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浙江大学学报（理学版）
浙江大学学报（理学版）  2023, Vol. 50 Issue (5): 580-587    DOI: 10.3785/j.issn.1008-9497.2023.05.009
物理学     
聚电解质链在柱状受限下的构象转变
高菊先(),丁斌远,何林李()
温州大学 数理学院，浙江 温州 325035
The configurational transition of polyelectrolyte chain confined in a cylinder
Juxian GAO(),Binyuan DING,Linli HE()
Department of Physics，Wenzhou University，Wenzhou 325035，Zhejiang Province，China
 全文: PDF(1811 KB)   HTML( 2 )
摘要：

采用粗粒化分子动力学模拟方法，研究了受限于圆柱体内的聚电解质链的构象行为。通过计算链平均回旋半径、平均持久长度和平均形状因子等物理量，重点探究反离子价态、链刚性和受限孔径等对聚电解质链尺寸和构象转变的影响。结果表明，受限聚电解质链可形成稳定的棒状、球状、折叠链状和环状结构。尤其在三价反离子诱导下，半刚性聚电解质链可形成稳定的环状结构，并由切向相关函数表征。通过统计反离子分布，进一步探讨了聚电解质链和离子凝结的机制。同时讨论了环的成核和生长动力学特征，为进一步揭示生物大分子在有限空间内的构象行为提供了理论指导。
关键词： 分子动力学;  受限;  链刚性;  反离子价态;  构象转变    
Abstract:

The configurational transition of polyelectrolyte chain confined in a cylinder was studied by means of coarse-grained molecular dynamics simulation. Specifically, the effects on the size and configuration transition of polyelectrolyte chain under the parameters of counterion valence, chain stiffness and confinement radius were studied by calculating the average radius of gyration, average persistence length, and average shape factor. It has been found that there are stable rod-like, globular, folded-chain and ring structures in confined space. In the case of trivalent counterions, the polyelectrolyte chain with moderate stiffness forms a stable ring structure, which can be well characterized by a tangent correlation function. The mechanism of condensation of polyelectrolyte chain and counterion is further explored by statistical analysis of polyelectrolyte chain and counterions distribution. Finally, the kinetic characteristics of the nucleation and growth of the ring structure are discussed, and the results agree with the experimental results. The results can provide a deep insight about the configurational behaviors of biological macromolecules in confined spaces.
Key words: molecular dynamics    confinement    chain stiffness    counterion valences    configuration transition
收稿日期: 2022-10-20 出版日期: 2023-09-16
CLC:  O 469  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(22273067)
通讯作者: 何林李     E-mail: 20451025005@stu.wzu.edu.cn;linlihe@wzu.edu.cn
作者简介: 高菊先（1996—），ORCID：https：//orcid.org/0000-0002-1543-9177，女，硕士研究生，主要从事高分子物理研究，E-mail： 20451025005@stu.wzu.edu.cn.
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高菊先
丁斌远
何林李

引用本文:

高菊先,丁斌远,何林李. 聚电解质链在柱状受限下的构象转变[J]. 浙江大学学报（理学版）, 2023, 50(5): 580-587.

Juxian GAO,Binyuan DING,Linli HE. The configurational transition of polyelectrolyte chain confined in a cylinder. Journal of Zhejiang University (Science Edition), 2023, 50(5): 580-587.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/sci/CN/10.3785/j.issn.1008-9497.2023.05.009    或    https://www.zjujournals.com/sci/CN/Y2023/V50/I5/580

图1  受限于孔径R=10的圆柱体内不同链刚性下的聚电解质链
图2  受限在不同孔径圆柱体内的柔性聚电解质链（b=0）
图3  受限在不同孔径圆柱体内的弱刚性聚电解质链（b=20）
图4  受限在不同孔径圆柱体内的半刚性聚电解质链（b=60）
图5  不同受限孔径和链刚性下聚电解质链的构象相图注 O表示收缩状态，X表示伸展状态。
图6  当R=10时聚电解质链的中和程度f随链刚性的变化
图7  当R=10时在三价反离子诱导下u(1)⋅u(s)随聚电解质链单元体编号s变化的振荡曲线
图8  半刚性聚电解质链（b=60）在三价反离子诱导下环结构形成的动力学过程
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