大分子穿越納米孔進(jìn)入和逃離封閉受限空間的動(dòng)力學(xué).pdf

1、大分子穿越納米孔進(jìn)入和逃離受限空間的現(xiàn)象普遍存在于生命體系中，是個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程。鏈的構(gòu)象熵、彎曲能以及輸運(yùn)過(guò)程的非平衡性對(duì)鏈的穿孔輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)會(huì)產(chǎn)生重要的影響，深入解析其中的動(dòng)力學(xué)機(jī)理是高分子科學(xué)領(lǐng)域的核心問(wèn)題之一，有助于我們對(duì)生命現(xiàn)象的理解?；跇?biāo)度函數(shù)和blob理論，運(yùn)用朗之萬(wàn)動(dòng)力學(xué)模擬，我們系統(tǒng)的研究了二維和三維空間中柔性鏈和半剛性鏈穿越納米孔進(jìn)入和逃離受限空間的輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)。
　　首先，我們研究了二維和三維空間中柔性大分子在

2、外力驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入球形受限體系的輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)。大分子鏈進(jìn)入二維和三維球形受限空間的穿越成功率Ptrans隨著驅(qū)動(dòng)力的增大先快速增加，而后趨于飽和，Ptrans與體積分?jǐn)?shù)φ大小無(wú)關(guān)。鏈在進(jìn)入受限空間的輸運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)“停頓”現(xiàn)象，受限程度越大，“停頓”發(fā)生的越頻繁、時(shí)間越長(zhǎng)。穿越時(shí)間τ的分布受驅(qū)動(dòng)力F和體積分?jǐn)?shù)φ大小的影響較為顯著，不論是二維空間還是三維空間，在弱受限（體積分?jǐn)?shù)φ?。┗驈?qiáng)驅(qū)動(dòng)下，輸運(yùn)時(shí)間τ均呈高斯分布;在強(qiáng)受限（體積分?jǐn)?shù)φ大）下，

3、τ呈長(zhǎng)尾分布。研究表明，二維和三維空間中體積分?jǐn)?shù)φ、鏈長(zhǎng)N和驅(qū)動(dòng)力F對(duì)穿孔輸運(yùn)時(shí)間τ有著顯著影響;隨著體積分?jǐn)?shù)φ的增大，鏈在進(jìn)入受限空間中的自由能障礙增加，τ與φ的標(biāo)度指數(shù)會(huì)發(fā)生躍遷;穿越時(shí)間τ與鏈長(zhǎng)N呈τ～Nα關(guān)系，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力和體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)α=2v，其中v為Flory指數(shù);鏈在進(jìn)入三維球形受限空間時(shí)，輸運(yùn)時(shí)間τ與體積分?jǐn)?shù)φ呈τ～φ1+1/(3v3-1)～φ2.25（v3=0.588）的標(biāo)度關(guān)系;驅(qū)動(dòng)力F的增加可以顯著提高穿越速度。通過(guò)

4、考察成功輸運(yùn)后的鏈構(gòu)象和輸運(yùn)過(guò)程中每個(gè)珠子所需要的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)大分子進(jìn)入受限空間的輸運(yùn)是個(gè)非平衡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，非平衡效應(yīng)對(duì)穿越過(guò)程的影響不可忽視。
　　其次，針對(duì)二維受限空間的形狀與鏈的剛性對(duì)輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)的影響，我們研究發(fā)現(xiàn)柔性鏈和半剛性鏈在進(jìn)入不同形狀受限空間動(dòng)力學(xué)行為有著顯著差異。就柔性鏈來(lái)說(shuō)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，大分子鏈進(jìn)入各向異性空間（如橢球）的速度比進(jìn)入各向同性空間（如圓球）明顯慢;提高橢球的長(zhǎng)短軸比，輸運(yùn)時(shí)間增加;同時(shí)，大分

5、子鏈從橢球的長(zhǎng)軸方向進(jìn)入與從短軸方向進(jìn)入輸運(yùn)速度有差異，且與鏈的受限程度有著密切的相關(guān)性，存在一個(gè)臨界點(diǎn)φc，當(dāng)φ＜φc時(shí)從橢球形受限空間的短軸方向進(jìn)入的輸運(yùn)快，反之亦然。對(duì)于半剛性鏈來(lái)說(shuō)，由于剛性的增加導(dǎo)致鏈在進(jìn)入受限空間時(shí)受到的彎曲抵抗力增大，輸運(yùn)的速度會(huì)明顯變慢，完成穿越過(guò)程需要的時(shí)間比柔性鏈要大的多;在弱受限下，不論鏈的剛性如何變化，鏈從橢球的短軸方向進(jìn)入速度快;而在強(qiáng)受限時(shí)，鏈進(jìn)入受限橢球空間的時(shí)間與鏈的剛性κ和長(zhǎng)短軸有著強(qiáng)相

6、關(guān)性，剛性小的鏈從橢球的長(zhǎng)軸方向進(jìn)入需要的時(shí)間短，剛性大的鏈從短軸方向進(jìn)入速度快。
　　最后，我們研究了大分子鏈通過(guò)納米孔從三維受限球狀空間中逃逸的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)逃逸成功率Ptrans隨著高分子鏈在受限空間中所占體積分?jǐn)?shù)φ的增加而增大，當(dāng)增加到一定程度時(shí)逃逸成功率Ptrans接近于1。受限空間的逃逸時(shí)間τejection的分布隨著體積分?jǐn)?shù)φ的變化呈現(xiàn)出不同程度的長(zhǎng)尾分布。研究表明，逃逸時(shí)間τejection隨著鏈長(zhǎng)N的增加而增大