Bewegung und Konformationseigenschaften elektrisch geladener Polymerketten in Lösung unter Einwirkung eines äußeren Feldes
Final Report Abstract
Die Bewegung von geladenen Polymerketten in äußeren Feldern ist die Grundlage von Verfahren, bei den Polymere entsprechend ihrer Größe getrennt werden können. Eine der wichtigsten Anwendungen ist die Bestimmung des genetischen Fingerabdrucks durch Ermittlung der charakteristischen Fragmentierung einer durch Enzyme zerschnittenen DNS. Leider ist diese elektrophoretische Trennung nicht in einer freien Lösungsmittelumgebung möglich, da sich die hydrodynamischen Effekte der Polymerkette und ihrer Gegenionen kompensieren. Dieses Projekt beschäftigte sich vor allem mit der Dynamik von geladenen Polymerketten in einem nanoskopischen Spalt zwischen zwei festen Obertlächen. Da die Beweglichkeit einer geladenen Polymerkette ein kooperativer Effekt ist, der aus dem Zusammenspiel langreichweitiger elektrostatischer und hydrodynamischer Wechselwirkungen der Ketten und der sie umgebenden Ionen resultiert, wurde in diesem Projekt ein Simulationscode entwickelt, der alle diese Komponenten berücksichtigt. Insbesondere wurde die hydrodynamische Wechselwirkung über eine Diffusionsmatrix unter Berücksichtigung der Randbedingungen realisiert. Mit Hilfe dieser Methode konnte die Dynamik von vergröberten fiexiblen Ketten bis zu einer Länge von 150 Wiederholungseinheiten auf realistischen Zeitskalen simuliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass unter den Bedingungen einer Spalt-Geometrie und eines zusätzlich angelegten transversalen Feldes eine elektrophoretische Trennung von Ketten bis zu einer Länge von über 100 Wiederholungseinheiten möglich ist Die physikalische Ursache dafür liegt vorwiegend in einer Erhöhung der effektiven Ladung der Kette hervorgerufen durch das transversale Feld, welches die Gegenionen von den Ladungsträgern auf der Kette stärker trennt. Die effektive Ladung einer Polymerkette unterscheidet sich im Allgemeinen von der Zahl der geladenen (dissoziierten) Wiederholungseinheiten, z.B. durch Kondensationseffekte der Gegenionen. Als Konsequenz erhöht sich die elektrophoretische Mobilität, also die Wanderungsgeschwindigkeit der Ketten im äußeren Feld bei vergrößerter Kettenlänge. Auf der anderen Seite begrenzt die zunehmende Reibung an den Oberflächen diesen Effekt. Im Rahmen des Projektes wurde eine große Zahl von Parametern simuliert und auch die elektrophoretische Mobilität von Ketten im freien Lösungsmittel als Referenz untersucht. Als Überraschung im Projektverlauf kann die Komplexität der dynamischen Eigenschaften geladener Polymersysteme hervorgehoben werden, welche die numerischen Ansätze als auch die physikalische Interpretation immer wieder vor neue Herausforderungen stellt. Durch die großen Anforderungen an die Rechenzeit hat sich insbesondere die Entwicklung von Simulationscode auf Grafikprozessoren als Alternative erwiesen, sodass diesem technischen Aspekt ein größeres Zeitfenster zugeordnet wurde.
Publications
- Simulations of Polyelectrolyte Dynamics in an Externally Applied Electric Field In Confined Geometry. J. Chem. Phys. 133, 244902 (2010)
S. Nedelcu and J.-U. Sommer
- GPU Implementations of the Bond Fluctuation Model. J. Comp. Phys. 231, 2811 (2012)
S. Nedelcu, M. Werner, M. Lang and J.-U. Sommer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jcp.2011.12.021)
