物理学。Rev.E 88，010101（R）（2013）-单粒子跟踪数据揭示了拥挤流体中的反相关分数布朗运动

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单粒子跟踪数据揭示了拥挤流体中的反相关分数布朗运动

马蒂亚斯·韦斯

物理学。版本E88，010101（R）–2013年7月8日出版

摘要

在拥挤的流体中，例如在活细胞的细胞质中或在人工溶液中，经常观察到异常扩散和粒子的均方位移（亚扩散）的次线性增长。根据最近报道的一组单粒子跟踪数据，这里显示了浸没在人工拥挤流体中的纳米粒子的轨迹显示了反相关分数布朗运动的所有特征。此外，轨迹的功率谱遵循报告流体粘弹性的比例。因此，大分子拥挤使流体具有粘弹性，进而导致浸没示踪粒子的细扩散，具有分数布朗运动的所有特征。

收到日期：2013年4月24日

内政部：https://doi.org/10.103/PhysRevE.88.010101（物理版）

作者和附属机构

马蒂亚斯·韦斯^*

德国拜勒大学30号拜勒大学实验物理I，邮编：D-95440

^*matthias.weiss@uni-bayreuth.de

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第88卷，第。2013年7月1日

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图1
平方位移累积分布的代表性示例[等式(1)]用于蔗糖和右旋糖酐溶液（分别为完整符号和开放符号）。数据显示为 $- 自然对数 [1 - P（P） ({第页}_{τ}^{2})]$ 与 ${第页}_{τ}^{2}$ 以双对数形式。对于增量为高斯PDF的随机行走，预计会出现线性缩放（虚线）。所有数据集在几个数量级上都遵循这种缩放( $τ = 0.1, 0.4, 1.6 秒$ 分别显示为圆形、菱形和正方形）。重用权限（&P）
图2
用各自的MSD重新调整图1的平方增量， $x个 = {第页}_{τ}^{2} / 〈 {第页}_{τ}^{2} 〉$ ，导致所有数据（彩色线）塌陷为单个无参数主曲线 $P（P） (x个) = 1 - {e（电子）}^{- x个}$ ，即所有数据都遵循预测 $- 自然对数 [1 - P（P） (x个)] = x个$ 超过几个数量级（用开圆圈表示）。因此，无论滞后时间如何，所有轨迹都具有增量的高斯PDF $τ$ 插图：用于缩放的MSD显示了之前报告的次扩散[8]. 对于蔗糖溶液（开放符号）， $〈 {第页}_{τ}^{2} 〉 / τ = 常数$ （全线）；右旋糖酐溶液（闭合符号） $〈 {第页}_{τ}^{2} 〉 / τ \sim 1 / τ^{0.2}$ （虚线）。超越 $τ \sim 1$ s、右旋糖酐溶液的数据收敛于正态扩散（虚线）。右旋糖酐溶液的数据上移了5倍，以提高可见性。重用权限（&P）
图3
（a）质点位移的相关函数， ${C类}_{τ} (t吨)$ [等式(2)]，显示了蔗糖溶液中从单位到零的快速衰减，与正常布朗运动（插图）的模拟结果一致。彩色线条表示时间滞后 $τ = 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6 秒$ （从左到右分别显示为黑色、绿色、红色、蓝色和灰色）。（b）相反，右旋糖酐溶液的数据显示出明显的反相关[ ${C类}_{τ} (t吨) < 0$ ]在初始相关性衰减到零之后。该结果与FBM（插图）上的模拟数据吻合良好，因此证实葡聚糖溶液中的轨迹具有反相关FBM的所有特征， $Δ t吨 = 4$ ms是轨迹的时间分辨率。重用权限（&P）
图4
一段时间内访问的不同站点的数量 $τ$ 除以MSD（三条轨道上的平均值）表示缩放 $秒_{τ} / 〈 {第页}_{τ}^{2} 〉 \sim τ^{δ}$ 具有 $δ = 0$ 用于两组实验数据，从而确认右旋糖酐溶液中的FBM。相反，OD模拟显示 $δ < 0$ 如预期的那样[15].重用权限（&P）
图5
（a）功率谱 $S公司 (ω)$ 蔗糖（蓝色）中的（三个单独轨迹的平均值）与纯粘性流体的预测非常吻合， $S公司 (ω) \sim 1 / ω^{2}$ （虚线）。相反，右旋糖酐溶液的数据显示出高频区分数高斯噪声和粘弹性的明确指示[虚线； $S公司 (ω) \sim 1 / ω^{1.7}$ ]. 为了提高能见度， $ω$ 已被尽可能最小的频率标准化 $ω_{0}$ 、和 $S公司 (ω_{0})$ 已经被设定为团结。（b）模拟CTRW轨迹（蓝色）的功率谱遵循正常随机游动的缩放比例，而在渗流阈值（黑色）处的阻塞扩散也会产生非平凡的缩放比例 $S公司 (ω) \sim 1 / ω^{1.7}$ .重用权限（&P）

物理审查E

涵盖统计、非线性、生物和软物质物理

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