復(fù)雜多相體系中小分子跨界面行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、在一個(gè)復(fù)雜體系中，通常存在多個(gè)不同的相，相與相之間必然存在相界面。在物質(zhì)世界中，絕大多數(shù)事件都是發(fā)生在界面上，比如氣泡的形成，藥物分子的穿膜以及氣體的分離等。近年來(lái)盡管實(shí)驗(yàn)手段有了較大發(fā)展，并且使用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)甚至可以直接觀測(cè)物質(zhì)的微觀形貌。但是，實(shí)驗(yàn)技術(shù)還無(wú)法對(duì)發(fā)生在界面上的許多奇特現(xiàn)象以及其動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行探測(cè)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)具有非常高的時(shí)間與空間分辨率，且可以獲得發(fā)生在界面上的現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此，為了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)中的不足，本論文采用分

2、子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)小分子的跨界面行為進(jìn)行研究，其主要內(nèi)容如下:
　　(1)主體相納米氣泡形成和穩(wěn)定機(jī)制。主體納米氣泡是否穩(wěn)定存在具有很大的爭(zhēng)議問(wèn)題。全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)，兩親性分子在氣-液界面富集對(duì)納米氣泡穩(wěn)定性起到重要作用。隨著兩親性分子含量增加，氣泡在水溶液中發(fā)生溶解-穩(wěn)定-溶解的可逆相轉(zhuǎn)變，表明兩親性分子對(duì)主體相納米氣泡的形成和穩(wěn)定具有雙重作用。當(dāng)水溶液中兩親性分子含量較少時(shí)，兩親性分子充當(dāng)表面活性劑促進(jìn)氣泡形成。而

3、當(dāng)其含量增加到一定值時(shí)，則充當(dāng)增溶劑促進(jìn)氣泡溶解。進(jìn)一步通過(guò)研究甲烷氣體在三種不同的兩親性分子水溶液中的相轉(zhuǎn)變行為，發(fā)現(xiàn)納米氣泡在兩親性共溶劑（乙醇、尿素、兩親性的污染物等兩親性分子）和水的混合物中存在溶解-穩(wěn)定-溶解的可逆相轉(zhuǎn)變行為是一種通用現(xiàn)象。
　　(2)高氣-液界面張力作用下納米液滴與氣泡的相轉(zhuǎn)變機(jī)制。結(jié)合發(fā)生在主體相體系（給模擬體系施加一個(gè)負(fù)壓，用來(lái)抵抗界面張力導(dǎo)致的朝向納米團(tuán)簇內(nèi)部的附加壓力）和界面體系上納米團(tuán)簇的全原

4、子分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明:當(dāng)納米團(tuán)簇的曲率半徑較大時(shí)，納米團(tuán)簇以氣泡的形式存在;而半徑較小時(shí)，納米團(tuán)簇以液滴的形式存在。在沒(méi)有外來(lái)表面活性劑或者其他可以降低表面張力的情況下，高密度的納米液滴可能是造成主體相氣泡穩(wěn)定的部分原因，這可能也是實(shí)驗(yàn)上超聲探測(cè)技術(shù)在探測(cè)引起光散射的納米團(tuán)簇時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何穩(wěn)定納米氣泡的原因。
　　(3)氣體過(guò)飽和引起納米氣泡在生物膜內(nèi)成核機(jī)制。全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明:過(guò)量的氮?dú)夥肿舆M(jìn)入脂質(zhì)雙分子層時(shí)能

5、壘非常小，從而氣體分子可以自發(fā)的進(jìn)入。在較低的氮?dú)怙柡投认?，膜中的氣體分子分散在脂質(zhì)雙分子層的疏水部分，此時(shí)膜的厚度略有增加。但當(dāng)氣體的過(guò)飽和度達(dá)到一定的閾值時(shí)，氮?dú)夥肿觿t聚集在脂質(zhì)雙分子層的中心，引起脂質(zhì)雙分子層的兩層葉片去耦合形成納米氣泡。因此，這部分內(nèi)容提出了在減壓病患者體內(nèi)惰性氣體在過(guò)飽和的血液中氣泡成核機(jī)理:細(xì)胞膜作為氣體富集的一種潛在的勢(shì)阱，是納米氣泡形成的理想位置。在氣體較高的過(guò)飽和度下，可以誘導(dǎo)細(xì)胞膜損傷，最終釋放氣泡到

6、水溶液中，可以作為減壓病所需的氣泡微核。
　　(4)膽固醇對(duì)于糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨自發(fā)插入生物膜的機(jī)制。全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬和自由能量計(jì)算表明:在DPPC（二棕櫚酰磷脂酰膽堿）脂質(zhì)雙分子層中含有膽固醇的情況下，GPI錨的尾部可以通過(guò)三步機(jī)制自發(fā)地插入細(xì)胞膜的內(nèi)部。而在DPPC脂質(zhì)雙分子層中沒(méi)有膽固醇的情況下，觀察不到GPI錨的自發(fā)插入。這是由于在沒(méi)有膽固醇的脂質(zhì)雙分子層中DPPC分子具有強(qiáng)烈的熱波動(dòng)，熱波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生斥力阻止GP

7、I錨的自發(fā)插入。相反，在膽固醇存在的情況下，脂質(zhì)雙分子層中的DPPC分子的波動(dòng)明顯降低，從而降低了GPI錨插入的障礙?；谶@些觀察，提出一種假設(shè)，即在脂質(zhì)雙分子層中添加膽固醇會(huì)在膜中產(chǎn)生垂直折痕，從而有利于GPI插入到雙分子層中。此外，GPI錨也可以自發(fā)地插入到富含膽固醇和不含膽固醇的脂質(zhì)雙分子層的邊界。
　　(5)ZIF-8表面形成乙二醇半透膜捕集二氧化碳的機(jī)制。全原子分子動(dòng)力學(xué)模擬和自由能分析表明:乙二醇分子在ZIF-8表面形