化学学报 ›› 2023, Vol. 81 ›› Issue (8): 967-978.DOI: 10.6023/A23040172 上一篇 下一篇
所属专题: 庆祝《化学学报》创刊90周年合辑
综述
投稿日期:
2023-04-27
发布日期:
2023-09-14
作者简介:
魏文杰, 清华大学化学工程系在读博士研究生. 2022年本科毕业于清华大学. 目前主要从事大分子体系中活性粒子的扩散动力学计算机模拟研究. |
陈文龙, 清华大学化学工程系在读博士研究生. 2022年本科毕业于清华大学. 主要从事大分子网络中扩散动力学的计算机模拟研究. |
戴晓彬, 清华大学化学工程系在读博士研究生. 2014年本科毕业于清华大学. 主要从事大分子的计算机理论计算与模拟研究, 包括聚合物纳米复合体系, 大分子网络体系等. |
燕立唐, 清华大学化工系长聘教授. 主要研究方向为, 结合现代软凝聚态物理与传统高分子物理, 发展新的计算模型和解析理论, 应用于大分子组装、凝胶体系以及生命大分子体系的基础理论研究. 曾获德国洪堡学者基金, 国家基金委优秀青年基金和国家杰出青年科学基金项目资助. |
基金资助:
Wenjie Wei, Wenlong Chen, Xiaobin Dai, Li-Tang Yan()
Received:
2023-04-27
Published:
2023-09-14
Contact:
*E-mail: ltyan@mail.tsinghua.edu.cn
About author:
Supported by:
文章分享
生命体系中的扩散行为涉及营养摄取和药物递送等重要的生命过程. 深入了解粒子在生物大分子介质中的扩散行为将有助于理解相关生命现象以及发展新型医用材料. 生物大分子介质中的扩散行为往往是反常的, 不能简单地基于传统扩散常数方程进行描述. 这通常归因于生物介质中的拥挤环境与复杂相互作用使扩散产生了持续相关性, 进而导致中心极限定理不再适用. 从反常扩散的扩散系数、均方位移以及位移概率分布函数三个方面分析了反常扩散的机理与物理特征, 综述了近年来针对大分子介质中反常扩散的研究进展. 随后概述了反常扩散的物理模型与现有理论框架. 最后对生物大分子介质中反常扩散动力学理论的未来发展方向进行了展望.
魏文杰, 陈文龙, 戴晓彬, 燕立唐. 生物大分子介质中的反常扩散动力学理论★[J]. 化学学报, 2023, 81(8): 967-978.
Wenjie Wei, Wenlong Chen, Xiaobin Dai, Li-Tang Yan. Theory of Anomalous Diffusion Dynamics in Biomacromolecular Media★[J]. Acta Chimica Sinica, 2023, 81(8): 967-978.
[1] |
Brown R. Philos. Mag. 1828, 4, 161.
|
[2] |
Einstein A. Ann. Phys. 1905, 17, 549.
|
[3] |
Smoluchowski M. von. Ann. Phys. 1906, 21, 756.
|
[4] |
Sacanna S.; Pine D. J. J. Colloid Interface Sci. 2011, 16, 96.
|
[5] |
Lee K. J.; Yoon J.; Lahann J. J. Colloid Interface Sci. 2011, 16, 195.
doi: 10.1016/0095-8522(61)90020-4 |
[6] |
Li X.; Vlahovska P. M.; Karniadakis G. E. Soft Matter. 2013, 9, 28.
doi: 10.1039/C2SM26891D |
[7] |
Frey E.; Kroy K. Ann. Phys. 2005, 517, 20.
doi: 10.1002/andp.v517.1-3 |
[8] |
Smith P. R.; Morrison I. E. G.; Wilson K. M.; Fernandez N.; Cherry R. J. Biophys. J. 1999, 76, 3331.
doi: 10.1016/S0006-3495(99)77486-2 |
[9] |
Caspi A.; Granek R.; Elbaum M. Phys. Rev. Lett. 2000, 87, 5655.
|
[10] |
Seisenberger G.; Ried M. U.; Endress T.; Buning H.; Hallek M.; Brauchle C. Science 2001, 294, 1929.
doi: 10.1126/science.1064103 |
[11] |
Weiss M.; Elsner E.; Kartberg F.; Nilson T. Biophys. J. 2004, 87, 3518.
doi: 10.1529/biophysj.104.044263 |
[12] |
Golding I.; Cox E. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 098102.
doi: 10.1103/PhysRevLett.96.098102 |
[13] |
Saxton M. J. Biophys. J. 2007, 92, 1178.
doi: 10.1529/biophysj.106.092619 |
[14] |
Weber S. C.; Spakowitz A. J.; Theriot J. A. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 238102.
doi: 10.1103/PhysRevLett.104.238102 |
[15] |
Malchus N.; Weiss M. J. Fluoresc. 2010, 20, 19.
doi: 10.1007/s10895-009-0517-4 |
[16] |
Hofling F.; Bamberg K. U.; Franosch T. Soft Matter. 2011, 7, 1358.
doi: 10.1039/C0SM00718H |
[17] |
Bancaud A.; Huet S.; Daigle N.; Mozziconacci J.; Beaudouin J.; Ellenberg J. EMBO J. 2009, 28, 3785.
doi: 10.1038/emboj.2009.340 |
[18] |
Weber S. C.; Spakowitz A. J.; Theriot J. A. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 238102.
doi: 10.1103/PhysRevLett.104.238102 |
[19] |
Wong I. Y.; Gardel M. L.; Reichman D. R.; Weeks E. R.; Valentine M. T.; Bausch A. R.; Weitz D. A. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 178101.
doi: 10.1103/PhysRevLett.92.178101 |
[20] |
Gielen E.; Vercammen J.; Sykora J.; Humpolickova J.; Vandeven M.; Benda A.; Hellings N.; Hof M.; Engelborghs Y.; Steels P.; Ameloot M. C. R. Biol. 2005, 328, 1057.
doi: 10.1016/j.crvi.2005.09.008 |
[21] |
Dai X. B.; Zhang X. Y.; Gao L. J.; Yan L. T. Acta Polym. Sin. 2021, 52, 1076. (in Chinese)
|
( 戴晓彬, 张轩钰, 高丽娟, 燕立唐, 高分子学报, 2021, 52, 1076.)
|
|
[22] |
Weiss M.; Elsner M.; Kartberg F.; Nilsson T. Biophys. J. 2004, 87, 3518.
doi: 10.1529/biophysj.104.044263 |
[23] |
Ando T.; Skolnick J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 18457.
doi: 10.1073/pnas.1011354107 |
[24] |
Baumg artner, A.; Muthukumar, M. J. Chem. Phys. 1987, 87, 3082.
doi: 10.1063/1.453045 |
[25] |
Slater G. W.; Wu S. Y. Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 164.
doi: 10.1103/PhysRevLett.75.164 |
[26] |
Nixon G. I.; Slater G. W. Phys. Rev. E 1999, 60, 3170.
doi: 10.1103/PhysRevE.60.3170 |
[27] |
Tabatabaei F.; Lenz O.; Holm C. Colloid Polym. Sci. 2011, 289, 523.
doi: 10.1007/s00396-011-2393-0 |
[28] |
Shi H. B.; Yu Y. X.; Gao G. H. Acta Chim. Sinica 2005, 63, 358. (in Chinese)
|
( 史红兵, 于养信, 高光华, 化学学报, 2005, 63, 358.)
|
|
[29] |
Huang Y. R.; Zheng X.; Hu G. Q. Physics of Gases, 2018, 3, 1. (in Chinese)
|
( 黄艺荣, 郑旭, 胡国庆, 气体物理, 2018, 3, 1.)
|
|
[30] |
Skaug M. J.; Faller R.; Longo M. L. J. Chem. Phys. 2011, 134, 215101.
doi: 10.1063/1.3596377 |
[31] |
Nicolau D. V. Jr.; Hancock J. F.; Burrage K. Biophys. J. 2007, 92, 1975.
doi: 10.1529/biophysj.105.076869 |
[32] |
Niehaus A. M. S.; Vlachos D. G.; Edwards J. S.; Plechac P.; Tribe R. Biophys. J. 2008, 94, 1551.
doi: 10.1529/biophysj.107.106484 |
[33] |
Fick A. Ann. Phys. 1855, 170, 59.
doi: 10.1002/(ISSN)1521-3889 |
[34] |
Perrin J. Acad. Sci. Paris C. R. 1908, 146, 967.
|
[35] |
Langevin P. Acad. Sci. Paris C. R. 1908, 146, 530.
|
[36] |
Anish T.; Michael E. M. Nano Lett. 2007, 7,1276.
doi: 10.1021/nl070192x |
[37] |
Yamamoto U.; Schweizer K. S. Macromolecules 2014, 48, 152.
doi: 10.1021/ma501150q |
[38] |
Popova H.; Egorov S. A.; Milchev A. J. Chem. Phys. 2020, 152, 234902.
doi: 10.1063/5.0005301 |
[39] |
Kalathi J. T.; Yamamoto U.; Schweizer K. S.; Grest G. S.; Kumar S. K. Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 108301.
doi: 10.1103/PhysRevLett.112.108301 |
[40] |
Cai L. H.; Panyukov S.; Rubinstein M. Macromolecules 2015, 48, 847.
doi: 10.1021/ma501608x |
[41] |
Dell Z. E.; Schweizer K. S. Macromolecules 2013, 47, 405.
doi: 10.1021/ma4021455 |
[42] |
Guo H.; Bourret G.; Lennox R. B.; Sutton M.; Harden J. L.; Leheny R. L. Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 055901.
doi: 10.1103/PhysRevLett.109.055901 |
[43] |
Xu Z.; Dai X.; Bu X.; Yang Y.; Zhang X.; Man X.; Zhang X.; Doi M.; Yan L. T. ACS Nano. 2021, 15, 4608.
doi: 10.1021/acsnano.0c08877 |
[44] |
Dai X.; Zhang X.; Gao L.; Xu Z.; Yan L. T. Nat. Commun. 2022, 13, 4094.
doi: 10.1038/s41467-022-31861-9 |
[45] |
Viswanathan G. M.; Buldyrev S. V.; Havlin S.; da, luz, M. G. E.; Raposo, E. P.; Stanley H. E. Nature 1999, 401, 911.
doi: 10.1038/44831 |
[46] |
Wang B.; Kuo J.; Granick S. Phys. Rev. Lett. 2013, 111, 208102.
doi: 10.1103/PhysRevLett.111.208102 |
[47] |
Barthelemy P.; Bertolotti J.; Wiersma D. S. Nature 2008, 453, 495.
doi: 10.1038/nature06948 |
[48] |
Chen K.; Wang B.; Granick S. Nat. Mater. 2015, 14, 589.
doi: 10.1038/nmat4239 |
[49] |
Chen P.; Yue H.; Zhai X.; Huang Z.; Ma G. H.; Wei W.; Yan L. T. Sci. Adv. 2019, 5, 3192.
|
[50] |
Huang Z.; Chen P.; Zhu G.; Yang Y.; Xu Z.; Yan L. T. ACS Nano. 2018, 12, 6725.
doi: 10.1021/acsnano.8b01842 |
[51] |
Chen P.; Huang Z.; Liang J.; Cui T.; Zhang X.; Miao B.; Yan L. T. ACS Nano. 2016, 10, 11541.
doi: 10.1021/acsnano.6b07563 |
[52] |
Chen K.; Wang B.; Guan J.; Granick S. ACS Nano. 2013, 7, 8634.
doi: 10.1021/nn402787a |
[53] |
Wang B.; Anthony S. M.; Bae S. C.; Granick S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 15160.
doi: 10.1073/pnas.0903554106 |
[54] |
Leptos K. C.; Guasto J. S.; Gollub J. P.; Pesci A. I.; Goldstein R. E. Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 198103.
doi: 10.1103/PhysRevLett.103.198103 |
[55] |
Menzel A. M.; Goldenfeld N. Phys. Rev. E 2011, 84, 011122.
doi: 10.1103/PhysRevE.84.011122 |
[56] |
Kurtuldu H.; Guasto J. S.; Johnson K. A.; Gollub J. P. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 10391.
doi: 10.1073/pnas.1107046108 |
[57] |
Eaves J. D.; Reichman D. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 106, 15171.
doi: 10.1073/pnas.0902888106 |
[58] |
Stariolo D. A.; Fabricius G. J. Chem. Phys. 2006, 125, 064505.
doi: 10.1063/1.2221309 |
[59] |
Saltzman E. J.; Schweizer K. S. Phys. Rev. E 2008, 77, 051504.
doi: 10.1103/PhysRevE.77.051504 |
[60] |
Weeks E. R.; Crocker J. C.; Levitt A. C.; Schofield A.; Weitz D. A. Science 2000, 287, 627.
doi: 10.1126/science.287.5453.627 |
[61] |
Kegel W. K.; van Blaaderen A. Science 2000, 287, 290.
doi: 10.1126/science.287.5451.290 |
[62] |
Chaudhuri P.; Berthier L.; Kob W. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 060604.
doi: 10.1103/PhysRevLett.99.060604 |
[63] |
Gao Y.; Kilfoil M. L. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 078301.
doi: 10.1103/PhysRevLett.99.078301 |
[64] |
Wang B.; Kuo J.; Bae S. C.; Granick S. Nat. Mater. 2012, 11, 481.
doi: 10.1038/nmat3308 |
[65] |
Zhang X.; Dai X.; Habib M. A.; Xu Z. Y.; Gao L. J.; Chen W. L.; Wei W. J.; Tang Z. Q.; Qi X. Y.; Gong X. J.; Jiang L. X.; Yan, L. T. arXiv preprint arXiv:2212. 13341, 2022.
|
[66] |
Beck C.; Cohen E. G. Physica A 2003, 322, 267.
doi: 10.1016/S0378-4371(03)00019-0 |
[67] |
Beck C. Prog. Theo. Phys. Supp. 2006, 162, 29.
|
[68] |
Van der Straeten E.; Beck C. Phys. Rev. E. 2009, 80, 036108.
doi: 10.1103/PhysRevE.80.036108 |
[69] |
Hapca S.; Crawford J. W.; Young I. M. J. R. Soc. Interface 2009, 6, 111.
doi: 10.1098/rsif.2008.0261 |
[70] |
Chubynsky M. V.; Slater G. W. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 098302.
doi: 10.1103/PhysRevLett.113.098302 |
[71] |
Jain R.; Sebastian K. L. J. Phys. Chem. B 2016, 120, 3988.
doi: 10.1021/acs.jpcb.6b01527 |
[72] |
Chechkin A. V.; Seno F.; Metzler R.; Sokolov I. M. Phys. Rev. X. 2017, 7, 021002.
|
[73] |
Mura A.; Taqqu M. S.; Mainardi F. Physica A 2008, 387, 5033.
doi: 10.1016/j.physa.2008.04.035 |
[74] |
Mura A.; Mainardi F. Integral Transform Spec. Funct. 2009, 20, 185.
doi: 10.1080/10652460802567517 |
[75] |
Pagnini G.; Kober E. Fract. Calc. Appl. Anal. 2012, 5, 117.
|
[76] |
Benoit B. M.; John W. V. N. SIAM Rev. Soc. Ind. Appl. Math. 1968, 10, 422.
|
[77] |
Montroll E. W.; Weiss G. H. J. Math. Phys. 1965, 6, 167.
doi: 10.1063/1.1704269 |
[78] |
Risken H. In Part of the Springer Series in Synergetics Book Series, Vol. 18, Ed.: Haken, H., Springer, Berlin, 1996, Chapter 3.
|
[79] |
Ralf M.; Eli B.; Joseph K. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 3563.
doi: 10.1103/PhysRevLett.82.3563 |
[1] | 郑奉斌, 王琨, 林田, 王英龙, 李国栋, 唐智勇. 金属有机骨架封装金属纳米粒子复合材料的制备及其催化应用研究进展★[J]. 化学学报, 2023, 81(6): 669-680. |
[2] | 陈俊敏, 崔承前, 刘瀚林, 李国栋. 金属有机框架与Pt粒子复合材料催化喹啉选择性加氢性能研究※[J]. 化学学报, 2022, 80(4): 467-475. |
[3] | 赵晋源, 张乾, 王坚, 张琦, 李恒, 杜亚平. 活性氧捕获材料的研究进展[J]. 化学学报, 2022, 80(4): 570-580. |
[4] | 李嫣然, 王子贵, 汤朝晖. 水溶性IR-780聚合物用于线粒体靶向的光动力治疗※[J]. 化学学报, 2022, 80(3): 291-296. |
[5] | 高贺麒, 焦迪, 欧翰林, 章经天, 丁丹. 高性能聚集诱导发光纳米探针用于肿瘤切除手术导航[J]. 化学学报, 2021, 79(3): 319-325. |
[6] | 郭宜君, 魏冰, 周翔, 姚东宝, 梁好均. DNA步行器调控的纳米粒子超晶格[J]. 化学学报, 2021, 79(2): 192-199. |
[7] | 王英美, 朱道明, 杨阳, 张珂, 张修珂, 吕明珊, 胡力, 丁帅杰, 王亮. 快速合成Bi@ZIF-8复合纳米材料用于近红外二区光热治疗以及可控药物释放[J]. 化学学报, 2020, 78(1): 76-81. |
[8] | 左方涛, 徐威, 赵爱武. 基于功能化Fe3O4@Ag纳米粒子快速检测Hg2+的SERS方法[J]. 化学学报, 2019, 77(4): 379-386. |
[9] | 李东祥, 高媛媛, 张晓芳, 夏海兵. 纳米尺度的消化熟化及其在单分散纳米材料制备中的应用[J]. 化学学报, 2019, 77(4): 305-315. |
[10] | 刘娇, 孙海龙, 印璐, 袁亚仙, 徐敏敏, 姚建林. 微流控芯片结合表面增强拉曼光谱实时监测α-苯乙醇的微量合成反应[J]. 化学学报, 2019, 77(3): 257-262. |
[11] | 夏雷, 程震, 朱华, 杨志. 124I原位标记有机黑色素纳米粒子的制备及初步分子影像研究[J]. 化学学报, 2019, 77(2): 172-178. |
[12] | 邱华玉, 赵井文, 周新红, 崔光磊. 离子液体-无机颗粒杂化电解质在二次电池中的研究进展[J]. 化学学报, 2018, 76(10): 749-756. |
[13] | 张晨杰, 张婧, 林洁茹, 金琦, 徐敏敏, 姚建林. 金纳米粒子单层膜表面SPR催化反应的原位SERS研究[J]. 化学学报, 2017, 75(9): 860-865. |
[14] | 王鑫, 谭丽丽, 杨英威. 金粒子包封介孔二氧化硅杂化载药控释体系[J]. 化学学报, 2016, 74(4): 303-311. |
[15] | 赵文静, 乔增莹, 段中余, 王浩. pH和氧化双响应性聚β硫酯化合物的制备及其聚集性质的研究[J]. 化学学报, 2016, 74(3): 234-240. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||