QM/MM几何构型优化计算的python脚本

QM/MM结构优化

QM/MM几何构型优化计算的python脚本如下：

import glob, math, os.path

from pBabel import AmberCrdFile_ToCoordinates3,

AmberTopologyFile_ToSystem ,

SystemGeometryTrajectory ,

AmberCrdFile_FromSystem ,

PDBFile_FromSystem ,

XYZFile_FromSystem

from pCore import Clone, logFile, Selection

from pMolecule import NBModelORCA, QCModelBDF, System

from pMoleculeScripts import ConjugateGradientMinimize_SystemGeometry,

FIREMinimize_SystemGeometry ,

LBFGSMinimize_SystemGeometry ,

SteepestDescentMinimize_SystemGeometry

# 定义结构优化接口

def opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection):

molecule.DefineFixedAtoms(selection) #固定原子

#定义优化方法

ConjugateGradientMinimize_SystemGeometry(

molecule,

maximumIterations = 40, # 最大优化步数

rmsGradientTolerance = 0.1, #优化收敛控制

trajectories = [(trajectory, 1)]

) # 定义轨迹保存频率

# 定义能量计算模式

nbModel = NBModelORCA()

qcModel = QCModelBDF("GB3LYP:6-31g")

# 读取体系坐标和拓扑信息

molecule = AmberTopologyFile_ToSystem ("GallicAcid.prmtop")

molecule.coordinates3 = AmberCrdFile_ToCoordinates3("GallicAcid.crd")

# 关闭体系对称性

molecule.DefineSymmetry(crystalClass = None) #QM/MM方法不支持使用周期性边界条件

#. Define Atoms List

natoms = len(molecule.atoms) # 系统中总原子数

qm_list = range(72, 90) # QM 区原子

activate_list = range(126, 144) + range (144, 162) # MM区活性原子（优化中可以移动）

#定义MM区原子

mm_list = range (natoms)

for i in qm_list:

mm_list.remove(i) # MM 删除QM原子

mm_inactivate_list = mm_list[:]

for i in activate_list :

mm_inactivate_list.remove(i)

# 输入QM原子

qmmmtest_qc = Selection.FromIterable(qm_list)

# 定义各选择区

selection_qm_mm_inactivate = Selection.FromIterable(qm_list + mm_inactivate_list)

selection_mm = Selection.FromIterable(mm_list)

selection_mm_inactivate = Selection.FromIterable(mm_inactivate_list)

# . Define the energy model.

molecule.DefineQCModel(qcModel, qcSelection = qmmmtest_qc)

molecule.DefineNBModel(nbModel)

molecule.Summary()

#计算优化开始时总能量

eStart = molecule.Energy()

#定义输出文件目录名

outlabel = 'opt_watbox_bdf'

if os.path.exists(outlabel):

pass

else:

os.mkdir (outlabel)

outlabel = outlabel + '/' + outlabel

# 定义输出轨迹

trajectory = SystemGeometryTrajectory (outlabel + ".trj" , molecule, mode = "w")

# 开始第一阶段优化

# 定义优化两步

iterations = 2

# 顺次固定QM区和MM区进行优化

for i in range(iterations):

opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection_qm_mm_inactivate) #固定QM区优化

opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection_mm) #固定MM区优化

# 开始第二阶段优化

# QM区和MM区同时优化

opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection_mm_inactivate)

#输出优化后总能量

eStop = molecule.Energy()

#保存优化坐标，可以为xyz/crd/pdb等。

XYZFile_FromSystem(outlabel + ".xyz", molecule)

AmberCrdFile_FromSystem(outlabel + ".crd" , molecule)

PDBFile_FromSystem(outlabel + ".pdb" , molecule)

输出体系收敛信息如下（此处仅展示前20步优化收敛结果）：

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Iteration Function RMS Gradient Max. |Grad.| RMS Disp. Max. |Disp.|

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

0 I -1696839.69778731 2.46510318 9.94250232 0.00785674 0.03168860

2 L1s -1696839.82030342 1.38615730 5.83254788 0.00043873 0.00126431

4 L1s -1696839.90971371 1.41241184 5.29242524 0.00067556 0.00172485

6 L0s -1696840.01109863 1.41344485 4.70119338 0.00090773 0.00265969

8 L1s -1696840.09635696 1.44964059 5.72496661 0.00108731 0.00328490

10 L1s -1696840.17289698 1.28607709 4.73666387 0.00108469 0.00354577

12 L1s -1696840.23841524 1.03217304 3.00441004 0.00081945 0.00267931

14 L1s -1696840.30741088 1.40349698 5.22220965 0.00162080 0.00519590

16 L1s -1696840.43546466 1.32604042 4.51175225 0.00158796 0.00455431

18 L0s -1696840.52547251 1.27123125 4.20616166 0.00158796 0.00428040

20 L0s -1696840.60265453 1.08553355 3.12355616 0.00158796 0.00470223

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

输出体系总能量信息如下：

注：QM/MM几何构型优化一般不容易收敛，在实际操作中需要的技巧较多。常见的有，固定MM区，优化QM区；然后固定QM区优化MM区。如此往复循环几次后，再同时优化QM区和MM区。优化是否收敛，和QM区的选择及QM/MM边界是否有带电较多的原子等关系很大。为了加速优化，可以在计算时固定MM区，仅选择离QM区较近的合适区域，作为活性区域，在优化中坐标可以变化。

QM/MM激发态计算

基于上一步的QM/MM几何构型优化，继而即可将MM区活性原子添加到QM区进行QM/MM-TDDFT计算，完整的代码如下:

import glob, math, os.path

from pBabel import AmberCrdFile_ToCoordinates3,

AmberTopologyFile_ToSystem ,

SystemGeometryTrajectory ,

AmberCrdFile_FromSystem ,

PDBFile_FromSystem ,

XYZFile_FromSystem

from pCore import Clone, logFile, Selection

from pMolecule import NBModelORCA, QCModelBDF, System

from pMoleculeScripts import ConjugateGradientMinimize_SystemGeometry,

FIREMinimize_SystemGeometry ,

LBFGSMinimize_SystemGeometry ,

SteepestDescentMinimize_SystemGeometry

# 定义结构优化接口

def opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection):

molecule.DefineFixedAtoms(selection) #固定原子

#定义优化方法

ConjugateGradientMinimize_SystemGeometry(

molecule,

maximumIterations = 40, # 最大优化步数

rmsGradientTolerance = 0.1, #优化收敛控制

trajectories = [(trajectory, 1)]

) # 定义轨迹保存频率

# 定义能量计算模式

nbModel = NBModelORCA()

qcModel = QCModelBDF("GB3LYP:6-31g")

# 读取体系坐标和拓扑信息

molecule = AmberTopologyFile_ToSystem ("GallicAcid.prmtop")

molecule.coordinates3 = AmberCrdFile_ToCoordinates3("GallicAcid.crd")

# 关闭体系对称性

molecule.DefineSymmetry(crystalClass = None) #QM/MM方法不支持使用周期性边界条件

#. Define Atoms List

natoms = len(molecule.atoms) # 系统中总原子数

qm_list = range(72, 90) # QM 区原子

activate_list = range(126, 144) + range (144, 162) # MM区活性原子（优化中可以移动）

#定义MM区原子

mm_list = range (natoms)

for i in qm_list:

mm_list.remove(i) # MM 删除QM原子

mm_inactivate_list = mm_list[:]

for i in activate_list :

mm_inactivate_list.remove(i)

# 输入QM原子

qmmmtest_qc = Selection.FromIterable(qm_list)

# 定义各选择区

selection_qm_mm_inactivate = Selection.FromIterable(qm_list + mm_inactivate_list)

selection_mm = Selection.FromIterable(mm_list)

selection_mm_inactivate = Selection.FromIterable(mm_inactivate_list)

# . Define the energy model.

molecule.DefineQCModel(qcModel, qcSelection = qmmmtest_qc)

molecule.DefineNBModel(nbModel)

molecule.Summary()

#计算优化开始时总能量

eStart = molecule.Energy()

#定义输出文件目录名

outlabel = 'opt_watbox_bdf'

if os.path.exists(outlabel):

pass

else:

os.mkdir (outlabel)

outlabel = outlabel + '/' + outlabel

# 定义输出轨迹

trajectory = SystemGeometryTrajectory (outlabel + ".trj" , molecule, mode = "w")

# 开始第一阶段优化

# 定义优化两步

iterations = 2

# 顺次固定QM区和MM区进行优化

for i in range(iterations):

opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection_qm_mm_inactivate) #固定QM区优化

opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection_mm) #固定MM区优化

# 开始第二阶段优化

# QM区和MM区同时优化

opt_ConjugateGradientMinimize(molecule, selection_mm_inactivate)

#输出优化后总能量

eStop = molecule.Energy()

#保存优化坐标，可以为xyz/crd/pdb等。

XYZFile_FromSystem(outlabel + ".xyz", molecule)

AmberCrdFile_FromSystem(outlabel + ".crd" , molecule)

PDBFile_FromSystem(outlabel + ".pdb" , molecule)

# TDDFT计算

qcModel = QCModelBDF_template ( )

qcModel.UseTemplate (template = 'head_bdf_nosymm.inp' )

tdtest = Selection.FromIterable ( qm_list + activate_list )

# . Define the energy model.

molecule.DefineQCModel ( qcModel, qcSelection = tdtest )

molecule.DefineNBModel ( nbModel )

molecule.Summary ( )

# . Calculate

energy = molecule.Energy ( )

输出体系总能量信息如下：

同时生成.log结果文件，和普通的激发态计算一样，可以看到振子强度，激发能，激发态的总能量等信息

No. 1 w= 4.7116 eV -1937.8276358207 a.u. f= 0.0217 D= 0.0000 Ova= 0.6704

CV(0): A( 129 )-> A( 135 ) c_i: 0.7254 Per: 52.6% IPA: 7.721 eV Oai: 0.6606

CV(0): A( 129 )-> A( 138 ) c_i: 0.2292 Per: 5.3% IPA: 9.104 eV Oai: 0.8139

CV(0): A( 132 )-> A( 135 ) c_i: 0.4722 Per: 22.3% IPA: 7.562 eV Oai: 0.6924

CV(0): A( 132 )-> A( 138 ) c_i: -0.4062 Per: 16.5% IPA: 8.946 eV Oai: 0.6542

随后还打印了跃迁偶极矩

*** Ground to excited state Transition electric dipole moments (Au) ***

State X Y Z Osc.

1 0.0959 0.1531 0.3937 0.0217 0.0217

2 0.0632 -0.1286 0.3984 0.0207 0.0207

3 -0.0797 -0.2409 0.4272 0.0287 0.0287

4 0.0384 -0.0172 -0.0189 0.0003 0.0003

5 1.1981 0.8618 -0.1305 0.2751 0.2751

吸收光谱分析

对于激发态我们往往需要得到理论预测的吸收谱峰形，也就是将每个激发态的吸收按一定的半峰宽进行高斯展宽。在TDDFT计算正常结束后，我们需要进入终端用命令调用BDF安装路径下的plotspec.py脚本执行计算。若用户使用鸿之微云算力资源，进入命令端方式请查阅鸿之微云指南，此文不做赘述。

进入终端后，在目录下运行$BDFHOME/sbin/plotspec.py bdf.out，会产生两个文件，分别为bdf.stick.csv和bdf.spec.csv，前者包含所有激发态的吸收波长和摩尔消光系数，可以用来作棒状图，后者包含高斯展宽后的吸收谱（默认的展宽FWHM为0.5 eV），分别对比真空环境以及溶剂化效应下高斯展宽后的吸收谱情况，并用Excel、Origin等作图软件作图如下：

上图也可说明由于QM/MM计算考虑溶剂化效应，存在周围其他分子的相互作用，从而使得吸收光谱发生红移现象。

审核编辑 ：李倩