用；通道高度一定時，隨著鏈長的增大，高分子更易呈現伸展狀態(tài)，且主要在通道中心區(qū)

5、域運動。
　　3）高分子鏈處于泊肅葉流場內時，隨著外力的增加，它的構象實現了從團聚狀向伸展狀的轉變，通道中心的密度值隨著外力的增加而增大，密度分布曲線由單峰分布變?yōu)閮蓪ΨQ尖峰分布；無論外力如何改變，質心的位移隨時間均呈直線變化；當通道高度和施加的外力一定時，高分子鏈在 x方向的移動速率及隨機運動能力隨著鏈長的增大逐漸增強，所以當納米通道內包含不同鏈長的高分子鏈時，長鏈最先被分離出來。
　　4）當納米通道內存在庫埃特流場時，隨