大分子穿越納米孔進入和逃離封閉受限空間的動力學.pdf

1、大分子穿越納米孔進入和逃離受限空間的現象普遍存在于生命體系中，是個極為復雜的過程。鏈的構象熵、彎曲能以及輸運過程的非平衡性對鏈的穿孔輸運動力學會產生重要的影響，深入解析其中的動力學機理是高分子科學領域的核心問題之一，有助于我們對生命現象的理解。基于標度函數和blob理論，運用朗之萬動力學模擬，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入和逃離受限空間的輸運動力學。
　　首先，我們研究了二維和三維空間中柔性大分子在

2、外力驅動下進入球形受限體系的輸運動力學。大分子鏈進入二維和三維球形受限空間的穿越成功率Ptrans隨著驅動力的增大先快速增加，而后趨于飽和，Ptrans與體積分數φ大小無關。鏈在進入受限空間的輸運過程中出現“停頓”現象，受限程度越大，“停頓”發(fā)生的越頻繁、時間越長。穿越時間τ的分布受驅動力F和體積分數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（體積分數φ小）或強驅動下，輸運時間τ均呈高斯分布;在強受限（體積分數φ大）下，

3、τ呈長尾分布。研究表明，二維和三維空間中體積分數φ、鏈長N和驅動力F對穿孔輸運時間τ有著顯著影響;隨著體積分數φ的增大，鏈在進入受限空間中的自由能障礙增加，τ與φ的標度指數會發(fā)生躍遷;穿越時間τ與鏈長N呈τ～Nα關系，當驅動力和體積分數較小時α=2v，其中v為Flory指數;鏈在進入三維球形受限空間時，輸運時間τ與體積分數φ呈τ～φ1+1/(3v3-1)～φ2.25（v3=0.588）的標度關系;驅動力F的增加可以顯著提高穿越速度。通過

4、考察成功輸運后的鏈構象和輸運過程中每個珠子所需要的時間，發(fā)現大分子進入受限空間的輸運是個非平衡的動力學過程，非平衡效應對穿越過程的影響不可忽視。
　　其次，針對二維受限空間的形狀與鏈的剛性對輸運動力學的影響，我們研究發(fā)現柔性鏈和半剛性鏈在進入不同形狀受限空間動力學行為有著顯著差異。就柔性鏈來說，當體積分數相同時，大分子鏈進入各向異性空間（如橢球）的速度比進入各向同性空間（如圓球）明顯慢;提高橢球的長短軸比，輸運時間增加;同時，大分

5、子鏈從橢球的長軸方向進入與從短軸方向進入輸運速度有差異，且與鏈的受限程度有著密切的相關性，存在一個臨界點φc，當φ＜φc時從橢球形受限空間的短軸方向進入的輸運快，反之亦然。對于半剛性鏈來說，由于剛性的增加導致鏈在進入受限空間時受到的彎曲抵抗力增大，輸運的速度會明顯變慢，完成穿越過程需要的時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入速度快;而在強受限時，鏈進入受限橢球空間的時間與鏈的剛性κ和長短軸有著強相

6、關性，剛性小的鏈從橢球的長軸方向進入需要的時間短，剛性大的鏈從短軸方向進入速度快。
　　最后，我們研究了大分子鏈通過納米孔從三維受限球狀空間中逃逸的動力學問題。發(fā)現逃逸成功率Ptrans隨著高分子鏈在受限空間中所占體積分數φ的增加而增大，當增加到一定程度時逃逸成功率Ptrans接近于1。受限空間的逃逸時間τejection的分布隨著體積分數φ的變化呈現出不同程度的長尾分布。研究表明，逃逸時間τejection隨著鏈長N的增加而增大