SCIGRESS-多功能分子设计模拟软件包 SCIGRESS-多功能分子设计模拟软件包 日期:2018-10-03 标签: 阅读: 简介:一款可以运行在Microsoft Windows XP或Vista、Windows 台下的分子设计模拟软件。

        SCIGRESS 是一款可以运行在Microsoft Windows XP或Vista、Windows 平台下的分子设计模拟软件。SCIGRESS整合了Scigress Explorer(即CAChe) 和Materials Explorer两款著名软件,使其功能更加全面,强大,实用易用,应用领域涉及化学,材料,生命科学以及本科和研究生教育等方面。


       SCIGRESS 先进的分子建模和可视化功能使得研究者可以方便的导入多种实验方法所得的分子结构,也可以轻松的建立一个新的结构。除了丰富的建模工具外, SCIGRESS也提供了强大的计算引擎和全面的分析工具。


       分子动力学计算引擎Materials Explorer是由日本FUJITSU公司开发的一种高效的商业化的多用途分子动力学软件包。Materials Explorer功能非常强大,有63个力场供选择,可以用来研究有机物、高聚物、生物大分子、金属、陶瓷材料、半导体等晶体、非晶体、溶液、流体、液体和气体的相变、膨胀、压缩系数、抗张强度、粘度、热导率、缺陷等。小分子药物与生物大分子的对接以及小分子药物的构效关系一直是计算机辅助药物设计中两项非常重要的内容。Scigress继承了CAChe的功能,提供了这两项计算功能。此外,Scigress还包括了使用广泛的半经验量化计算模块。通过Scigress,研究者可以完成扫描分子势能面,确定化学反应机理,寻找反应过渡态,分析红外紫外光谱,明确分子轨道中的电子跃迁,常规分子动力学模拟,计算众多材料体系的力学与热力学性质,模拟晶体的外延生长与表面吸附的动态行为,预测小分子在多孔材料中的分布情况,列举分子的低能构
象,建立药物分子的构效关系模型,完成小分子药物与生物靶标的对接等多种科研任务。


        SCIGRESS 实现了Client-Server 构架。研究者可以简便的利用位于Microsoft Windows平台下的界面进行建模和结果分析,把大量的计算任务分配到服务器或计算集群中进行。这样就使得研究者可以对更大的体系进行更精确的模拟计算。

 

Scigress体系建模

 

         Scigress具有强大的图形界面,帮助用户轻松地创建各种研究体系。在图形界面中,用户通过简单的鼠标点击就可以建立包括小分子,聚合物和生物大分子等单分子体系,以及周期性体系,如晶体、液晶、气体、液体、界面、多相体系、无限长链、外延生长等。

 

 ●单分子体系

 

小分子建模

各类二维、三维小分子创建二维、三维构型互相转换大量分子片段模板等


                                                                                                                                                                         
聚合物建模

同聚物 ;嵌段共聚物;无规共聚物;同聚树状高分子 ;无规树状高分子等

 

生物分子建模

创建多肽模型; 蛋白质同源建模;创建、添加非标准氨基酸;序列比对,选择保守残基; 叠加生物大分子等

 


 siggress1.jpg

 

除自建模型外,用户还可以使用以下两种方法建模:

 

 ●数据库搜索

 

程序内置结构库,自己构建的分子结构库

 

●导入其它格式

 

可直接读取包括.cif, .mol, .mop, .cdx等多达近20种常见结构文件

 

建立模型后,用户还可根据需要进行其他处理,如:

 

1.修改模型中原子、化学键状态,修改几何参数;
2.删除模型中的部分原子,连接环结构,复制拷贝模型;
3.修改分子显示参数,如原子与键的外观,分子着色, 原子标签等;
4.定义原子群,对原子群进行操作,如删除、隐藏原子群等;
5.叠加分子构型,产生镜像分子,固定部分原子坐标或键长、键角等;
6.自动检查建模合理性,添加氢原子,检查原子杂化状态等;

 

 ●周期性体系

 

     Scigress继承了Materials Explorer卓越的建模功能,使用者可通过多种周期性模型的建模向导,如Random Cell, Liquid Crystal Cell, Interface Cell, Infinite Chain, Amorphous cell等,轻松地的构建不同类型的研究体系用于分子动力学模拟。

 sig2.jpg

       

        除上述标准体系外,Scigress还可以建立复合研究体系用于分子动力学研究。通过设置模拟体系的密度、改变体系的组分与分布情况、置换超胞中的原子或分子等方法构建多组分多相混合物体系,如溶液、液体混合物、气体混合物、气- 固、气- 液体系、有机双分子膜、固溶体等;通过旋转超胞中部分原子建立晶界或亚晶界模型;通过Scigress 特有的分子枪功能建立研究固体表面生长、吸附、腐蚀的模型。

 

sig3.jpg

分子枪功能用于晶体生长,表面吸附,腐蚀及原子溅射等方面的模拟

 

 Scigress计算引擎

 

●半经验量化方法

 

       Scigress提供了多种半经验量化计算引擎,包括ExtHückel、MO-G、MO-S、ZINDO等用于计算体系的电子密度,分子轨道、静电势、点电荷、键级、偶极距、离子势、优化结构、势能面、势能面交叉、反应路径、过渡态、振动频率与光谱、激发态优化、激发态反应、红外光谱、紫外可见光谱、溶液中的结构性质等。

 

 ●分子动力学

 

Scigress 的动力学模拟模块继承了Materials Explorer 卓越的动力学模拟功能。它可以处理大多数的材料体系, 完成复杂控制条件的分子动力学模拟。

 

模拟计算能力

 

可实现系综:NEV, NTV, NPH 以及 NTP
动力学积分:Gear和Hernandez
控温控压:Parrinello-Rahman和Nose方法
键约束:SHAKE和MATRIX算法
多种分子模型:potential, rigid body, bond constraint, united atom model
外场:静电场,磁场,重力场,包括球和弹性能校正
电荷确定工具:确定原子电荷
分子枪:研究晶体的外延生长,表面吸附和表面破坏
研究异相系统:气- 固界面,固体颗粒边界等(采用周期性边界条件)

 

计算热导的非平衡分子动力学

 

初始驰豫:阻止在液体和非晶模拟中的爆炸
模拟设定向导:协助非专业用户设定动力学模拟策略

sig4.jpg

 

 力场

 

       Scigress提供了丰富的势函数库,适用于很大范围内体系的动力学模拟。有63种被严格测试过的高质量力场供用户选择,包括二体势,三体势和嵌入势;涵盖晶体,金属,陶瓷,半导体,溶剂,液体,气体,有机物,聚合物和生物分子(2Body, 3Body,EAM,Dreiding, MM2, CFF, UFF, OPLS, AMBER, GAFF, SPC, TIP, CIM 等),并支持用户自定义力场。

 

sig5.jpg

 ●构象搜索

 

         当我们知道一个较为复杂的分子的2D结构后,如何将其可能的3D结构列举出来,并选择一个当我们知道一个较为复杂的分子的2D结构后,如何将其可能的3D结构列举出来,并选择一个或几个有可能出现的结构来解释实验现象呢?Scigress所内置的CONFLEX模块可以产生任意形模块可以产生任意形状分子的低能构象。利用它可以优化结构,产生构象,绘制势能面。

 

CONFLEX使用四种特殊的方法来完成的构象空间的搜索:

 

1.Down-stream/reservoir-filling
2.A variable search limit
3.Three modes of perturbation(unique corner flap,edge flip,and step,edge flip,and stepwise rotation)
4. Pre-check


构象空间搜索流程:


第一步:产生一个合适的初始构象,并对其有一个结构扰动
第二步:对第一步产生的构象进行优化
第三步:对比优化的结构和已存储结构

 

●分子对接与构效关系

 

        Scigress中特别的Spreetsheet设计可以使使用者轻松完成QSAR模型的建立。关于分子对接,Scigress可以简便高效的预测大分子上潜在的对接位点,并寻找药物小分子和生物大分子的最佳结合模式。

sig6.jpg

 

Scigress结果分析

 

       Scigress提供了功能丰富且操作简单的计算结果分析工具。利用这些集成在程序内部结果分析程序,使用者可以根据自己的需要,利用软件提供的向导式的操作分析计算结果,将计算结果可视化,得到有意义的数据和图像。

 

●结构,轨道和光谱

 

利用Scigress的图形化界面,使用者可以根据需要设定对象(包括分子,图形,表格等)的色彩,透明度,标签,字体等。由半经验方法可以计算得出体系相关的几何结构与电子结构性质,用户可以利用相应模块进行结果分析,

 

在图形化界面下显示相关性质:

 

优化几何结构的;多种构象叠加 ;原子电荷及健级;静电势表面 ;分子轨道 ;势能面; 振动模型  ;激发态能谱 ;紫外吸收光谱;红外吸收光谱 ;反应过渡态 ;IRC路径结构;DRC路径 ;等……

 

sig7.jpg

 

●动态性质分析

 

Scigress拥有丰富的动力学性质分析模块。用户可以根据自己的需要分析分子动力学轨迹,拥有丰富的动力学性质分析模块。用户可以根据自己的需要分析分子动力学轨迹,得到动态相关性质。

 

 具体包括:

 

原 子 性 质 、 动 力 学 轨 迹 及 速 度 向 量 的 可 视 化 , 均 方 位 移 ( M e a n S q u a r e Displacement),热力学性质随时间变化,成对相关函数(Pair correlation function) 干涉函数(Interference function) ,速度自相关函数(Velocity auto-correlation function)


旋转相关函数(Rotation auto-correlation function) ,弹性模量(Modulus of elasticity),剪切粘度(Shear viscosity.) ,进行Voronoi多面体搜索分析(Voronoi polyhedra) ,分析体系几何构型,分析材料物性等。

         计算产生动力学轨迹后,利用Scigress 提供的工具显示体系内原子性质,查看动力学轨迹的动画以及各原子速度向量。

 

sig8.jpg

 

Scigress任务设置

 

        Scigress采用多种人性化设计,使之使用方便。在提供专业的精确计算同时,又充分考虑到非专业理论科研者的需要,简化了计算设置过程,尽可能的实现计算设置向导化。这样就使得使用者不用过多的关注计算关键词的具体含义,省去关键词的输入和组合,而只需要关注想要进行哪些计算,得到哪个方面的性质即可。


       在计算时,使用者只需要设定计算的范畴,选择想得到的性质,也就是计算的内容,和合适的计算过程即可。


       使用者除了可以选择现有的计算过程外,还可以根据自己的需要,编辑Scigress提供的计算过程使之完全符合您的要求。更深一步的,使用者甚至还可以自己从新组合Scigress提供的计算功能,形成自己的独特的新的计算过程,以达到所要求的目的。


       如果同时提交多个任务,
Scigress还提供了一个计算过程控制窗口,以供使用者查看,停止,删除正在执行的计算过程,判断计算的完成情况。

 

sig9.jpg

 

Scigress在分子模拟领域的应用


●分子筛中小分子的扩散、吸附与催化作用

 

        分子筛是具有均匀的微孔、其孔径与一般分子大小相当为一类吸附剂或薄膜类物质。在化学化工中经常被用作催化剂或者催化剂的载体。

 

sig10.jpg

 

●多相共存体系

 

        在体系内部物理性质和化学性质完全均一的一部分称为“相”(Phase)。相与相之间在指定的条件下有明显的界面,在界面上,从宏观的角度看,性质的改变是飞跃式的。

 

sig11.jpg

 

 ●物理气相沉积过程模拟

 

        物 理 气 相 沉 积 ( P h y s i c a l V a p o r Deposition,简称PVD)技术是指在真空条件下,用物理的方法,将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子,并通过气相过程,在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜的技术。适用于物理气相沉积的基体材料和膜层材料非常广泛。金属、玻璃、陶瓷、塑料等均可以做为基体材料。膜层材料可以是纯金属、合金或者是化合物。而且可以获得单晶、多晶、微晶、或者非晶结构的薄膜。

 

sig12.jpg