今天简介一下 Materials Studio（MS）中 FORCITE 模块。FORCITE模块主要是基于分子动力学（Molecular Dynamics）研究体系的扩散系数，径向分布函数，回转半径等性质。

MS中的 FORCITE 模块是由 DISCOVER 模块发展来的，在 MS 8.0 中 DISCOVER 模块完全被 FORCITE 取代。在动力学模拟（Molecular Dynamics）之前，需要选择两个重要的参数，分别是力场（Forcefield）和系综（Ensemble）。

▲图1 FORCITE 模块中力场和系综

首先对MS中FOCITE模块的力场进行简介，FOCITE 中的力场包括 COMPASS 力场、Dreiding 力场、Universal 力场、pcff 力场、cvff 力场。COMPASS力场适用于有机和一些无机分子，一般用于材料领域性质的计算（MS私有）；COMPASS26 与 COMPASS27 与 COMPASS 相比，增加以及改进了一些分子参数。Dreiding 和 Universal 力场中包含的原子参数较多，适用于多数类型分子和材料。pcff 力场适用于糖类、脂类和核酸。cvff 适用于多肽和蛋白质。可以根据体系类型选择不同的力场进行计算。在对一个体系进行计算时，所选的力场中可能并没有我们体系中的原子，这时我们需要在 MS 安装包

share/Resources/Simulation/ClassicalEnergy/FORCEFIELDS/Standard路径下的对应的力场中添加参数，包括键长，键角，二面角等参数，同时在这个路径中可以导入新的力场。

系综也是动力学计算当中最重要的参数，系综包括微正则系综（NVE），等焓等压系综系综（NPH），正则系综（NVT），等温等压系综（NPT）。其中 NVT 和 NPT 是比较常用的系综，如果研究扩散，优化为了获得稳定的密度时使用 NPT 系综；如果研究吸附，推荐使用 NVT 系综。

对于动力学模拟的一般过程包括结构优化（Geometry Optimization），退火（Anneal）和动力学（Dynamics）三个过程。三个过程中精度（Quality）需要保持一致，结构优化使用 Medium，退火和动力学都使用 Medium。

▲图2 动力学模拟过程

对于结构优化过程中，一般使用的算法是最陡下降法（Steepest descent）和共轭梯度法（Conjugate gradient）。最陡下降法适用于偏离平衡位置较大的结构，共轭梯度法适用于已经接近平衡位置的结构的优化。因此对于我们自己构建的模型需要先使用最陡下降法，接着使用共轭梯度法来找到能量最低的结构。在退火过程中，初始温度（Initial temperature）一般选择 300 K，中间循环温度（Mid-cycle temperature）一般选择 500 K。退火和动力学过程中步长（Time step）选择 1fs，对于控温方法（Themostat）选择 Andersen（控压方法选择 Berendsen）。对于能量偏差（Energy deviation）的选择尽可能大于体系的能量。对于退火过程和动力学的模拟时间一般不同，退火过程一般模拟的时间为 10-100 ps 左右，而对于动力学过程中模拟的时间较长，一般要选择10ns以上的模拟时间。

▲图3 退火和动力学中的部分参数

对于动力学模拟之后的分析主要包括径向分布，扩散系数和回转半径等。径向分布主要可以看到两种分子或者原子之间的成键情况。首先选择两种原子或者分子，将这两种的分子或者原子分别设置成两种 Set，接着分析两种 Set 的径向分布，本次分析选择了两种原子（O 和 H）进行分析，我们一般选择total（H1-O1），从径向分布图中可以看出在 1.6-3.1Å 之间有峰，则说明 O 与 H 之间有氢键形成。

▲图4 设置 Set 的步骤

▲图5 O 原子与 H 原子的径向分布函数

扩散系数主要通过分析均方位移(Mean Square Displacement)来间接求出体系的扩散系数：即均方位移曲线斜率的六分之一就是体系的扩散系数（公式（1））。对于均方位移同样先设置一个分子的 Set，然后选择模拟时间的范围进行分析。均方位移受温度的影响，如图6 得到不同温度下的均方位移， 随着温度的增加，均方位移（扩散系数）增加，在使用均方位移计算扩散系数时，要选取体系平衡之前的均方位移进行计算（图6 中选择 7ns 之前的均方位移）。对于回转半径，一般针对蛋白质和 DNA 在动力学模拟之后需要分析蛋白质和 DNA 的稳定性。

▲图6 某分子在五种温度下的均方位移