文摘

分子动力学模型的纳米孔设备,类似于纳米孔在细胞膜,是用来确定在径向离子溶液浓度分布的影响,筛选效果,纳米孔的径向潜在的概要文件。从这些模拟结果表明,随着溶液浓度的增加,密度峰值为反离子和coion附近带电墙增加速度不同筛查效果出现。因此,带电纳米孔壁附近的潜在改变从消极到积极的在模拟。离子在纳米孔分布的详细了解是很重要的控制离子渗透和提高细胞转染和奈米流体设备的设计和应用。

1。介绍

血红细胞膜的离子通透性与多种生命活动有关。细胞膜的亲水纳米孔可以作为通路将生物分子插入到细胞(1,2]。离子在纳米孔分布和运输的详细了解是必要的,提高理解和控制的离子渗透率和细胞转染3- - - - - -5]。在另一方面,精密加工技术继续发展,越来越多的微/奈米流体设备设计。奈米流体设备,例如有机或无机孔和通道,主要维度与德拜长度,所以他们已经广泛用于DNA或生物分子传感的成功分离到单分子水平(6- - - - - -10]。在这些设备在基线时可以观察到离子电流调制DNA或生物分子通过纳米孔内进行。离子电流调制的分析可以用来收集感兴趣的特定DNA或生物分子信息(11- - - - - -14]。可以预期,详细了解设备的离子分布至关重要的分析期间收集的离子电流信号纳米孔若[12,13,15- - - - - -18]。然而,深入理解离子的基本物理和生物分子行为的高度限制nanoenvironment纳米传感器还远远没有完成。例如,清楚描述之间的复杂交互移动离子溶液中,表面的指控,这些指控在生物分子本身尚未提出。以前,只有简单的模型提出了解释当前的调制。缺乏精确的模型来描述离子的运输法和生物分子在微流体通道不仅限制奈米流体设备的精度,但也阻止他们更广泛的应用。分子动力学(MD)模拟是一个有用的工具来研究纳米流体。通过建模和求解复杂的运动方程,空间,每个粒子的位置和速度系统可以定义。进一步,宏观物理量,如离子径向分布程度的筛选,可以定量分析和潜在的概要文件,提供的详细程度很难到达实验。在这项工作中,一个圆柱形纳米孔的MD模型3海里半径建成并用于研究溶液浓度对离子径向分布的影响,筛选效果,和潜在的钠氯溶液在孔隙。仿真结果表明,随着溶液浓度的增加,密度峰值coion和反离子浓度增加速度不同筛查效果出现。 Due to the negative surface charges, the potential of the solution is negative near the charged nanopore wall but quickly becomes positive as the distance from the wall increases. Results from this simulation can be used to modify the current hydrodynamic model based on continuum theories and build an accurate mathematical model that can be used to describe the transport rules of ions and biomolecules confined in nanofluidic pores.

2。分子动力学模型的细节

bulk-nanopore-bulk的分子动力学模型,这是类似于纳米孔在细胞膜,如图1被建模为不同浓度的解决方案使用修改后的修补4.2 [19MD方案。纳米孔充满生理盐水溶液,与抗衡离子coions随机分布式的解决方案。初始设置coions和抗衡离子的数量模型的电中立(20.]。然而,纳米孔的墙壁是分布式和小学的指控 方向仍然冻结其初始位置在模拟(21]。模型和模拟包括溶液浓度的0.6米,1.3米,2米,1045总水分子模型中使用。Lennard-Jones (LJ)可能被用来近似一对原子之间的相互作用(20.,22]。表面电荷之间的静电相互作用、离子和水分子建模使用埃瓦尔德求和算法(22]。水分子本身建模使用SPC / E(扩展简单点电荷)[23]。表1给出了一个完整列表参数用于Lennard-Jones交互的计算(19,20.]。的第一个4 ns模拟被用来平衡系统,而以下4 ns被用来获取统计数据在不同的溶液浓度。

表1
参数Lennard-Jones交互。

图1
bulk-nanopore-bulk模型的示意图,这是一个剖视图。

定性,纳米孔的墙壁是类似于一个亲水表面。斯蒂尔潜在的用于描述固体表面和液体分子之间的相互作用。记录值的固体表面之间的相互作用和纳米孔内的分子也同意先前的结果发表在文献[20.]。斯蒂尔的潜力模拟如下: 在哪里 一个, = 42.76海里−3, 和 是获得大量硅参数: 一个和 K。液体分子参数遵守Lorentz-Berthelot规则。 纳米孔的半径,而 的距离是流体分子与纳米孔的中心。速度Verlet算法(24牛顿运动方程)是用于集成/ 2 fs的时间步骤。Berendsen恒温器(25)是用于维护系统的温度在298.0 K的时间常数0.1 ps。其他模拟的细节可以在先前发表的论文(19]。

3所示。MD模拟的结果和讨论

图2显示了抗衡离子的浓度资料沿径向方向不同的溶液浓度。由于表面负电荷,Na+墙壁表面离子吸引,同时也被斯蒂尔排斥潜在的在墙上。1.5密度最高的山峰积累远离带电墙。随着溶液浓度的增加,密度峰值强度增加而呆在相同的位置。这是因为消极的表面电荷,电荷密度,以及抗衡离子之间的静电相互作用,不改变。图3显示了Cl的剖面分布−离子。这些带负电荷的离子被纳米孔壁表面的指控,同时也被重新安置的钠离子吸引了附近的墙上。基于这些部队,密度峰值位于远离带电墙在第3.5密度谷Na+离子。Na的密度+离子的增加,更多的Cl−离子被吸引和积累,导致增加密度的峰值,但速度不同。Na+离子密度被认为比Cl增加得更慢−离子。这种行为是由于这一事实附近密度最高的位置高了Na+离子强烈拒绝对方,因此限制不断积累。在Cl−离子,峰值密度增加相对更快,因为它不仅由溶液浓度也影响密度峰值的Na+离子。


图2
不同浓度的径向分布Na+离子在纳米孔。

图3
不同浓度的氯的径向分布−离子在纳米孔。

筛选的表面电荷由于离子在溶液中是计算使用溶液浓度的0.6米,1.3米和2米。筛选因子定义如下(14]: 在哪里 是法拉第常数, 表示离子的浓度 在这个职位 , 表面电荷密度。 对应于overscreening表面电荷。图4显示了筛选因子由沿着纳米孔半径不同的溶液浓度。随着溶液浓度的增加,墙和之间的距离的表面电荷是overscreened减少,和热运动的影响双电层变得相对较弱,更从表面离子屏蔽的指控。很明显,屏蔽效果受溶液浓度的影响。纳米孔内的潜力与表面电荷密度和浓度的解决方案。图5显示了溶液浓度对潜在的影响。潜在的计算使用库仑定律和叠加点电荷的原则。这个方程可以写成 在这 是转换常数, 在溶液中离子的总数和元电荷表面上, 电量由离子吗 或其元电荷, 参考点(作为孔隙中心点)的电压为零,然后呢 离子的位置吗 。由于表面负电荷计算潜在的收费墙附近是消极的,但很快就会变得积极随着距离墙上的增加和Na+离子积累了。更高浓度的解决方案是使用,这种现象变得越来越明显。


图4
筛选因子浓度沿半径不同的解决方案。

图5
潜在的剖面沿半径不同的溶液浓度。

4所示。结论

MD模拟被用来研究径向离子分布,筛选因素,电位分布与不同浓度的解决方案在一个圆柱形纳米孔。仿真结果表明,随着溶液浓度的增加反离子的密度的峰值和coion也增加,但不是线性的。由于表面电荷的密度保持不变,Na+离子密度峰值只是受到溶液浓度的影响。与此同时,Cl−离子密度峰值影响不仅通过溶液浓度也Na的密度+离子。因此,密度的峰值Na+比Cl离子增加得更慢−离子。随着溶液浓度的增加,更多的钠离子带电墙附近的积累,使筛选效果更明显。计算潜在的有关纳米孔的电荷密度和净空间电荷扩散双电层的一部分。由于表面负电荷,潜力是消极指控墙附近,变得更积极远离带电墙。这些结果可以作为一个重要参考价值的理论研究离子通透性和细胞转染以及奈米流体设备的设计用于DNA和生物分子的分离检测。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51505233)、江苏省自然科学基金(BK20140726),中央大学和基础研究基金(KYZ201558 KJQN201622)。