二氧化硅纳米通道内生物分子压力驱动流动的分子模拟

论文摘要

近几年随着生物芯片技术和纳流控芯片实验室技术的发展,迫切要求实现微纳流体的自动、精确的驱动,因而弄清在纳米尺度条件下流体的流动规律是非常必要的。实现微纳流体精确的驱动在技术上是一个非常大的挑战,电泳只能被用来驱动带电颗粒在纳米通道内的运动,而压力梯度却能够被用来实现在纳米通道内精确可控的流体流动,因此本文主要研究氧化硅纳米通道内流体的压力驱动流动。为了研究纳米尺度下的流体流动特性,实验研究和制造技术是非常重要的,但是在原子尺度上的实验研究是非常困难的,因此分子动力学方法提供了实验不能实现的探索纳米尺度下流体及生物分子运动规律的方法。本文使用分子动力学方法,首先建立表面改性的8.5nm宽二氧化硅纳米通道模型,并往通道中添加了生物分子、水和离子,使用charmm27力场,通过GROMACS软件模拟研究了通道内的生物分子溶液在外加压力的情况下在通道内的流动特性。模拟结果显示对通道内流体分子施加加速度的办法能够获得稳定的压力驱动流体流动。然后还模拟研究了不同表面电荷密度、通道高度、温度、压力和表面粗糙度对通道内水和生物分子的密度分布、速度分布和扩散系数的影响。结果显示表面电荷密度对近壁处的流体密度分布有很大的影响；通道高度(6.5≤h≤10.5nm)和外加压力对流体速度及扩散系数影响非常剧烈；温度对通道内水速度及扩散系数的影响较大,而对蛋白质的影响比较无规律；表面粗糙度对近壁处的流体密度及速度有剧烈的扰动。本文还模拟研究了二氧化硅纳米通道内的生物分子溶液电渗驱动现象,并理论研究了纳米通道内液体的热驱动现象,与压力驱动流动现象作对比后发现：压力驱动所能达到的流体流速及流量是最大的,使用范围也是最广泛的,电场驱动为其次,而热驱动所能达到的流体流速及流量和适用范围是最小的。最后本文还模拟研究了生物分子溶液自由和加压渗透进入微纳界面处8.5nm宽二氧化硅纳米通道的过程,研究发现,自由渗透下只有少量水分子可以沿着通道壁面扩散进入纳米通道内,而在外加压力大于临界渗透压力(α>2nm/ps2)下水和生物分子能够大量的渗透进入到纳米通道内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究方法
• 1.3.1 实验手段
• 1.3.2 计算机模拟
• 1.4 课题来源及研究内容
• 第2章 分子动力学理论过程
• 2.1 分子动力学简介
• 2.1.1 基本原理
• 2.1.2 积分算法
• 2.2 作用力场和势能
• 2.2.1 分子力场
• 2.2.2 作用势能
• 2.3 边界条件
• 2.4 系综与温度控制
• 2.4.1 分子动力学模拟的系综
• 2.4.2 温度控制
• 2.5 模拟体系的初始化
• 2.5.1 能量优化
• 2.5.2 初始速度
• 2.6 宏观物理量的统计
• 2.7 模拟步骤
• 2.8 GROMACS软件介绍
• 第3章 纳米通道内生物分子压力驱动流动模拟
• 3.1 模型的建立
• 3.1.1 二氧化硅纳米通道
• 3.1.2 水分子模型
• 3.1.3 蛋白质
• 3.1.4 粗糙壁面
• 3.2 施加特性参数
• 3.2.1 力场的选择
• 3.2.2 壁面模型的选择
• 3.2.3 压力驱动方式的选择
• 3.3 模拟体系
• 3.4 模拟过程
• 第4章 生物分子压力驱动流动结果分析与讨论
• 4.1 压力驱动下纳米通道内的流体流动分析
• 4.1.1 水密度分布
• 4.1.2 水速度分布
• 4.1.3 蛋白质密度分布
• 4.1.4 蛋白质速度分布
• 4.1.5 水和蛋白质位移的MSD与时间的变化关系曲线
• 4.2 不同表面电荷密度的影响
• 4.2.1 水密度分布对比
• 4.2.2 蛋白质密度分布对比
• 4.3 不同通道高度的影响
• 4.3.1 水密度分布对比
• 4.3.2 水速度分布对比
• 4.3.3 蛋白质密度分布对比
• 4.3.4 蛋白质速度分布对比
• 4.3.5 水和蛋白质的扩散系数与通道高度的关系
• 4.4 不同温度的影响
• 4.4.1 水速度分布对比
• 4.4.2 蛋白质速度分布对比
• 4.4.3 水和蛋白质的扩散系数与温度的关系
• 4.5 不同压力的影响
• 4.5.1 水速度分布对比
• 4.5.2 蛋白质速度分布对比
• 4.5.3 水和蛋白质扩散系数与加速度的关系
• 4.6 不同表面粗糙度的影响
• 4.6.1 水密度分布对比
• 4.6.2 水速度分布对比
• 4.6.3 蛋白质密度分布对比
• 4.6.4 蛋白质速度分布对比
• 4.7 本章小结
• 第5章 纳米通道内其他驱动方式的模拟与对比研究
• 5.1 电泳驱动的分子模拟与对比
• 5.1.1 电泳驱动模型简介
• 5.1.2 电泳驱动下的纳米通道内流体密度及速度分布
• 5.1.3 不同电场强度对流体速度及扩散系数的影响
• 5.1.4 结果对比与讨论
• 5.2 热泳驱动的理论计算与讨论
• 5.2.1 水热膨胀驱动计算
• 5.2.2 气泡热膨胀驱动计算
• 5.2.3 结果对比与讨论
• 5.3 本章小结
• 第6章 微纳界面入口处的生物分子流动模拟
• 6.1 系统模型简介
• 6.2 生物分子自由渗透进入微纳界面处纳米通道的模拟结果分析
• 6.3 生物分子加压渗透进入微纳界面处纳米通道的模拟结果分析
• 6.4 水和生物分子渗透系数与外加压力的关系
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢