[发明专利]分子力学力场参数的自动化生成方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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已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，也只有很小一部分已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。本发明的发明正是为了满足这一需求。

发明内容

本发明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、准确的分子力学力场参数的自动化生成方法。

本发明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，