Thomson问题的数值解及应用计算化学

提出一种能精确而有效的计算方法,用于计算分子各种表面积如容剂可及性表面积、范德华表面积和体积,对计算蛋白质溶剂化能、表征分子形状、计算药物分子在蛋白质分子表面的对接及预测有机小分子生物活性均有重要意义.本文针对n个单位点电荷在单位球面上均匀分布问题-Thomson问题,采用Metropolis Monte Carlo模拟退火方法数值求解,得到了与其它方法一致的结果,并用于小分子和大分子的容剂可及性表面积及范德华表面积和体积的快速计算,提出采用高时斯定理计算分子体积的新方法,结果很好.     

支持向量回归方法用于取代芳烃急性毒性的预测

采用支持向量回归方法建立了取代芳烃对斜生栅列藻的急性毒性值(-lgEC_50)与分子体积(v)、近似表面积(ASA)、网格表面积(GSA)、水化能(HE)、疏水系数(LogP)间的定量关系,用留一法预报了取代芳烃对斜生栅列藻的急性毒性值(- lgEC_50),相对误差绝对值平均为5．803％,其结果优于偏最小二乘法建模所得结果(相对误差绝对值平均为9．49％)。     

石油分子信息库的设计及应用研究

基于石油馏分分子水平分析结果,对这些结果中的化合物进行数据筛选和挖掘,得到了主要的10000多种化合物。通过查询文献、数据库及相应的物性关联方法获得了10000多种化合物10多种基础数据的完备性。在此基础上,实现了石油分子信息库的设计、表的设计及表与表之间的关联。开发了石油分子信息库与可视化软件接口程序。以汽油馏分为基础,采用石油分子信息库中数据及接口程序,实现了由分子组成到混合物的宏观物性计算。对16个汽油样品计算结果表明,密度的平均相对误差为0.28%,馏程的平均误差约在2℃~3℃,BMCI的平均误差约为2。对46个汽油样品的辛烷值计算平均偏差0.34个单位,验证了石油分子信息库设计的合理性、化合物选取的合理性及基础数据的准确性。     

拓扑集成指数与TIBO类衍生物构效关系的研究

4H-甲基咪唑苯二氮(?)酮(TIBO)类衍生物是抗爱滋病的一种新药,分子连接性指数是经证明应用广泛、较为成功的一种指数,本文定义并计算了TIBO类衍生物原子的特征值δi,利用量子化学计算方法,建构新的拓扑集成指数G和分子连接性指数mX,基于多元回归技术建立的对TIBO类衍生物药物的油水分配系数,作出精确估算和预测的定量结构-活性相关关系,得到的多元回归方程为:logP=0.782 G-0.1430X 0.2312X-3.829,估算的平均相对误差为2.53%。为了检验模型的稳定性和预测能力,做了留一法交互校验,预测平均相对误差为3.40%。该模型相关系数高,稳定性好,预测能力强。     

亚胺表面活性剂判别和活性预测

亚胺表面活性剂是1类新型的可逆表面活性剂,由于其可以通过调节pH和温度来控制其可逆过程,在药物缓释等领域中有潜在应用价值。用HyperChem计算了亚胺化合物的QSAR性质。通过聚类分析,可以判断某亚胺化合物是否是表面活性剂。利用逐步回归分析,得到了可以预测其表面性质的方程。醛基临界胶束浓度方程包含2个参数,Grid方法的范德华分子表面积,折射率,方程的相关系数为0.99992,标准差为0.14007。亚胺基临界胶束浓度方程包含2个参数,Grid方法的范德华分子表面积,极化率。方程的相关系数为0.99993,标准差为0.06169。水力直径方程包含2个参数,Approx方法的溶剂可接触部分分子表面积,Grid方法的溶剂可接触部分分子体积,方程的相关系数为1,标准差为0.00346。这些为进一步研究亚胺表面活性剂打下良好的基础。     

Joback法及其修正法估算有机物正常沸点的比较与评价

利用Joback法和Joback修正法估算5597种有机物的正常沸点,并对2种方法进行比较和评价。通过估算精度对比分析,指出了2种估算方法的优缺点,并就它们的估算能力及适用范围提出建议。结果表明:Joback法和Joback修正法计算过程简单使用方便,但是无法区分同分异构体。2种估算方法都对碳原子数大于40(C40)的化合物的估算误差较大;2种估算方法在估算烯烃时的精度最好,平均相对误差为3.66%;其次是含硫化合物,平均相对误差为4.26%。Joback修正法在Joback法基础上对估算含卤素化合物正常沸点进行了改进,其中对含氯化合物的修正最好,相对平均误差为6.03%。Joback修正法的修正效果不是很明显,需要进一步改进。     

基于QSAR模型研究芳烃化合物对小球藻的抑制活性

芳烃化合物正随着工业的快速发展和溢油事故的频繁发生影响着海洋生态系统的健康,提高定量构效关系（QSAR）模型预测未知芳烃化合物毒性的能力是做好芳烃化合物安全防范措施的任务之一。为建立芳烃化合物物化性质与小球藻抑制活性间的QSAR模型,以实验获取的21种芳烃化合物对小球藻96 h的抑制活性数据为基础,采用密度泛函理论（DFT）中的B3LYP方法,在6-311G^**基组上全优化计算21种芳烃化合物结构参数,运用SPSS 12.0 for Windows程序,将这些结构参数作为理论描述符,逐步回归得到芳烃化合物对藻类抑制活性的QSAR模型。该模型相关系数R²为0.925,交叉验证相关系数q²为0.898,说明所建模型具有良好的预测能力和较强的稳定性;所建模型包含2个参数（分子体积和最正氢电荷）,其中分子体积显著影响了该类化合物对小球藻的抑制活性。     

估算有机物正常沸点的基团贡献法比较与评价

利用Joback法、Joback修正法、C-G法、M-P法和许文法估算4068种有机物的正常沸点,并与文献实验值相比较。通过估算精度对比分析,指出了5种估算方法的优缺点,并就它们的估算能力及适用于哪些物质,提出选择的建议。结果:CG2使用简便,能区分同分异构体,估算精度高,是最好的估算方法,估算烷烃、氯衍生物、溴衍生物、脂环烃、芳烃、含氮化合物正常沸点时精度最高,平均相对误差分别为1.86%、3.41%、3.40%、2.84%、3.17%、4.61%;MP2估算碘衍生物正常沸点时精度最高,平均相对误差为3.04%;MP4估算氟衍生物、含氧化合物、含硫化合物正常沸点时精度最高,平均相对误差分别为5.71%、3.75%、2.62%;许文法估算烯烃和炔烃正常沸点时精度最高,平均相对误差分别为1.71%和1.74%;Joback修正法修正效果不明显,有待改进。     

二维分子形状和定量手性程度的研究

以二进制编码描述苯环型化合物分子在二维空间的形状,所得到的编码能够区分二维平面上一对苯环型化合物对映体。由于对映体的二进制编码不同,基于化合物和其镜像的编码计算得到了海明距离,并以其表征1对对映体的定量手性程度。以28对周长为22的手性苯环型化合物对映体为实例,计算苯环型化合物的定量手性程度,其结果仅仅有2个数值,分别为海明距离4和6。具有不同形状的该类化合物很多,为了提高分辨率,分别计算了窗口宽度从1～16时的海明距离,并分别以其来代表定量手性程度。结果显示全部16个窗口的海明距离的加和具有最大的区分能力,共得到17种海明距离。如果将每一窗口的细节引入到计算中,并采用类似的方法计算,则实例中所有的28个苯环型化合物实现了完全的区分,所得到的定量手性程度的区分能力是令人满意的。本研究证明如果用适当的编码来描述二维空间中分子的边界,能够解决分子形状的定量表征。尽管本文的二进制编码衍生于平面系统的苯环型化合物,并以其描述分子的边界来进行手性程度的测量,但是,原则上同样的方法可以应用到所有二维平面上的形状描述。     

指针式仪表读数的机器视觉智能识别方法

为快速准确地自动识别指针式仪表读数,采用机器视觉技术,结合减影法和Hough变换法对仪表读数进行智能识别.对指针式仪表图像进行图像二值化、形态学处理和边缘检测预处理;利用Hough变换检测仪表中的指针,计算得到指针方向和定位圆形,实现指针式仪表的智能识别.实验结果表明:读数识别的平均相对误差为0.91%,精度较高,能较好地识别指针式仪表读数.     

Hairpin-based state machine and conformational addressing: Design and experiment

In this paper, we propose a new architecture for a multi-state DNA machine whose conformation of repeated hairpin structures changes sequentially in response to input oligomers. As an application of the machine, we also propose molecular memory in which the machine is used as a memory unit. Addressing in the memory is realized through state transitions of the machine. We then describe a method for designing DNA sequences of the machine, which exhaustively checks conformational changes of the machine by dividing its secondary structure into hairpin units. The method is based on the minimum free energy of the structure, the structure transition paths, and the total frequency of optimal and suboptimal structures. DNA sequences designed by the method were tested in a chemical experiment in which a machine consisting of two hairpins was actually constructed. As a result, we verified that the multi-state DNA machine realized the expected changes in its secondary structure.     

分子计算理论方法及在化工计算中的应用

论述了量子力学中从头计算、半经验和密度泛函方法及分子力学的基础理论，概述了常用的MD、MC分子模拟方法，总结了多种应用软件的主要功能，并结合实例对HyperChem．7软件的功能进行了具体的说明。     

GridMol系统中蛋白质可视化与建模的性能优化

基于网格计算思想开发一个具有计算化学前、后处理功能的系统GridMol,其主要功能包括分子可视化、分子建模和计算作业提交。针对GridMol系统中蛋白质大分子显示和建模遇到的性能问题,给出调整Java 3D场景图进行性能优化的方法,通过GridMol和其他分子可视化软件的性能比较以及自身优化前后的性能比较,证明优化方法取得了良好的效果。     

计算机存储化学结构的格式及其相互转化

在计算机中存储化学结构是化学信息学首先要解决的问题,由于历史的原因,现在化学结构存储的文件格式多不胜数,给相关研究工作带来了诸多不便。本文首先综述分子结构在计算机中常见的编码方式,介绍化学结构存储的常用文件格式,讨论分子模拟工作中文件格式的选择。然后,总结常用分子模拟软件对这些分子结构文件格式的支持,介绍几种化学结构文件格式转化软件(babel,convert,consystant,vega等),并讨论不同文件类型之间的转换方法。最后,指出应从速制定化学结构文件格式的标准,因为它是化学软件标准的重要内容之一。     

Qmol: a program for molecular visualization on Windows-based PCs

With the advent of powerful, inexpensive graphics hardware, a variety of molecular modelling tools are now available for personal computers (PCs). While a host of high-quality, free visualization programs exist for Unix-like operating systems, there are relatively few available for Microsoft Windows. Most programs that do run under Windows are designed to interactively visualize experimental data and cannot read binary trajectory data generated by molecular simulations. In addition, many of these programs do not accept command line arguments, limiting their ability to serve as a “helper” application to be run by other applications. To fill this gap in functionality, we present Qmol—a program designed for viewing the output of simulations and theoretical calculations of peptides and small molecules.     

片斷分子的建立和正則軌道的定域化

为了研究共轭分子的芳香性，我们建立了新的作用能分解法。该方法的核心是为任何一个共轭分子提供一个π和σ体系彻底分离的轨道基组{Φm^P-π，Φt^p-σ，Φf^P}。为此，放射环形环炔烃分子（D3h对称的）必须分割成3个乙炔片断（A，C，E）和3个乙烯片断（B，D，F），经的{Φm^P-π，Φt^p-σ，Φf^P}是由6个片断的轨道基组{ψk^P-π,ψn^P-σ，ψ‘s^P}(P=A,B,…，F）叠加而成。FMP-L和FMP-R（P=A，B，…，F）是片断P的两个片断分子，设它们C-HR键的键长分别是rR(P)和rL(P)。在定域化后，单占据轨道ψ‘s^P和参考氢原子HR占据轨道ψ‘A^H的总电子数∑qs(P) ∑qh(P)总是正确的，与rR(P)和rL(P)的取值无关。但是，{ψ‘s^P}的空间取向取决于rL(P)和rR(P)的值。在片断A和B中，RV（A）=（-V/A）=1.95153 0.50869*rR^V(A),RV(B)=1.94556 0.54823*rR^V(B),设RV=2,则rR^V(A)=0.9528NM,rR^V(B)=0.09930nm。另外，有条件地优化FMP-R可算得：rR^O(A)=0.10658NM,rR^O(B)=0.10888nm。当rR^V(P)和rR^O(P)确定后，可得到；qs^v(A)=6.05124-56.5228*rL^V(A),qs^V(B)=5.17915-47.0804*rL^V(B);qs^O(A)=5.81883-49.0924*rL^O(A),qs^O(B)=4.70043-39.0818*rL^O(B)。然后设qs(P)=qh(P)=(1/4)(∑qs(P) ∑qh(P))，可得到：rL^V(A)=0.08937nm,rL^V(B)=0.08678nm,rL^O(A)=0.09816nm,rL^O(B)=0.09297nm，再由rR^V(P)和rL^V(P)计算的{Φm^P-π，Φt^p-σ，Φf^P}^V中，每一对成键单占据轨道Φt^P的电子占据数Qi比较均匀合理，它的12个单占据轨道的电子总占数为∑Qt=12.3。另外，在由{Φm^P-π，Φt^p-σ，Φf^P}^V算得的FUL态中，轨道分布也是更好地满足FUL态的基本特征。所以rR^V(P)和rL^V(P)比rR^O(P)和rL^O(P)更为合理。     

AFM功能化成像与分子识别研究进展

在过去的几十年间,AFM在高分辨率分子成像与单分子检测上的应用得到了很大进展。AFM单分子力光谱学(SMFS)模式可以用于研究聚合物结构变化,生物信号传导过程的分子识别或蛋白折叠过程。提出了使用AFM进行功能化修饰和SMFS用于定位表面蛋白与多糖,研究表面蛋白的分子延展性的一些进展,并展望了研究前景与难点。     

分子点群的计算机三维动画设计与表示

探讨了采用计算机三维动画和多媒体技术描述分子点群的表达方法。结合实例设计并制作了分子的对称元素及其对称操作以及分子的10种点群的计算机三维动画。软件采用3D MAX2．5、Photoshop5.5进行素材制作,并采用Authorware5进行了组装。     

从常温到超临界条件下水的分子动力学模拟

采用MD模拟方法研究了从常温到超临界条件下不同状态水的微观结构、氢键结构及氢键松弛的动态性质。模拟结果表明,随着温度的升高,成键分子中O…O间的平均距离基本保持不变,O…H间距离增加,水分子的氢键作用逐渐减弱,形成氢键的两水分子O…O一H取向角的分布呈线型分布的概率降低;同一温度下密度的变化对O-O、O-H径向分布函数和氢键的键角分布的影响不大。由于温度升高使氢原子热运动增强,水的四面体结构缺陷增加,氢键的平均寿命显著缩短,温度是影响氢键平均寿命的主要因素。