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A Stabilized Finite Element Method for Modified Poisson-Nernst-Planck Equations to Determine Ion Flow Through a Nanopore

引用

Communications in Computational Physics 2014年第1期15卷 93-125页

作者： Jehanzeb Hameed Chaudhry Jeffrey Comer aleksei aksimentiev Luke N.Olson Department for Mathematics Colorado State UniversityFort CollinsCO 80523USA. Department for Physics University of Illinois at Urbana-ChampaignUrbanaIL 61801USA. Department for Computer Science University of Illinois at Urbana-ChampaignUrbanaIL 61801USA

The conventional Poisson-Nernst-Planck equations do not account for the finite size of ions *** leads to solutions featuring unrealistically high ionic concentrations in the regions subject to external potentials,in particular,near highly charged surfaces.A modified form of the Poisson-Nernst-Planck equations accounts for steric effects and results in solutions with finite ion ***,we evaluate numerical methods for solving the modified Poisson-Nernst-Planck equations by modeling electric field-driven transport of ions through a *** describe a novel,robust finite element solver that combines the applications of the Newton’s method to the nonlinear Galerkin form of the equations,augmented with stabilization terms to appropriately handle the drift-diffusion *** make direct comparison with particle-based simulations possible,our method is specifically designed to produce solutions under periodic boundary conditions and to conserve the number of ions in the solution *** test our finite element solver on a set of challenging numerical experiments that include calculations of the ion distribution in a volume confined between two charged plates,calculations of the ionic current though a nanopore subject to an external electric field,and modeling the effect of a DNA molecule on the ion concentration and nanopore current.

关键词： Steric effects nucleic acids ionic current continuum transport theory ion channels PNP SUPG finite element method.

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