高分子鏈通過(guò)管道輸運(yùn)的蒙特卡羅模擬.pdf

1、高分子鏈通過(guò)納米管道的輸運(yùn)是物理、化學(xué)和生物領(lǐng)域的重要課題，這歸因于其在生命過(guò)程中的普遍性以及在科技領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。例如:RNA、蛋白質(zhì)、糖等生物大分子通過(guò)核孔的運(yùn)動(dòng)，DNA分離和測(cè)序技術(shù)、藥物緩釋技術(shù)等。考慮到管道尺寸遠(yuǎn)比鏈的自由尺寸小，因此在輸運(yùn)過(guò)程中鏈與管道間存在強(qiáng)烈的相互作用，從而使鏈與管道間的相互作用成為影響輸運(yùn)過(guò)程的重要影響因素之一。大多數(shù)理論和模擬工作都研究高分子鏈通過(guò)均質(zhì)管道的輸運(yùn)，即鏈與管道相互作用在管道長(zhǎng)度方向上不變

2、化。但在實(shí)際系統(tǒng)中，管道可由多種成分構(gòu)成，即管道為復(fù)合管道，從而使鏈與管道間的相互作用在管道長(zhǎng)度方向上發(fā)生變化，而這一變化可能會(huì)對(duì)輸運(yùn)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。另外，人們對(duì)單鏈系統(tǒng)的輸運(yùn)已有了深入的理解，而對(duì)多鏈系統(tǒng)中鏈的輸運(yùn)的認(rèn)識(shí)還很有限。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，如DNA分離，系統(tǒng)中都包含多條不同種類(lèi)的高分子鏈。
　　本文用蒙特卡羅模擬結(jié)合理論分析的方法研究了高分子鏈通過(guò)復(fù)合管道的輸運(yùn)過(guò)程，其中復(fù)合管道在管道長(zhǎng)度方向上由兩種不同的成分組成，

3、不同成分與鏈之間的相互作用不同，旨在揭示管道的復(fù)合性對(duì)輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)的影響。另外，本文還用蒙特卡羅方法研究了包含兩種鏈的多鏈系統(tǒng)通過(guò)均質(zhì)管道的輸運(yùn)，并嘗試通過(guò)改變鏈與管道間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種鏈的分離。本論文的主要工作和結(jié)果如下:
　　(1)均質(zhì)高分子鏈通過(guò)復(fù)合管道的輸運(yùn)。復(fù)合管道由α、β兩部分構(gòu)成，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)α和Lβ。高分子鏈與α部分之間存在固定的強(qiáng)相互作用εα，與β部分存在可變的相互作用εβ。結(jié)果表明，Lα和εβ均對(duì)輸運(yùn)過(guò)程有重

4、要影響，而且當(dāng)Lα和εβ取合適值時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高分子鏈的快速輸運(yùn)。當(dāng)εβ比較大時(shí)，高分子鏈很難逃離管道，因此整個(gè)輸運(yùn)過(guò)程由輸運(yùn)后期的逃離過(guò)程控制。當(dāng)Lα比較小且εβ＜＜εα?xí)r，整個(gè)輸運(yùn)過(guò)程由輸運(yùn)初期的填充過(guò)程主導(dǎo)。在這種情形下，高分子鏈運(yùn)動(dòng)到管道α和β兩部分交界面時(shí)會(huì)受到一自由能阱的影響，該自由能阱不僅會(huì)影響填充動(dòng)力學(xué)過(guò)程而且會(huì)影響輸運(yùn)概率。我們的結(jié)果表明可以通過(guò)設(shè)計(jì)人工復(fù)合管道控制高分子鏈的輸運(yùn)概率和輸運(yùn)時(shí)間。
　　(2)均質(zhì)高分子

5、鏈通過(guò)“三明治”復(fù)合管道的輸運(yùn).復(fù)合管道中間為β部分（長(zhǎng)度為L(zhǎng)β），兩端為α部分（分別為長(zhǎng)度為L(zhǎng)α1的α1部分和長(zhǎng)度為L(zhǎng)α2的α2部分）。高分子鏈與管道的α部分間存在強(qiáng)吸引作用，而與管道的β部分間存在純排斥作用。結(jié)果表明，管道β部分的長(zhǎng)度及其在管道內(nèi)的位置（用Lα1描述）對(duì)輸運(yùn)過(guò)程有顯著影響。當(dāng)Lβ比較大而Lα1比較小時(shí)，高分子鏈需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)入管道，輸運(yùn)過(guò)程主要受填充過(guò)程主導(dǎo)。當(dāng)Lβ比較小時(shí)，高分子鏈很難逃離管道，輸運(yùn)過(guò)程主要

6、受逃離過(guò)程主導(dǎo)。在這種情形下，當(dāng)β部分在管道內(nèi)的位置合適時(shí)，高分子鏈可以快速通過(guò)管道。在進(jìn)入管道過(guò)程中，高分子鏈會(huì)在管道α1和β兩部分交界面處遇到一個(gè)自由能阱，而在逃離管道過(guò)程中，高分子鏈會(huì)在靠近管道出口附近遇到另一個(gè)自由能阱。高分子鏈在填充過(guò)程和逃離過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)規(guī)律分別受上述兩個(gè)自由能阱的影響。
　　(3)兩嵌段高分子鏈(ANABNB)通過(guò)復(fù)合管道的輸運(yùn)。復(fù)合管道由α、β兩部分構(gòu)成，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)α和Lβ。A鏈段與管道α部分之間

7、存在強(qiáng)吸引作用，而其他相互作用則為純排斥。結(jié)果表明，高分子鏈的輸運(yùn)過(guò)程高度依賴(lài)Lα，輸運(yùn)時(shí)間隨Lα的變化存在兩個(gè)明顯的極大值。我們利用輸運(yùn)過(guò)程中的自由能圖象討論了上述兩個(gè)極大值的物理機(jī)制。第一個(gè)極大值出現(xiàn)的位置與NA無(wú)關(guān)，該位置對(duì)應(yīng)于A鏈段全部進(jìn)入管道前自由能阱最深的位置。第二個(gè)峰出現(xiàn)在NAbx處，其中bx為管道內(nèi)的高分子鏈鍵長(zhǎng)在管道長(zhǎng)度方向上的平均投影長(zhǎng)度，該峰的出現(xiàn)源于A鏈段長(zhǎng)度與管道α部分長(zhǎng)度的匹配。我們的模擬結(jié)果說(shuō)明利用復(fù)合管道

8、可以有效地調(diào)控嵌段高分子鏈的輸運(yùn)過(guò)程。
　　(4)利用管道對(duì)不同高分子鏈進(jìn)行分離。高分子多鏈系統(tǒng)包含A、B兩種不同類(lèi)型的高分子鏈，兩種鏈與管道之間的相互作用不同。結(jié)果表明，任意一種鏈通過(guò)管道的概率都與該鏈與管道間的相互作用及其在管道內(nèi)受到的驅(qū)動(dòng)力大小有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力比較弱時(shí)，兩種鏈的輸運(yùn)存在可分離區(qū)域，在可分離區(qū)域中一種鏈總是先于另一種鏈通過(guò)管道。我們給出了包含分離區(qū)和混合區(qū)的相圖，并研究了高分子鏈多鏈系統(tǒng)在輸運(yùn)過(guò)程中的先