输入:必需品

概述

与标准ADF运行相比,运行ADF QM / MM仿真需要两个额外的输入组件:

  • QMMM.密钥块必须在ADF输入文件中发生
  • 一个单独的力字段参数文件。

在本节中,我们介绍了如何设置ADF QM / MM模拟,假设已有适当的Force字段文件已有。在后面的部分中提供了所有选项和强制字段文件的完整描述。

示例输入

让图2-1显示我们想要模拟和预期分区的分子系统。注意,这是如图1-1所示的系统,不同之处在于将非粘结水分子添加到MM区域之外。

../_images/image024.png.

图2-1。样品结构。示出了原子编号和QM / MM原子类型(QM,MM和LI)。

下面的示例2.1显示了笛卡尔坐标中定义的几何图形的模拟的ADF输入文件。完整QM / MM系统的初始原子坐标定义为它们在正常的ADF中运行原子和GeoVar密钥块。请注意,QMMM密钥块(例如mm_connection_table)中的子项块****以序列结束。如果他们被关闭了‘END’ADF将考虑QMMM密钥块在该点完成。

例2.1:

Title example QM/MM input
Fragments
 C C.t21
 H H.t21
 O O.t21
End

Symmetry NOSYM
Charge 0 0

ATOMS
 1 C 0.00000 0.00000 0.00000
 2 O 1.48700 0.00000 0.00000
 3 C -0.76430 1.32381 0.00000
 4 C -0.76428 -1.32378 -0.00002
 5 H -0.50028 -1.89680 -0.89230
 6 H -0.50028 -1.89683 0.89224
 7 H -1.83868 -1.12409 -0.00002
 8 H -1.40364 1.39261 -0.88358
 9 H -1.40364 1.39261 0.88358
 10 C 0.22461 2.48208 0.00000
 11 H 0.85235 2.42365 -0.89260
 12 H 0.85235 2.42365 0.89260
 13 C -0.53689 3.80103 0.00000
 14 H -1.16478 3.85787 -0.89260
 15 H -1.16478 3.85787 0.89260
 16 C 0.45222 4.95913 -0.00000
 17 H 1.08538 4.90988 -0.88932
 18 H 1.08538 4.90988 0.88932
 19 H -0.08590 5.91026 0.00000
 20 H 2.43700 1.64545 0.00000
 21 O 3.03926 2.50556 -0.00000
 22 H 3.96191 2.28678 -0.45094
结尾

QMMM.
 FORCE_FIELD_FILE sybyl.ff
 RESTART_FILE mm.restart
 OUTPUT_LEVEL=1
 WARNING_LEVEL=1
 ELSTAT_COUPLING_MODEL=0
 LINK_BONDS
 1 - 3 1.38000 H
 SUBEND

 MM_CONNECTION_TABLE
 1 C_2 QM 2 3 4
 2 O_2 QM 1
 3 C_3 LI 1 8 9 10
 4 C_3 QM 1 5 6 7
 5 H QM 4
 6 H QM 4
 7 H QM 4
 8 H MM 3
 9 H MM 3
 10 C_3 MM 3 11 12 13
 11 H MM 10
 12 H MM 10
 13 C_3 MM 10 14 15 16
 14 H MM 13
 15 H MM 13
 16 C_3 MM 13 17 18 19
 17 H MM 16
 18 H MM 16
 19 H MM 16
 20 H MM 21
 21 O_3 MM 20 22
 22 H MM 21
 SUBEND
结尾

GEOMETRY
 ITERATIONS 20
 CONVERGE E=1.0E-3 GRAD=0.0005
 STEP RAD=0.3 ANGLE=5.0
 DIIS N=5 OK=0.1 CYC=3
结尾

XC
 LDA VWN
 GGA POSTSCF Becke Perdew
End

Integration 3.0

SCF
 Iterations 60
 Converge 1.0E-06 1.0E-6
 Mixing 0.20
End
End Input

定义坐标

完整QM / MM系统的初始坐标由原子和GeoVar密钥块定义为正常的ADF运行。 ADF允许的所有输入方法都可以使用ADF1999中引入的新MOPAC选项。例如,坐标可以在笛卡尔坐标中定义如上面的例子,通过Z矩阵或通过混合Z-CART方法在上述示例中定义。重要的是要认识到,只需要完整或实际系统的初始坐标作为输入。不需要定义QM模型系统的坐标或虚拟封封原子。系统进入QM和MM区域的划分,以及定义封端原子所需的参数被给出在输入的另一部分。该程序将自动生成QM模型系统和封盖原子的位置。

重要的: 在QM / MM模拟期间,有关于ADF输入中的原子的顺序的严格规则。即, QM原子和Li原子必须在输入中的任何mm原子之前。只要它们在任何MM原子面前,QM和Li原子就可以以任何顺序提供。如果违反此项,程序将检查此问题并中止。

adf.原子和碎片

adf.中的典型原子键块具有以下格式:

...
ATOMS
 {n} atom coordinates {f=fragment}
结尾

对于QM原子,应将原子标签和片段定义为正常的ADF运行。该程序未读取MM原子的原子标签。相反,所有原子的MM力场原子类型在MM_CONNECTION_TABLE子密钥块中定义。类似地,如果为MM原子定义片段,则程序也忽略了这些。这也是如此,Li原子也是如此,因为在计算QM模型系统中,封端原子替换链接原子。用于电子结构计算的替换原子类型在Link_Bonds Subkey块中定义。

QMMM.密钥块

在示例2.1中以粗体面为粗体的QMMM密钥块是强制性密钥块。该键块是调用组合QM / MM仿真的必要条件。它包含确定分子机制潜力所需的连接表和力场原子类型。如果存在链路键,则它定义了每个链路键的必要参数。

本节还介绍了如何指定要使用的强制字段文件和各种其他选项。

FORCE_FIELD_FILE
关键字(必需= amber95.ff)此关键字简单地定义了用于分子机制潜力的力现场文件的完整路径。关键字后给出了力字段文件的位置。可以给出完整路径,或只是文件名。在后一种情况下,该程序在ADF正在执行的当前目录中查找。示例:
FORCE_FIELD_FILE /home/username/sybyl.ff
FORCE_FIELD_FILE sybyl.ff
MM_CONNECTION_TABLE

Subkey块(必填)此密钥块将连接表,强制字段原子类型和完整系统的分区定义为QM和MM区域。在此密钥块中指定的原子与原子密钥块中的秩序相同,这是至关重要的。这很重要,因为程序可能无法检测到这种类型的输入错误,并且您将获得荒谬的结果。

MM_CONNECTION_TABLE
 n ff_label. mm_type. 联系 数字
 ...
结尾

标签在下表中定义

输入列    
1 N 原子编号
2 ff_label. 强制场原子类型。
    这些标签对应于强制字段文件中定义的原子类型。
    它们最长可达四个字符。 XX定义了虚拟原子。
3 mm_type. qm,mm或li
4- 联系 这些限定了当前原子具有共价键的原子。
  数字 这些连接用于产生分子力学电位。
    目前,每个原子最多允许6个连接。

连接表应是完全冗余的。换句话说,如果Atom#1被绑定到Atom#5,则它们每个应该具有在其连接中列出的其他原子。

例子:

1 C_2 QM 2 3 4 5
2 O_2 QM 1
3 H QM 1
4 C_3 QM 1 5 6 7
5 Cu QM 4 1
6 H QM 4

还支持完全非冗余连接表。在这样的连接表中,一旦提及键,就没有再次提及。换句话说,任何原子的连接列表都不能包含一个原子,它在原子编号中之前。

例子:

1 C_2 QM 2 3 4 5
2 O_2 QM
3 H QM
4 C_3 QM 5 6 7
5 Cu QM
6 H QM

这两个连接表是等效的。半冗余可能导致问题的连接表。我们推荐完全冗余的连接表。

LINK_BONDS

具有链路绑定的系统所需的系统需要使用共价键的系统所需的该密钥块,其交叉QM / mm边界。这些键在本文档中称为链路键。每个链路键都具有常量参数‘α‘与之相关,它被定义为实际系统中的键合长度和模型QM系统中的封端键的比率。请参见第1节或参考[1]更多详细信息。确定 α 每个链接键的参数,可以采用封端原子键距离‘pure QM’QM模型系统的计算与真实系统中相应的键距离的比率。当氢作为封端原子时,这些比率通常为约1.30至1.50。 link_bonds子项块具有以下格式:

LINK_BONDS
 atom_a. - atom_b. α 更换_fragment. [addremove_force_field_type.]
 ...
SUBEND

例子:

LINK_BONDS
 15 - 3 1.42 H H1
 8 - 1 1.40 Cl.dzp Cl
SUBEND

整数 atom_a.atom_b. 请参阅链接键参与的两个原子的编号。其中一个原子将是Li型原子,而另一个原子是QM型原子。 atom_a.atom_b. 必须分开” - ”在整数和连字符之间至少有一个空格。换句话说‘3 - 4’ is OK, but not ‘3- 4’ ‘3 -4’。原子不需要以任何特定的顺序,并且链接键的顺序也不重要。以下是 α 该特定键的参数。这 更换_fragment. 是用于QM模型系统的电子结构计算中的封端原子的ADF原子。通常,封端原子是氢原子,但是,它不必是。这 更换_fragment. 必须存在于ADF输入文件中的片段密钥块中。这 addremove_force_field_type. 仅需要存在于AddRemove型号[3],并指示封端原子的力字段类型(类似于MM_CONNECTION_TABLE块中的FF_LABEL)。重要说明:认识到汉密尔顿人取决于所使用的参数非常重要。因此,当例如比较相对能量时,一个人必须小心一个’对应于相同键的S相同。

重新启动

在大多数情况下,使用ADF QM / mm重新启动与标准ADF运行中的相同。换句话说要指定重新启动,需要使用重启关键字。这表示QM / MM扩展才能从QM / MM重启文件中读取数据,而不是输入。重要的是要强调的 qm / mm扩展有自己的重启文件。因此,用户必须跟踪两个重启文件,标准ADF重新启动文件(TAPE21)和QM / MM重启文件。默认情况下,qm / mm重启文件是‘mm.restart’,但您可以使用RESTART_FILE关键字更改此功能 在QMMM密钥块中。下面给出了ADF QM / MM重启输入的截断示例:

RESTART adf._restart.file & *{same as in a standard adf. run}*
 NOHESS
结尾

QMMM.
 RESTART_FILE mm_restart.file *{optional, with default filename of 'mm.restart'}*
 FORCE_FIELD_FILE sybyl.ff
 OUTPUT_LEVEL=1
 WARNING_LEVEL=1
结尾

此时,当使用重新启动关键字时,QM / MM扩展将始终查找QM / MM重启文件。没有办法绕过这个。但是,QM / MM重启文件只是一个文本文件,其内容类似于ADF QM / MM输入中的QMMM密钥块的文本文件,您可以轻松修改它。

同样重要的是要注意重新启动_file两者指定要在重新启动的运行开始时读取的文件,以及将写入的文件。在重新启动的ADF QM / MM运行中,覆盖初始QM / MM重启文件。

MM原子的几何约束和固定坐标

可以以与标准ADF运行的方式相同的方式应用于坐标(即通过GeoVar密钥块)的方式相同。将几何限制应用于QM或Li原子没有局限性,但是,将几何限制应用于MM原子,特别是在使用Z矩阵时存在一些限制。

当在笛卡尔坐标中执行几何优化时,几乎没有限制对MM原子的限制。一个重要的例外是线性传输约束不能涉及MM原子。在瞬间约束中不能应用于在使用内部(ZMAT)坐标时定义MM原子的位置的坐标。注意,限制仍然可以应用于QM原子的坐标,而是仅适用于MM原子。

对称限制 不能用QM / mm运行应用,除非所有mm原子都被冻结。此外,该程序不会检查MM区域的原子是否满足施加的对称性。

杂项笔记

使用ADF虚拟原子

在为几何优化定义Z矩阵时,通常需要使用虚拟原子。 (我们到了 不是 参考封盖虚拟原子)QM / mm仿真中允许虚拟原子,并且它们可以像在正常的ADF运行中一样使用。使用QM / mm运行时使用虚拟原子时需要记住一些事情。

如果要使用虚拟原子来定义Z矩阵中QM原子的坐标进行几何优化,则虚拟原子必须在原子列表中之前在任何MM原子之前。在这种情况下,人们应该将虚拟原子视为模型QM系统的一部分。

应将原子赋予MM_CONNECTION_TABLE键块中的XX强制字段原子类型。 (以这种方式,原子被排除在非绑定对列表之外)

不要将任何粘合到连接表中的虚拟原子;否则,程序可能要求用户定义涉及虚设原子的分子力学电位。

在MM区域中允许虚拟原子,但是,它们只能用于定义初始坐标。这是因为MM子系统总是在笛卡尔空间中优化,其中不需要虚拟原子。

可以将假原子视为模型QM系统的一部分。例如,不允许以下是因为分配给QM区域的伪原子,而是在原子5和6之后,它们是mm,原子。

...
MM_CONNECTION_TABLE
 1 C_2 QM 2 3 4
 2 O_2 QM 1
 3 C_3 LI 1 8 9 10
 4 C_3 QM 1 5 6 12
 5 C_3 MM 4
 6 C_3 MM 4
 7 Xx QM
 8 H MM 3
SUBEND

下面的示例几乎与上述示例相同,但是除了伪原子被分配为MM原子之外。虽然允许这一点,但这种虚拟原子将被优化为MM原子。

...
MM_CONNECTION_TABLE
 1 C_2 QM 2 3 4
 2 O_2 QM 1
 3 C_3 LI 1 8 9 10
 4 C_3 QM 1 5 6 12
 5 C_3 MM 4
 6 C_3 MM 4
 7 Xx MM
 8 H MM 3
SUBEND

下面的最后一个例子可能是想要的。在这里,虚拟原子是QM原子,并在任何MM原子之前。以这种方式,伪原子可用于使用QM模型系统定义Z矩阵。

...
MM_CONNECTION_TABLE
 1 C_2 QM 2 3 4
 2 O_2 QM 1
 3 C_3 LI 1 8 9 10
 4 C_3 QM 1 5 6 12
 5 Xx QM
 6 C_3 MM 4
 7 C_3 MM 4
 8 H MM 3
SUBEND

线性运输运行。

QM / MM选项可以在ADF中与线性传输选项一起使用。但是,线性传输参数或坐标不能涉及任何MM原子。换句话说,线性传输参数只能根据QM原子来定义。

频率运行qm / mm

此时,在ADF中使用QM / MM电位时,无法执行频率运行。此选项已实现,但在此版本中已被禁用以进行进一步测试。