• 原始文档 GROMACS with QM/MM using DFTB3

• 2017年02月12日 20:52:46 翻译: 陈国俊; 校对: 李继存

分子动力学模拟软件GROMACS包含了QM/MM模块, 其中的量子化学计算需要通过外部程序来进行. GROMACS目前提供的量子化学接口包括: Gamess UK, Gaussian, Mopac和Orca. 详情请参阅GROMACS官方说明.

DFTB是基于密度泛函理论的参数化量子化学计算方法, 其最新版本DFTB3发展于2011年, 能够成功地用于描述有机和生物分子体系, 并比常规的DFT方法快100到1000倍. 对于DFTB的介绍, 可以参考DFTB2与DFTB3的原始论文.

我们已经在GROMACS 5中实现了DFTB方法. 这意味着所有计算都是在GROMACS程序中进行的, 运行QM/MM模拟时不再需要借助外部程序. 实现方法可参考我们发表的论文:

T. Kubař, K. Welke and G. Groenhof: New QM/MM Implementation of the DFTB3 method in the Gromacs Package, J. Comput. Chem. DOI:10.1002/jcc.24029 (2015)

DFTB方法不能描述London色散作用. 不过, 对能量进行经验的post-SCF校正可以弥补这个缺陷. 目前, 我们已经实现了D3色散校正. 需要使用时, 请参考D3和D3-BJ的论文.

首先, 从GROMACS官方网站上获取GROAMCS 5.0版本.

同时, 我们需要将GROMACS与PLUMED联用, 所以你还需要获取PLUMED 2.1或2.1.x版本.

安装PLUMED, 但先不要为GROMACS打补丁.

获取实现DFTB的BGROMACS补丁, 最新版本于2015年10月30日发布.(请通过电子邮件告知我们, 你的姓名及地址, 何时下载了我们的程序. 我们会为你的信息保密, 并不会将其透漏给第三方. 谢谢)

使用刚刚下载的文件为GROMACS打补丁:

手动改正GROMACS主目录, Plumed.cmake和Plumed.inc文件中对libplumed.so或libplumed.a文件的引用, 使其与你的安装一致.

编译GROMACS. 选择dftb作为GMX_QMMM_PROGRAM的值, 并且关闭CUDA以及所有的并行选项(MPI, THREAD_MPI和OPENMP). 最好编译为双精度版本(GMX_DOUBLE=ON). 当链接到MKL线性代数库时可能会遇到问题. 如果你解决了这些问题, 请告知我们.

DFTB方法涉及一些参数集, 请查阅原始文献获取更多信息. 在网站上注册后便可免费获得参数文件. 对于有机和生物分子, 我们推荐使用DFTB3方法和3OB参数集. 需要注意的是, 目前支持的化学元素仅包括: H, C, N, O, P, S, F, Cl, Br, I, Na, K和Ca.

从网站获得的参数文件不能被类似GROMACS的C语言程序直接读取. 所以, 要将其转换为合适的格式. 你可以下载一个脚本来完成这个工作. 不过需要注意的是, 需要在脚本中指定要处理的化学元素.

假如你需要在DFTB计算中应用D3色散校正, 还要下载必须的参数文件并将其解压到DFTB参数文件所在的文件夹.

由于使用了原始的GROMACS QM/MM接口, 所以你需要先了解这一部分的GROMACS官方说明. 需要注意的是, 进行QM/MM模拟时必须修改拓扑文件, 并且在目前的实现中, QM区域必须完全处于一个分子中(以拓扑的角度而言).

运行输入文件(.mdp)中与QM/MM相关的选项总结如下:

使用DFTB运行QM/MM时, 还有一些额外的选项:

此外, 进行QM/MM模拟时需要注意下面的通用设置:

• 推荐使用cutoff-scheme=group, 因为我们并不确定Verlet算法如何用于QM/MM

• 在一些模拟中, 如果没有明确指定nstpcouple变量, 进行NPT模拟时往往会得到错误结果. 我们推荐在运行输入文件中设置nstpcouple=1, 或使用NVT模拟

运行mdrun程序前, 可设置一些合适的环境变量以便使用扩展功能:

在模拟的过程中, 除了会生成常规的一些输出文件之外, mdrun还会额外生成一个名为 qm_dftb_chargs.xvg的文件, 其中包含了原子的Mulliken电荷.

• v6a: 修订版本(2015年10月30) 下载链接

• v6: 原始版本, GROMACS 5.0 + Plumed 2.1/2.1.x(2015年3月26) 下载链接