分子力学力场参数的自动化生成方法技术

本发明专利技术涉及分子力学力场参数的自动化生成方法，包含了自动生成分子模拟必需的分子力学力场参数的方法，可应用于材料科学、生命科学、药物科学和化学化工等方面的基础研究。本发明专利技术主要内容是：为目标分子寻找可以用来制作其分子力场参数的唯一的一组分子模型集合；对分子模型集合实施量子力学计算，以得到可以用来拟合分子力学力场的基准数据；自动拟合大量非线性数据；自动验证拟合的结果；以及用数据库方法储存管理上述数据和拟合结果。本发明专利技术是为了解决缺乏完整准确的力场这一在当前分子模拟技术广泛应用中的瓶颈问题。本发明专利技术提供了一个新的，能够快速、准确、自动地推导分子力场的系统方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算化学中的分子模拟方法，包含了自动生成分子模拟必需的 分子力学力场参数的方法，可应用于材料科学、生命科学、药物科学和化学化 工等方面的基础研究。
技术介绍
随着现代计算机硬件和软件技术的迅速发展，分子模拟已经成为一个不可 或缺的研究手段，在材料科学、生命科学、药物科学和化学化工等方面起到日 益重要的作用。而分子模拟的基础是能够准确描述原子间相互作用的势函数， 也就是通常所说的分子力学力场。目前，不完整的分子力学力场常常阻碍分子 模拟方法在工业中的应用。虽然公开文献中已有许多分子力学力场的报道(如CHARMM, AMBER, MM2， MM3， MMFF， CFF9x, COMPASS, Drieding， UFF等)，但是现有力场在可迁移性和可扩展性方面存在着严重的局限性，在应用 到新药物或新材料分子的研发时仍有很多要求难以满足，往往出现因缺乏参数 而无法进行计算的现象。原子类型的使用是限制力场可迁移性的根本原因。当力场被用于一个分子 时，如果其中一个原子的环境未被完整地定义，这一原子则可能被归为另一相 近的己经定义了的原子类型，从而导致在分子模拟过程中提取到错误的力场参 数。这样，就破坏了该力场的可迁移性。另一方面，要提高可迁移性，只好将 原子类型按照更为严格的标准进行细化，为不同化学环境下的原子提供合适的 参数，但是，这样不仅会极大地增加推导参数的工作量，而且会降低整体覆盖 面。化学分子结构千变万化，新的分子也层出不穷，显然这种方式无法穷尽所 有分子。所以，不断细分原子类型是不能从根本上解决力场参数的可迁移性问 题的。同时，原子类型的使用也严重的限制了力场的可扩展性。当一个力场包含有一定数目的原子类型的定义后，新原子类型的引入往往导致力场原定义域的 变化，从而使整个力场发生变化。所以，引入新原子类型及其参数时必须严格 检查原有力场的整体计算精度是否受到破坏。而这需要重新验证所有的计算并 调整相应的参数。对一般使用者来讲，这是不切实际的。可迁移性决定了力场参数的适用范围，而可扩展性则决定着力场的开放性 和生命力，为其不断发展和完善创造基础。由于缺乏可迁移性和可扩展性，现有的力场都是不完备的。比如，即使是当今最大的力场，如CFF和MMFF， 也只有很小一部分己知的药物分子可以被准确地描述。在千变万化的药物分子 结构面前，现有的力场常常显得无能为力。这极大地妨碍着分子模拟方法的应 用价值和应用范围。推导力场的过程需要很高的技巧，往往耗费研究人员大量的时间。很难满 足应用的需要。因此，缺乏完整准确的力场已经成为迫切需要解决的制约分子 模拟技术广泛应用的瓶颈问题，而开发一个能够快速、准确、自动地推导分子 力场的方法，取代繁琐的人力劳动，已成为分子模拟发展的客观而迫切的要求。 本专利技术的专利技术正是为了满足这一需求。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速、准 确的。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现分子力学力场参数的自动化 生成方法，其特征在于，可以用计算机程序实现的自动制作分子力学力场的方 法，该方法包含以下步骤a) 用目标分子寻找可以用来制作其分子力场参数的唯一的一组分子模型集 合，b) 实施量子力学计算得到可以用来拟合分子力学力场的基准数据，c) 无须人力干预的拟合大量非线性数据的程序，d) 用数据库储存管理上述数据和拟合结果。所述的用目标分子寻找可以用来制作其分子力场参数的唯一的一组分子 模型集合包括下述步骤a) 对任意给定的分子系统中确定组成该分子的、适合制作其分子力学力场的分子片断集的方法，b) 用模式识别的方法过滤得到的分子片断集除去其中的子片断，c) 用加氢的方法将得到的分子片断制作成完整的分子模型。所述的实施量子力学计算得到可以用来拟合分子力学力场的基准数据包括下述步骤a) 根据输入的分子片断以及制作分子力学力场的需要确定分步实施的量子力学计算的参数，b) 实施和监督量子力学计算的过程，c) 检验量子力学计算的结果，将量子力学计算的结果转换为可以用来推导分子力学力场参数的数据。所述的无须人力干预的拟合大量非线性数据的程序包括下述步骤a) 根据导入的分子模型和量子力学计算的基准数据估算初始力场参数，b) 根据导入的分子模型和量子力学计算的基准数据选择拟合方法，c) 实施、监督和管理拟合过程的方法。所述的用数据库储存管理上述数据和拟合结果包括下述步骤a) 储存分子模型中的原子的三维坐标，原子类型、原子电荷数据，b) 储存量子力学计算的能量、能量的一、二阶导数、电荷、频率数据，c) 储存拟和得到的分子力学力场参数。所述的根据导入的分子模型和基准数据估算初始力场参数包括下述步骤a) 根据分子力场类型选定函数形式，b) 给分子模型中的原子指定原子类型，c) 根据基本原子参数估算初始分子力场参数。所述的根据导入的分子模型和基准数据选择拟合方法包括下述步骤-a) 用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘拟合方法确定非线性参数，b) 用SVD方法确定线性参数，c) 用SUMT方法控制参数可调范围。所述的实施、监督和管理拟合过程的方法包括下述步骤 a)验证输入的分子模型和基准数据的一致性，b)根据输入的分子模型和基准数据估算初始力场参数，C)根据输入基准数据分步拟和分子力场参数，d)检验得到的分子力场参数和基准数据的符合程度。本专利技术提供了一种新的，能够快速、准确、自动地推导分子力场的系统方 法，为目标分子寻找可以用来制作其分子力场参数的唯一的一组分子模型集 合，对分子模型集合实施量子力学计算，以得到可以用来拟合分子力学力场的 基准数据，自动拟合大量非线性数据，自动验证拟合的结果，以及用数据库方 法储存管理上述数据和拟合结果。附图说明图1是本专利技术的总体系统框架图； 图2是图1中参数化系统的流程图；； 图3是图2中片断化工具流程图； 图4是图2中量化计算步骤流程图； 图5是图2中力场属性设置流程图； 图6是图2中估算参数流程图； 图7是图2中拟合流程图； 图8是图2中数据库结构图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。在本专利技术以及附图中涉及到的专业术语解释如下 模型 一一是指一个包含有不同数量原子，分子和分子簇的分子系统。 基准数据 一一包括能量，能量在笛卡尔坐标下的一阶导数以及二阶导数等基准数据，这些数据是计算所得的。例如，可以是用量子力学计算方法所得数据。分子力场 一一是指用一组数学公式来描述分子与分子，分子与原子， 以及原子与原子之间的相互作用势函数。分子力场给出了模型的总能量、能量 的导数作为原子坐标的函数。函数里包含了可调参数。开发一个分子力场的关键问题就是要确定所有的可调参数。力场类型 一一指一组特定的函数组合。常用的力场类型有CHARMM, AMBER, MM2， MM3， MMFF, CFF9x， COMPASS, Drieding， UFF等.力场类型 和参数共同定义了一个特定的分子力场。分子片断 一一是按一定规则划分的完整的分子片断；这些分子片断相 对独立，在不同的分子体系里有相对稳定的性质(可迁移性)，而其组合能包 含并反映所研究分子体系的主要化学特性。原子类型一一是指化学元素的2级分类，即把同一元素在不本文档来自技高网...

【技术保护点】
分子力学力场参数的自动化生成方法，其特征在于，可以用计算机程序实现的自动制作分子力学力场的方法，该方法包含以下步骤：　　　　ａ）用目标分子寻找可以用来制作其分子力场参数的唯一的一组分子模型集合，　　　　ｂ）实施量子力学计算得到可以用来拟合分子力学力场的基准数据，　　　　ｃ）无须人力干预的拟合大量非线性数据的程序，　　　　ｄ）用数据库储存管理上述数据和拟合结果。

【技术特征摘要】
1.分子力学力场参数的自动化生成方法，其特征在于，可以用计算机程序实现的自动制作分子力学力场的方法，该方法包含以下步骤a)用目标分子寻找可以用来制作其分子力场参数的唯一的一组分子模型集合，b)实施量子力学计算得到可以用来拟合分子力学力场的基准数据，c)无须人力干预的拟合大量非线性数据的程序，d)用数据库储存管理上述数据和拟合结果。2. 根据权利要求l所述的分子力学力场参数的自动化生成方法，其特征在于，所述的用目标分子寻找可以用来制作其分子力场参数的唯一的一组分子模型集合包括下述步骤a) 对任意给定的分子系统中确定组成该分子的、适合制作其分子力学力场的分子片断集的方法，b) 用模式识别的方法过滤得到的分子片断集除去其中的子片断，c) 用加氢的方法将得到的分子片断制作成完整的分子模型。3. 根据权利要求l所述的分子力学力场参数的自动化生成方法，其特征在 于，所述的实施量子力学计算得到可以用来拟合分子力学力场的基准数据包括下述步骤a) 根据输入的分子片断以及制作分子力学力场的需要确定分步实施的量子 力学计算的参数，b) 实施和监督量子力学计算的过程，c) 检验量子力学计算的结果，将量子力学计算的结果转换为可以用来推导 分子力学力场参数的数据。4. 根据权利要求1所述的分子力学力场参数的自动化生成方法，其特征在于，所述的无须人力干预的拟合大量非线性数据的程序包括下述步骤a) 根据导入的分子模型和量子力学计算的基准数据估算初始力场参数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙淮，
申请(专利权)人：屹昂计算化学软件上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31[]