高分子鏈通過管道輸運的蒙特卡羅模擬.pdf

1、高分子鏈通過納米管道的輸運是物理、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核孔的運動，DNA分離和測序技術(shù)、藥物緩釋技術(shù)等?？紤]到管道尺寸遠比鏈的自由尺寸小，因此在輸運過程中鏈與管道間存在強烈的相互作用，從而使鏈與管道間的相互作用成為影響輸運過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均質(zhì)管道的輸運，即鏈與管道相互作用在管道長度方向上不變

2、化。但在實際系統(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度方向上發(fā)生變化，而這一變化可能會對輸運過程產(chǎn)生重要影響。另外，人們對單鏈系統(tǒng)的輸運已有了深入的理解，而對多鏈系統(tǒng)中鏈的輸運的認識還很有限。但是，在實際應(yīng)用中，如DNA分離，系統(tǒng)中都包含多條不同種類的高分子鏈。
　　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復(fù)合管道的輸運過程，其中復(fù)合管道在管道長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)合性對輸運動力學(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)通過均質(zhì)管道的輸運，并嘗試通過改變鏈與管道間的相互作用來實現(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)高分子鏈通過復(fù)合管道的輸運。復(fù)合管道由α、β兩部分構(gòu)成，長度分別為Lα和Lβ。高分子鏈與α部分之間存在固定的強相互作用εα，與β部分存在可變的相互作用εβ。結(jié)果表明，Lα和εβ均對輸運過程有重

4、要影響，而且當Lα和εβ取合適值時可以實現(xiàn)高分子鏈的快速輸運。當εβ比較大時，高分子鏈很難逃離管道，因此整個輸運過程由輸運后期的逃離過程控制。當Lα比較小且εβ＜＜εα?xí)r，整個輸運過程由輸運初期的填充過程主導(dǎo)。在這種情形下，高分子鏈運動到管道α和β兩部分交界面時會受到一自由能阱的影響，該自由能阱不僅會影響填充動力學(xué)過程而且會影響輸運概率。我們的結(jié)果表明可以通過設(shè)計人工復(fù)合管道控制高分子鏈的輸運概率和輸運時間。
　　(2)均質(zhì)高分子

5、鏈通過“三明治”復(fù)合管道的輸運.復(fù)合管道中間為β部分（長度為Lβ），兩端為α部分（分別為長度為Lα1的α1部分和長度為Lα2的α2部分）。高分子鏈與管道的α部分間存在強吸引作用，而與管道的β部分間存在純排斥作用。結(jié)果表明，管道β部分的長度及其在管道內(nèi)的位置（用Lα1描述）對輸運過程有顯著影響。當Lβ比較大而Lα1比較小時，高分子鏈需要花費很長時間才能進入管道，輸運過程主要受填充過程主導(dǎo)。當Lβ比較小時，高分子鏈很難逃離管道，輸運過程主要

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

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

8、可以有效地調(diào)控嵌段高分子鏈的輸運過程。
　　(4)利用管道對不同高分子鏈進行分離。高分子多鏈系統(tǒng)包含A、B兩種不同類型的高分子鏈，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)動力大小有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)，當驅(qū)動力比較弱時，兩種鏈的輸運存在可分離區(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)在輸運過程中的先