Theory of pore-driven and end-pulled polymer translocation dynamics through a nanopore: An overview
本文综述了基于等通量张力传播（IFTP）理论的聚合物在纳米孔中迁移动力学理论的最新进展。本文利用IFTP理论和广泛的分子动力学（MD）模拟方法研究了柔性和半柔性聚合物的孔驱动易位以及柔性链的端拉情形。IFTP理论的有效性可以通过单体的等待时间分布来量化，这些分布揭示了易位过程的动力学细节。IFTP理论允许的易位过程的参数自由的描述，并可以用来获得精确的分析缩放形式在适当的限制，包括由于孔隙摩擦的影响，出现作为一个有限大小的修正渐近缩放。我们表明，在孔驱动的半柔性和端拉的聚合物链的IFTP理论的情况下，必须增加一个明确的{ \it反}侧摩擦长期的易位过程的定量描述。
2018-10-15 cond-mat.soft
Ionic current inversion in pressure-driven polymer translocation through nanopores
我们预测流动电流反转与多价抗衡离子在流体动力学驱动的聚合物易位事件从相关校正的电荷传输理论，包括平均场静电周围的电荷波动。在多价反离子存在下，静电多体效应导致DNA电荷的反转。阴离子对电荷反转的DNA分子的吸引使通过孔的离子电流的符号反转。我们的理论允许一个全面的理解所产生的流动电流的复杂功能。其潜在机制是一种有效的方法来检测DNA电荷反转的压力驱动易位实验与多价阳离子。
2015-02-01 cond-mat.soft
Heteropolymer translocation through nanopores
我们调查易位动力学的杂聚物驱动通过纳米孔使用恒温Langevin恒温器。具体来说，我们考虑由两种类型的单体标记A和B，这是由它们在孔内经历的驱动力的大小区分的杂聚物。从一系列的研究与序列AnBn+m的聚合物，我们确定通用以及序列的特定属性的易位链。我们发现，平均移位时间作为链长N的函数的缩放不受异质性的影响，而每个珠子的停留时间是短重复单元序列的强函数。我们进一步发现，对于固定长度的对称杂聚物AnBn，单个单体的停留时间所表现出的图案与具有N/（2n）狭缝的光栅的干涉图案具有惊人的相似性。这些结果与设计基于纳米孔的测序技术相关。
2007-01-22 cond-mat.soft
The layer impact of DNA translocation through graphene nanopores
基于石墨烯纳米孔的传感器装置显示出用于检测DNA的巨大潜力。为了理解DNA通过石墨烯纳米孔移位的基本方面，在这项工作中，进行了分子动力学（MD）模拟和平均力势（PMF）计算，以研究小石墨烯纳米孔（2 nm-3 nm）对DNA移位的层影响。结果表明，离子电导对石墨烯纳米孔的厚度敏感，DNA通过石墨烯纳米孔的几率与石墨烯纳米孔的厚度有关。MD模拟表明，对于2.4 nm孔径，DNA易位时间对石墨烯纳米孔的厚度最敏感，并且观察到的PMF的自由能垒和轮廓变化揭示了与单层石墨烯纳米孔相比，DNA易位通过双层石墨烯纳米孔的延迟增加。
2012-10-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Pulling a folded polymer through a nanopore
我们研究了折叠的线性聚合物在外力作用下通过纳米孔的移位动力学。为此，我们概括的等通量张力传播（IFTP）理论端拉聚合物易位包括两个部分的折叠聚合物同时穿越孔的情况。我们的理论是广泛的基准与相应的分子动力学（MD）模拟。折叠聚合物的移位过程可以分为两个主要阶段。在第一阶段，两个分支都穿过孔隙，并且它们的动力学是耦合的。如果分支不具有相等的长度，则存在第二阶段，其中较短分支的移位已经完成。利用两个分支的单体通量相等的假设，我们解析地推导了两个分支的运动方程，并从平均等待时间及其标度形式详细地描述了易位动力学。此外，MD模拟用于研究易位动力学的其他细节，如易位时间分布和单个单体的速度。
2019-12-17 cond-mat.soft
Polymer Translocation Dynamics in the Quasi-Static Limit
蒙特卡罗（MC）模拟被用来研究聚合物易位通过纳米孔的动力学的限制，其中易位速率是足够慢的聚合物保持构象准平衡的状态。该系统被建模为一个灵活的硬球链易位通过一个圆柱形孔在一个硬平壁。在一些计算中，纳米孔在一端连接到球形腔。使用MC动力学模拟直接测量易位时间。对于足够窄的孔，移位是足够慢的，平均移位时间与聚合物长度N成比例，根据<τ> \propto（N-N_p）^[2]，其中N_p是纳米孔中单体的平均数量;这种比例表明聚合物-纳米孔摩擦占主导地位的准静态状态。我们使用多重直方图方法来计算自由能随Q的变化，Q是用于量化移位程度的坐标。自由能函数与Fokker-Planck形式主义被用来计算准静态政权的易位时间分布。这些计算还需要摩擦系数，其特征在于数量N_{eff}，其动力学受纳米孔限制影响的单体的有效数量。这是通过将理论分布的平均值固定为从MC动力学模拟获得的分布的平均值来确定的。理论分布是在良好的定量协议与直接获得的分布由MC动力学模拟物理意义的值N_{eff}。窄孔系统的自由能函数表现出具有对纳米孔长度敏感的振幅的振荡。通常，较大的振荡幅度对应于较长的移位时间。
2013-03-16 cond-mat.soft
Polymer Translocation Through a Long Nanopore
从理论上研究了聚合物通过膜中纳米孔的迁移。最近关于电压驱动的DNA和RNA通过纳米孔的易位的实验表明，孔的尺寸和几何形状是聚合物动力学中的重要因素。提出了一种理论方法，明确考虑到纳米孔的长度和直径的影响，聚合物运动穿过膜。结果表明，孔的长度是至关重要的聚合物易位动力学。本模型预测，对于现实条件（长纳米孔和大的外部场），有两个制度的易位取决于聚合物的大小：对于大于孔长度的聚合物链，易位的速度几乎是恒定的，而对于小于孔长度的聚合物链的速度随着聚合物尺寸的减小而增加。这些结果与实验数据相符。
2002-09-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Driven Polymer Translocation through a Nanopore from a Confining Channel
本文结合朗之万动力学模拟与等通量张力传播理论，研究初始受限在窄通道中的聚合物经纳米孔移位的动力学，揭示移位时间标度随通道宽度和链长的变化规律。
2025-03-08 cond-mat.soft
Dynamics of end-pulled polymer translocation through a nanopore
我们考虑的易位动力学的聚合物链迫使通过纳米孔的外力在其头部单体的反式侧。对于一个适当的理论治疗，我们推广的等通量张力传播（IFTP）理论，包括摩擦所产生的反侧子链。该理论揭示了一个复杂的情况下，多个缩放制度取决于顺式和反式侧子链的配置。在限制的高驱动力$f$，这样的反式子链是强烈拉伸，该理论是在良好的协议与分子动力学模拟，并允许一个精确的解析解的缩放的易位时间$τ$作为链长$N_0$和$f$的函数。在这种情况下，$τ \sim N_0^α f^β$的渐近标度指数为$α=2$和$β=-1$。该理论揭示了由顺式侧子链和孔摩擦引起的显著的校正-缩放项，这导致从下面非常缓慢地接近$α=2$作为增加$N_0$的函数。
2017-08-30 cond-mat.soft
Coupled dynamics of RNA folding and nanopore translocation
结构化的RNA或DNA分子通过狭窄的孔的移位需要打开所有的碱基对。在这里，我们研究的动力学易位和碱基配对理论之间的相互作用，使用动力学蒙特卡罗模拟和分析方法。我们发现，在基态不发生的碱基对的瞬时形成可以显着加快易位。
2005-09-29 cond-mat.soft q-bio.BM
Effect of Inhomogeneity in Translocation of Polymers through Nanopores
从理论上讨论了具有非均匀结构的聚合物在纳米孔中的运动。具体而言，我们认为易位动力学的聚合物组成的双链和单链块。由于只有单链链可以穿过纳米孔，因此双链区段必须在移位之前解压缩。利用一个简单的分析模型，易位时间明确计算不同的聚合物取向，即，当单链嵌段首先进入孔时和当双链片段是前导片段时。分析了易位动力学与外场、双链链段相互作用能、聚合物尺寸和双链单体比例的关系。研究发现，进入孔隙的顺序对迁移动力学有显著影响。使用自由能景观参数的理论结果进行了讨论。
2006-06-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dielectric manipulation of polymer translocation dynamics in engineered membrane nanopores
通过膜工程技术如碳纳米管（CNT）涂层改变介电膜的性质为用于生物传感目的的新型分子传输策略开辟了道路。在这篇文章中，我们预测的大分子运输机制，使介电操纵的聚合物易位动力学在介电膜孔限制混合电解质。在巨介电常数制度的这些工程膜受吸引力的极化力，多价离子吸附的膜纳米孔触发一价离子分离，并设置一个电渗透逆流。由该流动施加的拖曳力足够强以抑制和反转阴离子聚合物的电泳速度，并且还产生中性聚合物的迁移率，其速度和方向可以仅通过所添加的多价离子的电荷和浓度来调节。这些特征将介电产生的传输机制识别为驱动不能由外部电压控制的总体中性或弱电荷分析物的有效手段。我们还发现，在阴离子聚合物易位，多价阳离子加入到一价盐溶液放大了电流信号的几个因素。信号放大是由静电多体相互作用用具有更高电迁移率的多价阳离子取代单价聚合物反离子引起的。这种电动电荷鉴别的强度指出了多价离子作为电流放大器的潜力，其能够在基于纳米孔的生物传感技术中提供提高的分辨率。
2021-12-15 cond-mat.soft
Pulling a DNA molecule through a nanopore embedded in an anionic membrane: tension propagation coupled to electrostatics
我们考虑静电力的影响，驱动易位动力学的一个灵活的被拉过纳米孔的头部单体上的外力。为此，我们增加了等通量张力传播（IFTP）理论与静电的带负电荷的生物聚合物拉通过纳米孔嵌入在一个类似的带电荷的阴离子膜。我们表明，对于现实的情况下，如单链DNA，易位动力学在低盐筛选是弱的，在有限的负膜电荷出乎意料地加速，尽管大的排斥静电相互作用的聚合物线圈上的{ \it顺}侧和带电的膜。这是由于在移位过程中线圈的静电势能的快速释放，导致有效的吸引力，有助于末端驱动移位。加速导致非单调的聚合物长度和膜电荷依赖性的指数$α$，其表征具有长度$N_0$的聚合物的移位时间$τ\propto N_0^α$。在长链聚合物$N_0\gtrsim500$的制度，易位指数超过其上限$α=2$先前观察到的相同的系统没有静电相互作用。
2020-07-04 cond-mat.soft
Single Stranded DNA Translocation Through a Fluctuating Nanopore
研究了单链DNA（ssDNA）在两种构象之间波动的孔道中的易位，采用耦合主方程（ME）。计算易位过程的第一通过时间（FPT）的概率密度函数（PDF），根据系统参数显示三峰、双峰或单峰行为。推导出了易位过程的平均首次通过时间（MFPT）的解析表达式，并提供了易位过程的广泛表征。
2005-01-15 cond-mat.soft q-bio.SC
Driven polymer translocation through nanopores: slow versus fast dynamics
我们调查的动力学聚合物易位通过纳米孔外部驱动下的三维Langevin动力学模拟，侧重于缩放的平均易位时间$τ$与聚合物的长度，$τ\sim N^α$。对于缓慢易位，即，在低驱动力和/或高摩擦下，我们发现$α\approx 1+ν\approx 1.588$，其中$ν$表示Flory指数。相反，观察到$α\approx 1.37$由于反式侧的高度变形的链构象而快速易位，反映了明显的非平衡情况。对于慢和快移位，移位时间对驱动力的依赖性分别由$τ\sim F^{-1}$和$τ\sim F^{-0.80}$给出。这些结果澄清了关于驱动易位标度指数$α$大小的争议。
2009-11-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
How capture affects polymer translocation in a solitary nanopore
具有高保真度的DNA捕获是纳米孔移位的重要部分。我们报告了几个重要方面的捕获过程和随后的易位的模型DNA聚合物通过固态纳米孔中存在的扩展电场使用布朗动力学模拟，使我们能够记录统计的构象在每个阶段的易位过程。通过从不同的等电位释放平衡的DNA，我们观察到捕获时间分布依赖于初始起始点，并遵循泊松过程。场梯度在其朝向纳米孔的途中延长DNA，并且即使在多次失败的穿线尝试之后也有利于成功的移位。即使在极其狭窄的孔的限制下，完全柔性的链也具有有限的发夹环捕获概率，而对于较硬的链，该概率降低并促进单列移位。我们的计算机模拟研究识别并区分了由于单个文件移位引起的平均首次通过时间的特征分布和由于不同类型的折叠移位引起的平均首次通过时间的特征分布，并为解释实验观察到的折叠提供了直接证据[M. Gershow等人，国家纳米技术2，775（2007）和M. Mihovilovic等人，Phys. Rev. Linguistics. 110，028102（2013）]中的纳米孔中。最后，我们展示了一个新的发现，在DNA的$5^{\prime}$末端连接的带电标签提高了多次扫描速率以及单向易位（$5^{\prime} \rightarrow 3^{\prime}$）的概率，这将有利于基因组条形码化和测序实验。
2022-03-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Using a Péclet Number for the Translocation of Polymer through a Nanopore to Tune Coarse-Grained Simulations to Experimental Conditions
粗粒度模拟通常用于研究DNA通过纳米孔的移位。这些研究中的大多数在相对一般的意义上调查易位过程，并不试图匹配任何特定的实验条件。在这篇手稿中，我们使用的概念的佩克莱数易位，$P_t$，比较漂移扩散平衡在一个典型的实验与一个典型的模拟。我们发现，与使用dsDNA的实验条件相比，标准的粗粒度方法高估了扩散效应5到50倍。通过定义一个粗粒度参数$λ$，我们能够纠正这一点，并调整模拟复制实验$P_t$（对于dsDNA和其他情况）。为了显示特定的$P_t$可以对易位的动力学产生的影响，我们针对两种不同类型的驱动力在宽范围的$P_t$值上进行模拟：施加在孔中的力和施加到聚合物末端的拉力。当$P_t$将系统从扩散主导的状态带到漂移主导的状态时，观察到各种效应，包括易位时间$τ$对$P_t$的非单调依赖性和易位概率的急剧上升。比较这两种力的情况下，说明了拥挤效应的影响，发生在反侧：一个非单调的依赖性的$τ$分布的宽度得到的孔隙力，但不是拉力。
2014-07-03 cond-mat.soft
Dynamics of RNA Translocation through a Nanopore
我们提出了一个简化的模型的动力学易位的RNA通过纳米孔，只允许通过未结合的核苷酸。特别是，我们认为无序平均易位动力学的随机，两个组件，单链核苷酸，通过减少动态的运动的一个随机步行者的一维自由能景观的易位。这些易位景观是从RNA序列的折叠和跨纳米孔施加的电压偏压计算的。我们计算这些景观的1500随机绘制的两个字母的长度为4000的序列。对这些景观的动态模拟显示出异常特征，类似于随机强迫能量景观，其中对于跨纳米孔的足够小的电压偏置，易位过程在时间上比线性地进行得更慢，但是在大的电压偏置下在时间上线性地移动。我们认为，我们的简化模型提供了一个上限更现实的易位动力学，因此，我们预计，所有的RNA易位模型将表现出异常的制度。
2007-03-12 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.QM
Driven translocation of a semi-flexible polymer through a nanopore
我们研究了驱动易位的半柔性聚合物通过纳米孔的等通量张力传播理论（IFTP）的修改后的版本，和广泛的分子动力学（MD）模拟。我们表明，在完全灵活的链，对于半灵活的聚合物具有有限的持久性长度$\tilde{\ell}_p$的{ \it反}侧摩擦必须明确考虑到适当地描述易位过程。此外，必须知道端到端距离$R_N$作为链长$N$的函数的比例。为此，我们首先推导出一个半解析尺度形式的$R_N$，它再现了限制的杆，一个理想的链，并排除体积链在适当的限制。然后，我们定量表征的性质的{ \it反}侧摩擦的基础上MD模拟半柔性链。增加这两个因素，修改IFTP理论表明，有三个主要制度的平均易位时间$τ\propto N^α$的缩放。在刚性链（杆）极限$N/\tilde{\ell}_p \ll 1$中，{ $α= 2$ }，其在$ 1 < N/\tilde{\ell}_p < 4$状态中连续地向具有{ $α= 3/2$ }的理想链行为跨越，其在$N/\tilde{\ell}_p \sim 10^2$状态中达到。最后，在极限$N/\tilde{\ell}_p \gg 10^6$中，移位指数接近其渐进值$1+ν$，其中$ν$是Flory指数。我们的结果是在良好的协议与现有的模拟和实验数据。
2016-12-27 cond-mat.soft
Sequence dependence of DNA translocation through a nanopore
我们调查的DNA易位通过纳米孔使用二维Langevin动力学模拟的动力学，侧重于易位动力学的依赖于DNA序列的细节。在这项工作中研究的DNA分子是建立从两种类型的碱基$A$和$C$，这已被证明有不同的相互作用与孔。我们研究了具有不同$n$值的重复块$A_nC_n$的DNA，发现易位时间强烈地依赖于{ \em块长度} $2n$以及{ \em取向}哪个碱基首先进入孔。因此，我们证明了通过纳米孔测量DNA的移位动力学可以产生关于其结构的详细信息。我们还发现，嵌段序列的周期性包含在单个核苷酸在孔内的停留时间的周期性中。
2007-12-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Translocation frequency of double-stranded DNA through a solid-state nanopore
固态纳米孔是单分子传感器，当带电聚合物（如DNA）通过时，其测量离子电流的变化。在这里，我们提出了全面的实验上的长度，电压和盐的依赖性的双链DNA易位的频率通过圆锥形的石英纳米孔与平均开口直径为15 nm。我们观察到一个熵垒有限的，长度依赖的易位频率在4M氯化锂盐浓度和漂移为主，长度无关的易位频率在1M氯化钾盐浓度。这些观测结果描述了一个统一的对流扩散方程，其中包括一个熵的聚合物进入障碍的贡献。
2016-01-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effects of interaction between nanopore and polymer on translocation time
本文利用LAMMPS分子动力学（MD）软件，对聚合物的迁移过程进行了二维模拟.我们对弱力和中等力以及不同的孔径进行了模拟。我们的结果表明，在非平衡和平衡的初始条件下，易位时间总是增加结合能和/或增加孔径。此外，根据前人的研究，时间与力的标度指数为-0.9531。通过对平衡态和非平衡态初始条件的比较表明，迁移时间对初始条件非常敏感。在相互作用能为8k_B T时，弛豫聚合物的迁移时间比非平衡态的迁移时间小，即使在1k_B T的小能量下也是如此。
2018-04-25 cond-mat.soft physics.comp-ph
Langevin Dynamics Simulations of Polymer Translocation through Nanopores
我们调查的动态聚合物易位通过纳米孔使用二维Langevin动力学模拟。在没有外部驱动力的情况下，我们考虑一种聚合物，它最初被放置在中间的孔和研究的逃逸时间$τ_e$所需的聚合物完全退出孔的两侧。逃逸时间的分布是宽的，有一个长的尾巴。我们发现，$τ_e$的规模与链长$N$为$τ_e \sim N^{1+2ν}$，其中$ν$是弗洛里指数。对于驱动移位，我们着重研究了摩擦系数$ξ$、驱动力$E$和链长$N$对移位时间$τ$的影响，移位时间$τ$定义为第一个单体进入孔和最后一个单体离开孔之间的时间。对于强驱动力，易位时间的分布是对称的和窄的，没有长尾和$τ\sim E^{-1}$。$ξ$的影响取决于驱动力和摩擦力之间的比率。对于中间体$ξ$，我们发现$τ$与$N$的交叉比例从相对短链的$τ\sim N^{2ν}$到较长链的$τ\sim N^{1 + ν}$。然而，对于更高的$ξ$，即使对于短链也仅观察到$τ\sim N^{1 + ν}$，并且没有交叉行为。该结果可以通过增加$ξ$增加链的Rouse弛豫时间的事实来解释，在这种情况下，即使相对短的链在移位期间也没有时间弛豫。我们的结果是在良好的协议与以前的模拟的基础上波动的键晶格模型的聚合物在中间摩擦值，但揭示了额外的功能依赖于摩擦。
2006-08-23 cond-mat.soft
Dynamics of polymer translocation into a circular nanocontainer through a nanopore
使用Langevin动力学模拟，我们调查的动力学聚合物易位到一个圆形的纳米容器通过纳米孔下的驱动力$F$。我们观察到，易位概率最初增加，然后饱和增加$F$，独立于$ϕ$，这是整个链的平均密度在纳米容器。随着$ϕ$的增加，易位时间分布经历从高斯分布到非对称分布的转变。此外，我们发现一个非通用的比例指数的易位时间的链长，依赖于$ϕ$和$F$。这些结果被解释的构象的易位链在纳米容器和时间的一个单独的部分通过孔在易位。
2012-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Directed motion emerging from two coupled random processes: Translocation of a chain through a membrane nanopore driven by binding proteins
我们调查易位的刚性聚合物组成的M单体通过纳米孔在膜中，在存在的结合颗粒（分子伴侣），结合到聚合物上，并部分地防止通过孔的聚合物的回滑。该过程的特征在于速率：k为聚合物通过孔进行扩散跳跃，q为分子伴侣的解结合，以及速率q kappa为结合（结合强度kappa）;除了无结合kappa=0的情况外，分子伴侣的存在产生驱动易位过程的有效力。基于一个（2+1）变量主方程，我们详细研究了结合蛋白的扩散移位和（部分）整流的耦合动力学。特别是，我们计算的平均易位时间作为各种物理参数的函数。
2005-08-21 cond-mat.soft q-bio.BM
Thermodynamics and Kinetics of a Three-Arm Star Polymer Translocating through a Nanopore
Indian Institute of Technology Kanpur（印度理工学院坎普尔分校）
本研究通过朗之万动力学、元动力学模拟及福克-普朗克模型，探究了电压驱动下线性与三臂星形聚合物跨纳米孔的转运热力学与动力学，明确了三臂星形聚合物转运的阈值电压特性及相关影响因素。
2026-07-31 cond-mat.soft
Driven translocation of a polynucleotide chain through a nanopore--A continuous time Monte-Carlo study
利用连续时间Monte-Carlo方法，我们模拟了多核苷酸链在电场驱动下通过纳米孔的移位。我们已经使用了两个模型的驱动扩散由于电场。链可以与孔具有强相互作用，并且取决于链的哪一端首先进入孔。根据这种相互作用，在这两种情况下，在我们的模型中的链通过孔的时间分布被发现有三个峰，如Kasianowicz，Brandin，Branton和Deamer（KBBD）的实验中所观察到的。
2006-07-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Translocation Dynamics with Attractive Nanopore-Polymer Interactions
使用Langevin动力学模拟，我们研究了聚合物-孔相互作用对生物聚合物通过纳米孔易位的动力学的影响。我们发现，一个有吸引力的相互作用可以显着改变易位动力学。这可以通过检查总移位时间$τ\approx τ_1+τ_2+τ_3$的三个分量来理解，这三个分量分别对应于孔的初始填充、聚合物从\textit{cis}侧转移到\textit{trans}侧和孔的排空。我们发现，动态的最后一个过程的孔的排空的变化，从非激活激活的性质，作为吸引力的相互作用的强度增加，和$τ_3$成为占主导地位的贡献，总的易位时间为强吸引力。这导致$τ$作为驱动力和链长的函数的新的依赖性。我们的结果与最近的实验结果非常一致，并为在固态纳米孔中观察到的不同标度行为提供了可能的解释{ \it vs.}天然$α$ -溶血素通道。
2008-05-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Effect of charge distribution on the translocation of an inhomogeneously charged polymer through a nanopore
我们利用离散和连续的随机模型研究了电压驱动的不均匀带电聚合物通过纳米孔的易位。作为电荷分布对移位影响的简化说明，我们考虑了具有单个带电位点的聚合物在电荷和孔之间存在和不存在相互作用的情况下的移位。我们发现，在没有孔-聚合物相互作用的情况下，最大限度地减少易位时间的电荷的位置是由易位的熵成本决定的，最佳电荷位置是在棒状聚合物的链的中点，接近理想链的前导链端。有吸引力或排斥性的孔-电荷相互作用的存在下产生的最佳电荷的位置朝向链的尾端和前端的位移，分别。此外，我们的研究结果表明，强大的吸引力或排斥力之间的相互作用的电荷和孔延长易位时间相对于易位通过一个惰性孔。我们推广我们的结果，以适应存在多个带电的网站上的聚合物。我们的研究结果提供了深入了解电荷的不均匀性对蛋白质易位通过生物膜的影响。
2007-11-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Translocation of polymers with folded configurations across nanopores
通过分析简单的离散随机模型，从理论上研究了具有折叠构型的聚合物在膜孔中的传输。的易位动力学被视为两个事件的序列：通过通道的折叠段的运动，然后由聚合物的线性部分。由于聚合物分子与孔之间的相互作用不同，折叠链段和线性链段的转变速率不同。结果表明，移位时间依赖于折叠段的长度短的聚合物和弱的外场，而它变得单调的长分子和大的字段。此外，有一个关键的聚合物和孔之间的相互作用，分离两个动态制度。对于较强的相互作用，折叠的聚合物移动较慢，而对于较弱的相互作用，线性链易位是最快的。此外，我们的计算表明，折叠不改变的易位标度性能的聚合物。这些现象可以通过聚合物的折叠链段和线性链段的移位距离和转变速率之间的相互作用来解释。理论结果适用于分析实验易位通过固态纳米孔。
2007-08-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Identification of single nucleotides in MoS2 nanopores
超薄膜由于其前所未有的DNA纳米孔测序的空间分辨率而受到广泛关注。然而，DNA分子穿过这种膜的高易位速度（3000-50000 nt/ms）限制了它们的可用性。为此，我们引入了一种基于室温离子液体（RTILs）的粘度梯度系统来控制DNA易位的动力学，通过在原子级薄的MoS 2膜中制造的纳米尺寸的孔。这使我们能够第一次在统计学上识别所有四种具有固态纳米孔的核苷酸。根据在原子级薄的MoS 2纳米孔的窄孔中暂时驻留期间记录的电流特征来鉴定核苷酸。在这种利用RTIL高粘度的新结构中，我们证明了单核苷酸易位速度是DNA测序的最佳速度（1-50 nt/ms），同时保持信噪比（SNR）高于10。我们的发现为未来使用固态纳米孔进行低成本和快速DNA测序铺平了道路。
2015-05-07 cond-mat.soft
Polymer translocation under a pulling force: scaling arguments and threshold forces
通过纳米孔的DNA移位是下一代测序技术中最有前途的策略之一。大部分的实验和数值计算工作都集中在电泳偏置的聚合物移位上，其中拉力作用于纳米孔内的聚合物。然而，一种替代策略正在出现，它使用光学或磁性镊子。在这种情况下，拉力直接施加在聚合物的一端，这强烈地改变了移位过程。在本文中，我们报告的线性和结构化（模仿DNA）聚合物模型的数值模拟，足够简单，允许统计处理的孔结构的影响易位时间的概率分布。基于极其扩展的计算机模拟数据，我们：i）提出了扩展的预测易位时间$τ\sim N^{2}F^{-1}$在中等力范围内的缩放参数; ii）分析了孔尺寸和聚合物结构对易位时间$τ$的影响。
2017-11-29 cond-mat.soft
DNA translocation through nanopores with salt gradients: The role of osmotic flow
双链DNA在纳米孔中转位的最新实验[M. Wanunu \textit{et al.} Nature Nanotech. { \bf 5}，160（2010）]揭示了DNA捕获速率可受到跨孔的盐梯度的显著影响。我们表明，渗透流与电泳效应相结合可以定量解释捕获率对盐梯度依赖性的实验数据。
2011-07-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Theory of DNA translocation through narrow ion channels and nanopores with charged walls
研究了单链DNA通过带正电荷壁的基因工程$α$ -溶血素通道的易位。据预测，这种通道的转运特性与中性野生型$α$ -溶血素通道有显著不同。我们假设壁电荷补偿了驻留在通道中的DNA片段的裸电荷$q_{b}$的部分$x$。我们的预测如下：（i）在低浓度的盐，阻断离子电流与$x$减少。(ii)DNA片段的有效电荷$q$在$x = 0$（中性通道）处非常小，其与$x$一起生长，在$x=1$处达到$q_{b}$。(iii)通道捕获DNA的速率随$x$呈指数增长。我们的理论也适用于双链DNA在具有带正电荷的壁的狭窄固态纳米孔中的移位。
2008-06-20 cond-mat.soft q-bio.SC
Free Energy and Diffusivity in the Fokker-Planck Theory of Polymer Translocation
研究通过元动力学模拟和经典兰格-恩动力学模拟，探讨了聚合物穿出纳米孔的自由能景观和扩散性，发现扩散性指数β偏离胡斯理论预测。
2025-11-29 cond-mat.soft
Translocation of Polymers through Nanopores at Weak External Field, Direct Approach with Monte Carlo Simulations
我做了非晶格三维蒙特卡罗模拟的聚合物易位通过一个狭窄的孔在低外场，试图尽可能接近一个直接的方法。该过程被发现在全球范围内的非平衡，但接近孔（折叠）的单体的动态被发现接近准平衡。我观察到的张力（或压力）建设附近的孔，和亚扩散的孔中的中间单体的位移，在文献中报道。我没有发现分数扩散方程预测的自由扩散一段时间后反应坐标的分布。
2008-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Out of Equilibrium Characteristics of a Forced Translocating Chain through a Nanopore
采用粗粒珠-弹簧模型和Langevin动力学模拟研究了聚合物在薄膜中纳米孔中的移位，重点探讨了移位链的非平衡特性.我们分析了在$cis$和$trans$侧的平衡链构象，分别作为移位过程中的时间的函数或作为孔内单体指数$m$的函数。通过监测易位链的质心、回转半径的纵向和横向分量以及端到端矢量，可以详细地了解易位。我们观察到，在$cis$侧的聚合物构型与在$trans$侧的聚合物构型明显不同。在易位期间，以及紧接其后，链明显地脱离平衡，因为链的不同部分由一系列有效Flory指数表征。我们进一步注意到，紧接在易位之后，刚刚易位的最后一组珠粒与先前易位的第一组珠粒相比具有相对紧凑的结构，并且紧接在易位之后的链由有效Flory指数$0.45 \pm 0.01$描述。通过观察等长链段从$cis$侧向$trans$侧交叉时的构象，进一步加强了对这些结果的分析，我们讨论了这些结果对理论估计和数值模拟研究的影响。不同小组报告的移位指数。
2010-02-24 cond-mat.soft
Translocation of stiff polymers through a nanopore driven by binding particles
我们调查的刚性聚合物的易位在存在的结合粒子通过纳米孔的二维Langevin动力学模拟。我们发现，平均移位时间显示出最小值的结合能$ε$和粒子浓度$ϕ$的函数，由于从结合力和摩擦力的相互作用。特别地，对于强结合，易位以由摩擦力的显著增加引起的降低的易位速度进行。此外，$ε$和$ϕ$对易位时间的分布有显著影响。随着$ε$和$ϕ$的增加，它经历了一个从弱结合下的非对称宽分布到强结合下的近似高斯分布的过渡，其宽度逐渐变窄。
2012-12-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Rectification of polymer translocation through nanopores by chiral and nonchiral active particles
我们使用Langevin动力学模拟研究了在主动噪声和空间排斥的影响下，柔性聚合物链通过膜孔的无偏易位。通过在膜的一侧或两侧引入非手性和手性活性粒子来并入有源噪声。聚合物移位到孔的任一侧中通过由于颗粒活性而产生的有效拉动来辅助，并且通过由于聚合物和活性颗粒之间的空间排斥而产生的有效推动来阻碍。由于这些有效力之间的竞争，我们发现了两个整流态（{ \em cis}-到-{ \em transs}和{ \em transs}-到-{ \em cis}）之间的跃迁。这种转变是通过易位时间的急剧增加来确定的。它取决于系统参数，如粒子活性，面积分数和手性的影响，在这项工作中进行了探讨。
2022-07-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Translocation of structured polynucleotides through nanopores
我们从理论上研究了结构化RNA/DNA分子通过允许单链但不允许双链通过的窄孔的易位。分子内碱基配对区域的解压缩为易位过程提供了显著的动力学屏障。我们表明，这种情况下，可以利用确定完整的碱基配对模式的多核苷酸，包括RNA假结。至关重要的要求是移位动态（即，易位的分子片段的长度）需要以几个核苷酸的空间分辨率作为时间的函数来记录。这可以例如通过施加用于移位的机械驱动力并利用诸如原子力显微镜或光学镊子的装置记录力-延伸曲线（FEC）来实现。我们的分析表明，有了这种增加的空间分辨率，纳米孔可以转化为一个强大的实验工具来研究核酸的折叠。
2004-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Polymer translocation through a nanopore - a showcase of anomalous diffusion
在没有外部驱动力的情况下，通过纳米孔的聚合物链的易位动力学分析的尺度参数，分数阶微积分，和计算机模拟。手头的问题是映射到一个一维{ \em异常}扩散过程中的反应坐标$s$（即易位的数量的段在时间$t$），并示出由一个通用的指数$α= 2/(2ν+2-γ_1)$，其值是几乎相同的二维和三维。该过程由{ \em分数}扩散方程描述，该方程在适当的边界和初始条件下在$0 <s < N$区间内精确求解。该解决方案给出了易位时间的概率分布以及随时间的统计矩的变化：$<s(t)>$，和$<s^2(t)> - < s(t)>^2$，提供了完整的描述的扩散过程。的分析结果与来自广泛的蒙特卡罗（MC）模拟的数据的比较揭示了非常好的协议，并证明通过纳米孔的无偏易位的扩散动力学是异常的性质。
2007-06-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Translocation of a Single Stranded DNA Through a Conformationally Changing Nanopore
我们调查易位的单链DNA通过一个孔之间波动的两种构象，使用耦合的主方程。计算易位过程的第一通过时间（FPT）的概率密度函数，显示三重峰、双峰或单峰行为，这取决于构象之间的相互转化率、施加的电场和初始条件。的FPT的累积概率函数，在一个无场的环境中，示出有两个制度，其特征在于快速和缓慢的时间尺度。的平均第一次通过时间的易位过程的解析表达式的推导，并提供，除了相互转化率，广泛的易位过程的表征。实验观察的关系进行了讨论。
2004-02-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Theory of polymer translocation through a flickering nanopore under an alternating driving force
我们开发了一个理论，通过振荡纳米孔的时间依赖性的力驱动的聚合物易位。为此，我们扩展了等通量张力传播理论（IFTP）[Sarabadani \textit{et al., J. Chem. Phys.}，2014，\textbf{141}，214907]用于这种设置。我们假设孔隙中的外部驱动力具有随时间振荡的分量，并且闪烁孔隙类似地由孔隙摩擦中的振荡项来描述。除了数值求解模型，我们推导出的解析近似与数值模拟吻合得很好。我们的研究结果表明，通过控制力或孔隙振荡，易位过程可以加快或减慢取决于振荡的频率和特征时间尺度的过程。我们还表明，虽然在低和高频率的限制易位时间$τ$遵循既定的标度关系，相对于链长$N_0$，在中频制度的小周期性波动的动态标度可以有剧烈的影响。结果可以很容易地概括为非周期性振荡，并阐明了时间依赖性的力量和驱动聚合物易位孔振荡的作用。
2015-05-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
On the distribution of DNA translocation times in solid-state nanopores: an analysis using Schrodinger's first-passage-time theory
本文对最近提出的一维线性DNA易位有偏扩散模型的解[1]作了修正，并对[1]中的数据作了新的分析。我们最近指出[2]，这个一维线性易位模型等价于Schrodinger [3]所考虑的电子电荷的Enrenhaft-Millikan测量[4，5]。这里我们将薛定谔的首次通过时间分布公式应用于[1]中的数据集。研究发现，薛定谔公式可以用来描述固态纳米孔中DNA移位的时间分布。这些拟合产生两个有用的参数：DNA移位的漂移速度和纳米孔内DNA的扩散常数。结果表明，两种制度的DNA易位：（I）在低电压下，有明显的偏离Smoluchowski的线性电泳定律[6]，我们归因于熵势垒效应;（II）在高电压下，易位速度是一个线性函数的施加电场。在区域II中，表观扩散常数表现出对所施加的电场的二次依赖性，表明可能由于纳米孔通道中的电渗流场而引起的泰勒分散效应的机制。该分析产生了纳米孔内DNA片段的无分散扩散常数值，其与斯托克斯-爱因斯坦理论定量一致。讨论了薛定谔公式在DNA测序中的应用。
2013-08-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Polymer translocation through a nanopore under a pulling force
我们研究聚合物易位通过纳米孔下的拉力使用Langevin动力学模拟。我们着重研究了链长$N$和拉力$F$对移位时间$τ$的影响。对于强$F$，$τ$的分布是对称的和窄的。我们发现中度和重度$F$的$τ\sim N^{2}$和易位速度$v\sim N^{-1}$。对于无限宽的孔，观察到$τ$作为$F$的函数的三种状态。随着$F$的增加，对于弱$F$，$τ$独立于$F$，然后对于中等$F$，$τ\sim F^{-2+ν^{-1}}$独立于$F$，其中$ν$是Flory指数，对于强力，它最终与$τ\sim F^{-1}$交叉。对于窄孔，甚至对于中等力的$τ\sim F^{-1}$。最后，单体$s$和单体$s+1$离开孔的等待时间对于接近链末端的$s$具有最大值，这与聚合物在孔内由外力驱动的情况相反。
2007-05-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Driven polymer translocation through a nanopore: a manifestation of anomalous diffusion
我们研究了外力作用下聚合物链穿过纳米孔的易位动力学。通过不同的方法（标度参数，分数阶微积分和蒙特卡罗模拟），我们表明，相关的动态变量，移位的片段数$s(t)$，显示{ \em异常}扩散行为，即使在{ \em存在}的外力。易位过程的异常动力学由相同的普适指数$α= 2/(2ν+2 - γ_1)$控制，其中$ν$是Flory指数，而$γ_1$是表面指数，这是最近针对非驱动聚合物链穿过纳米孔的情况建立的。由相关的{ \em分数}福克-普朗克方程推导出概率分布函数$W(s, t)$的封闭解析表达式，该表达式由聚合物链长$N$和所施加的拖曳力$f$表示.发现平均易位时间标度为$τ\propto f^{-1}N^{\frac{2}α -1}$。此外，相应的时间相关的统计矩，$< s(t) > \propto t^α$和$< s(t)^2 > \propto t^{2α}$明确揭示了易位动力学的异常性质，并允许在实验中直接测量$α$。这些研究结果进行了测试，发现是在完美的协议与广泛的蒙特卡罗（MC）模拟。
2007-06-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dynamics of DNA translocation through an attractive nanopore
我们调查的动力学DNA易位通过纳米孔驱动的外力使用Langevin动力学模拟在两个维度（2D）研究如何易位动力学依赖于DNA序列的细节。我们考虑由两个碱基$A$和$C$构建的DNA的粗粒度模型，其具有不同的碱基-孔相互作用，{ \textit例如}，孔与孔内的基底$A$（$C$）之间的强（弱）吸引力。通过对含有重复单元$A_mC_n$的异源DNA的一系列研究，我们发现易位时间随碱基$C$的体积分数$f_C$呈指数下降。%（$ε_{pC} < ε_{pA}$）。对于具有$f_C \le 0.5$的较长$A$序列，易位时间强烈地取决于DNA的取向，即哪个碱基首先进入孔。我们的研究清楚地表明，对于具有重复单元$A_mC_n$的一定长度$N$的DNA，由单个碱基的等待时间和它们的周期性所表现出的模式可以明确地分别确定$m$、$n$和$N$的值。因此，这一现象的前瞻性实验实现可能会导致快速和有效的序列检测技术。
2008-10-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Direct measurements reveal non-Markovian fluctuations of DNA threading through a solid-state nanopore
聚合物链穿过小孔是聚合物动力学中的经典问题，并且是纳米孔传感技术的基础。然而，在固态纳米孔中的聚合物运动的重要实验方面，例如在移位期间的速度变化的准确测量，仍然是难以捉摸的。在这项工作中，我们分析了易位通过锥形石英纳米孔的7 kbp的DNA双链标记的六个标记物沿其轮廓等距。这些标记，构建从DNA发夹，提供直接的实验访问的易位动力学。平均而言，我们测量到在移位期间速度降低5%。我们还发现了一个惊人的相关性的衰减常数为100 μs的速度波动。这些结果揭示了迄今尚未解决的问题，在动力学的DNA易位，并提供指导实验，试图确定沿DNA链的位置信息。
2016-07-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Evaluating the Applicability of the Fokker-Planck Equation in Polymer Translocation: A Brownian Dynamics Study
布朗动力学（BD）模拟用于研究粗颗粒聚合物通过圆柱形纳米孔的移位动力学。我们考虑短聚合物的情况，聚合物长度N在N=21-61的范围内。移位速率由纳米孔内单体的可调摩擦系数gamma_{0p}控制。在非受迫移位的情况下，平均移位时间与聚合物长度N成比例为<tau_1>~（N-N_p）^α，其中N_p是纳米孔中单体的平均数量。当孔隙摩擦足够高时，指数接近值α =2，这与孔隙摩擦占主导地位的准静态制度的情况下的预测一致。在强制移位的情况下，对于低gamma_{0p}，聚合物链分别在顺式和反式侧拉伸和压缩。然而，对于足够大的gamma_{0p}，链接近构象准平衡。在此极限下，观察到<tau_1>的驱动力和链长的缩放支持FP预测，其<tau>与足够强的驱动力的N/f_d成比例。蒙特卡罗模拟用于计算系统的易位自由能函数。自由能与Fokker-Planck方程一起用于计算易位时间分布。在足够高的gamma_{0p}，预测的分布是在良好的协议从BD模拟计算。因此，FP方程为这里考虑的聚合物长度范围的足够高的孔摩擦提供了易位动力学的有效描述。增加N将需要孔隙摩擦力的相应增加，以保持FP方法的有效性。在低N和高孔隙摩擦的范围之外，聚合物不平衡，FP方法无效。
2014-03-28 cond-mat.soft
Fast DNA translocation through a solid-state nanopore
我们报告易位实验双链DNA通过氧化硅纳米孔。含有DNA片段的样品具有7个不同的长度之间的2000至96000碱基对已通过一个10 nm的孔被驱动。我们发现一个幂律缩放的易位时间与长度，指数为1.26 $\pm$ 0.07。该行为与用蛋白质孔进行的类似实验中观察到的线性行为在性质上不同。我们解决了所观察到的非线性缩放的理论模型，描述了实验中的孔外的聚合物的部分上的流体动力学阻力是抵消驱动的主导力量。我们表明，这是在我们的实验中的情况下，并推导出幂律标度与指数为1.18，与我们的数据非常吻合。
2004-04-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coarse-grained simulation of polymer translocation through an artificial nanopore
大分子通过纳米孔的移位是一个有趣的过程，在开发用于单分子分析的生物传感器以及药物递送和基因治疗中具有重要应用。我们已经进行了一个分子动力学模拟研究的带电聚合物通过人工纳米孔的电泳易位，以探索基于半导体的纳米孔设备的超快速DNA测序的可行性。该聚合物是由一个简单的珠-弹簧模型，旨在产生一个适当的粗粒度描述的磷酸盐骨架的DNA在无盐的水溶液中。单个易位事件的详细分析，以评估是否可以通过测量聚合物易位过程中的静电势的变化，通过纳米级的场效应晶体管检测到通过孔的个别离子的通道。我们发现，它是可能的，以确定对应于通过孔的抗衡离子的单一事件，但歧视的基础上的静电势的变化的聚合物链上的个别离子是有问题的。在易位过程中的几个不同的阶段被确定，其特征在于在聚合物构象的变化和由波动的电荷分布引起的内部电场的大小和方向的变化。反离子的凝聚分数对Bjerrum长度的依赖性导致聚合物构象的显着变化，这深刻地影响了电泳和易位的动力学。
2003-01-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Polymer translocation through a nanopore: a two-dimensional Monte Carlo simulation
我们研究了在没有外部驱动力的情况下聚合物通过纳米孔的易位问题。为此，我们使用二维（2D）波动键模型与单段蒙特卡罗移动。为了克服熵的障碍，没有人为的限制，我们考虑一个聚合物，这是最初放置在中间的孔，并研究所需的逃逸时间的聚合物完全退出孔的两端。特别地，我们研究了孔长度对逃逸时间的影响。
2005-10-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Opposite translocation of long and short oligomers through a nanopore
我们考虑细长的圆柱形颗粒，建模例如DNA片段或纳米棒，同时在外部施加的电压的作用下通过固态纳米孔移位。特别强调的是把伴随的势能景观，遇到的粒子通过孔由于复杂的相互作用的各种电流体动力学效应超出了小德拜长度的范围。我们发现，跨膜的净势能差可能是相反的符号为短和长的粒子的直径和电荷密度相等（例如低聚物）。因此，热噪声导致通过孔隙向相反方向的偏置扩散。通过附加的膜栅电极，甚至可以控制发生这种传输反转的特定颗粒长度。
2013-07-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Chaperone-assisted translocation of a polymer through a nanopore
使用Langevin动力学模拟，我们调查的动力学伴侣辅助易位的柔性聚合物通过纳米孔。我们发现，增加分子伴侣与链的结合能$ε$和分子伴侣浓度$N_c$可以大大提高易位概率。特别地，随着伴侣浓度的增加，对于弱结合观察到最大易位概率。对于固定的分子伴侣浓度，随着$ε$的增加，易位时间$τ$的直方图从长尾分布过渡到高斯分布。对于短链分子，随着结合能的增加，$τ$迅速降低，然后几乎饱和，而对于长链分子，在较低的分子伴侣浓度下，其结合能有一个最小值。我们还表明，$τ$有一个最小值作为伴侣浓度的函数。对于不同的$ε$，还观察到$τ$对链长$N$的非通用依赖性。这些结果可以解释的特征熵效应的柔性聚合物诱导的拥挤效应从高伴侣浓度或高结合能的链段间结合。
2011-08-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
