介电泳驱动纳米胶体分离的分子动力学模拟

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1、中国科学E辑：技术科学2009年第39卷第6期：1152—1158WWW．scichina．comtech．scichina．com(中同科学>杂志社SCIENCEINCHINAPRESS介电泳驱动纳米胶体分离的分子动力学模拟倪中华4，张鑫杰，易红江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，东南大学机械工程学院，南京210096oE—mail：nzh2003@∞u．edU．cn收稿日期：2008．08．18；接受日期：2008．12．30国家高技术研究发展计划(“863”计划)(批准号：2006AA042351)和国家自然科学基金(批准号：50675033，30770553)资助项目摘

2、要采用非平衡态分子动力学法对纳米胶体及其溶液环境进行建模，通过对模型系统施加非均匀电场，使胶体带有相反的极性．在较高的电场强度和较低的系统温度情况下介电泳驱动胶体分离的现象较为明显，对胶体的介电泳速度与溶剂粒子热运动速度比值进行研究，发现比值较大时，胶体与溶剂粒子的撞击较为剧烈，使得胶体的速度出现大幅度的波动．改变电场强度进行模拟，发现电场强度的增大能加快胶体的分离，但当电场强度增大到一定程度时，由于溶剂粒子对胶体的摩擦阻力很大，使得分离运动开始变慢．此外，在分析胶体位能的基础上研究胶体的分离原因，发现胶体电偶极化后胶体之间的吸引位能变小，而温度的升高使得吸引位能变小，排斥位能增大，这

3、与DLVO理论得出的结论相一致．关键词分子动力学介电泳DLVO理论任何材质都具有一定的介电特性，在外加电场作用下，它们会受到不同程度的极化，如果施加非均匀电场，那么极化粒子就会受到一份净电场力，即介电泳力．因此，可极化粒子在非匀强电场中的运动就被称为介电泳(Dielectrophoresis，DEP)1¨．自Pohl于1978年建立传统介电泳力的计算模型以来，介电泳基础理论研究开始迅速发展1241，且基于介电泳理论的操纵技术逐渐被应用于生物粒子的分离、输运、捕捉及分类等各种操作．近年来，随着微机电系统(Micro—Electro—MechanicalSystems，MEMS)制造工艺的

4、发展，集成微纳米级电极于微流体装置中成为可能，使得介电泳技术的适用范围从微米拓展至纳米尺度．由于介电泳技术在生医领域的远大前景，纳米介电泳理论研究成为该领域研究的热点．代表性的有Zheng等人【5'6】详细分析粒子、电极的尺度效应对分子尺度粒子大规模并行操纵的影响。并通过实验测量了在交流介电泳控制下的DNA传导率、蛋白质的介电特性以及20am乳胶微粒的正、负1152介电泳转变频率．Morgan等人【J7】采用了一种微流体管道，对不同类型的纳米粒子进行控制。并对粒子运动进行动力学仿真．Li等人181采用一种典型的交叉指状电极，在交流动电学情况下，使用行波介电泳对纳米粒子进行有选择的控制和

5、分离，并对行波介电泳力提出了一种无网格数值计算方法．最近研究显示基于介电泳的微纳米生物粒子操纵技术在研究碳纳米管‘91，DNAtl01，微生物细胞⋯1及集成纳米线1121，生物传感器组ll3J等生医领域已经展示了其独特的优势．虽然介电泳能够控制纳米级粒子的运动，但目前仍然不清楚介电泳所能有效操纵的最小粒子的大小．因为随着粒子尺寸的不断减小。其所受的热运动将愈发剧烈，这种情况下进行纳米级粒子的介电泳实验就会遇到很大的困难．此外。可极化粒子在非匀强电场中的运动本质上是一个不稳定的过程，且粒子间的相互作用为一定空间范围内多粒子对其的多体势作用．考虑到这些因素，了解纳米级粒子的介电泳状况就需要

6、有新的理论支持．因此，对介电泳现象中国科学E辑：技术科学2009年第39卷第6期进行数值建模与仿真对于预测和优化介电泳装置的设计就具有十分重要的意义．本文采用分子动力学方法(MolecularDynamics，MD)对纳米粒子的介电泳现象进行仿真，这种方法通过求解有相互作用的各个粒子的运动方程，得到每个粒子空间位置和运动状态随时间的演进状况，从而统计出材料的宏观行为特性．由于MD方法能够研究原子级粒子的运动，因此在研究纳米级粒子的介电泳方面就有其独特的优势．此外，MD方法不需要求解Navier-Stokes等式，所以相对来说，采用MD方法模拟纳米粒子的介电泳现象比其他方法要有效的多．M

7、D方法模拟纳米粒子的介电泳现象代表性的研究有Salonen等人[14,151采用MD方法研究了单个纳米胶体在变化的电场和温度下的介电泳情况并讨论了二聚物的介电泳特性，得出胶体聚合物可以有效地克服布朗运动影响的结论．Yuan等人1161提出一种软球MD模型，模拟微米级粒子的正、负介电泳情况以及粒子的捕捉与分离现象，得到了与实验相一致的结论．本文采用非平衡态分子动力学方法对中性可极化纳米胶体进行建模，对它们施加相反方向的非均匀电场作用，使它们带有相