分子力学及应用简介

分子影像技术简介及其在肿瘤方面的应用

【摘要】分子影像技术是运用影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子,反映活体状态下分子水平变化,对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学[1]。分子影像技术能够可视化活体生物分子水平上正常和异常的生物进程,是一种新的生物医学方法,在活体内的细胞和亚细胞水平的生物可视化、特征化和量化细胞进程。分子影像技术在临床医学上具有重大的应用价值,本文主要对肿瘤方面的应用进行简单综述。

【关键字】分子影像技术肿瘤分子探针技术

肿瘤是威胁人类健康的重要疾病之一。肿瘤的早期诊断和治疗是提高患者生存质量和治愈率的关键。传统的X线、超声、CT、MRI 和 PET 难以发现早期阶段的肿瘤,对其定位、定性诊断相当困难,而随着纳米技术的发展及分子探针在影像学中的不断应用,影像医学已从对传统的解剖和生理功能的研究深入到分子水平成像,为肿瘤的早期诊断、治疗及生物学特性研究带来了希望[2]。

1.分子影像技术的基本概念

分子影像学是传统的医学影像技术与现代分子生物学相结合产生的一门新兴学科。分子影像技术能够从细胞、分子层面探测到疾病的初期变化,具有传统成像手段所没有的无创伤、实时、活体、特异、精细显像等优点[3]。分子影像技术是将分子生物学技术和现代医学影像学相结合的产物通过发展新的工具、试剂及方法探查疾病过程中细胞核分子水平的异常[4]。

2.分子影像技术的特点

分子影像技术主要是利用各种医学影像技术,对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无损伤的、实时的成像[5]。传统的医学影像技术以人体内部的物理性质或生理特性作为成像对比的源,如密度、散射、质子密度、或血流量等生理量,这些物理量或生理量没有特异性。分子影像技术则以特异性分子探针和内在组织特征作为成像比对度的源,为早期检测和疾病定性、评价和治疗以及增进对生物学的理解提供了可能性[6]。

3.分子影像技术的基本原理

分子动力学模拟原理及其在材料科学中的应用

概述：

分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation，简称MD）是一种基于牛顿经典运动方程的计算模拟方法，通过对原子或分子的位置、速度和受力进行迭代计算，模拟物质的宏观行为和微观结构。该方法广泛应用于材料科学领域，用于研究原子尺度下的材料特性和反应行为，帮助解决许多实验无法观察到的现象。

模拟原理：

分子动力学模拟基于牛顿第二定律和经典力场理论进行计算。它将原子或分子看作质点，根据相互作用力和势能函数，使用数值积分方法求解运动方程，模拟物质内粒子的运动和相互作用。在模拟过程中，需要考虑分子间相互作用力、键角势、位阻效应、偶极矩等因素，并通过热力学和统计学方法进行分析。

应用领域：

1. 材料力学性能的研究：通过分子动力学模拟，可以研究材料的力学性能，如材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。研究材料在不同应力和温度条件下的变化规律，可为材料设计和改性提供理论依据。

2. 材料缺陷与断裂行为：分子动力学模拟可以对材料中的缺陷进行研究，如晶体缺陷、位错、晶界等。通过模拟分子在缺陷附近的行为，可以理解和预测材料的缺陷对材料性能的影响，同时也能研究材料的断裂行为和断裂韧性。 3. 界面和表面性质研究：分子动力学模拟可用于研究材料中的界面和表面性质。通过模拟原子在界面和表面处的行为，可以研究材料的表面能、界面结合能、界面扩散等因素，为材料的表面改性和界面控制提供理论支持。

4. 物质相变和相分离研究：分子动力学模拟可以模拟材料的相变和相分离行为，如晶体生长、相分离、固溶体形成等。通过模拟不同条件下材料相变的过程和机制，可以预测材料的相变温度、相变速率等重要参数，从而指导材料的合成和工艺。

5. 反应动力学研究：分子动力学模拟可用于研究材料中的化学反应和催化反应机制。通过模拟反应物在反应中的行为，可以研究反应物之间的相互作用、反应速率、反应通道等，为理解和优化化学反应提供理论依据。

分子动力学模拟方法的基本原理与应用

摘要：介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势，如Lennard-Jones势；论述 了几种常用的何限差分算法，如Verlet算法；说明了分子动力学模拟的几种系综及感兴趣的宏观 统计量的提取。

关键词：分子动力学模拟；原子间相互作用势；何限差分算法；

分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子 模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的 不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果 为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。

从统计物理学中衍生出来的分子动力学模拟方法(Molecular Dynamics Simulation,

NfDS),实践证明是一种描述纳米科技研究对象的有效方法，得到越来 越广泛的重视。所谓分子动力学模拟，是指对于原子核和电子所构成的多体系统, 用计算机模拟原子核的运动过程，从而计算系统的结构和性质，其中每一个原子核 被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动。它被认 为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段，称之为“计算 机实验”手段，在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。

科学工作者在长期的科学研究实践中发现，当实验研究方法不能满足研究工作 的需求时，用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息；尽 管计算机模拟不能完全取代实验，但可以用来指导实验，并验证某些理论假设，从 而促进理论和实验的发展。特别是在材料形成过程中许多与原子有关的微观细节， 在实验中基本上是无法获得的，而在计算机模拟中即可以方便地得到。这种优点使 分子动力学模拟在材料研究中显得非常有吸引力。

分子动力学模拟就是用计算机方法来表示统计力学,作为实验的一个辅助手段。 分子模拟就是对于原子核和电子所构成的多体系统，求解运动方程(如牛顿方程、哈 密顿方程或拉格朗日方程)，其中每一个原子核被视为在全部其它原子核和电子作用 下运动，通过分析系统中各粒子的受力情况，用经典或量子的方法求解系统中各粒 子在某时刻的位置和速度，以确定粒子的运动状态，进而计算系统的结构和性质。 该模拟技术主要涉及粒子运动的动力学问题，与蒙特卡罗模拟方法(简称MC)相比, 分子动力学是一种“确定性方法”，它所计算的是时间平均，而MC进行的是系综平均。 然而按照统计力学备态历经假设,时间平均等价于系综平均。因此，两种方法严格的 比较计算能给出几乎相同的结果。

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Materials Studio软件在分子力学中的基础应用

作者：王宏强

来源：《科技资讯》2019年第31期

摘 ;要：该文对分子动力学模拟软件Materials Studio（MS）做了简要的介绍，阐述了MS在分子力学研究领域的基础应用，并诠释了对相关性质预算过程中的理论依据。以MS对非晶态高聚物玻璃态转变温度预测以及对分子扩散能力的计算依据来看，其已具备较完整的理论机构。未来MS在分子力学、材料科学等研究方面有其他软件不可取代的作用;同样MS也可用来构建化学分子结构模型，在课堂教学中使用。

关键词：Materials Studio ;分子动力学 ;材料科学 ;玻璃态温度 ;分子扩散

中图分类号：TM212 ; 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（a）-0017-02

任何物质所体现的宏观性质均是由其内部微观结构所决定的，因此对于宏观对象的深入研究必然会涉及到微观分子甚至原子层面。分子模拟是指计算机进行数值分析的方法，主要包括Monte Cario（蒙特卡洛）法、量子力学法、分子力学以及分子动力学方法。目前，国内外在分子模拟软件的开发及应用方面步伐极快，软件的升级与模块功能的强化更是日新月异[1]。Materials Studio是一款国内外应用较广的分子模拟软件，其功能强大，可以用来创建分子结构模型，通过对已建模型结构的分析可以准确预测材料的相关性质。该文主要介绍了Materials

Studio软件在分子动力学模拟过程中的一些用途。

1 ;Materials Studio（MS）软件介绍

Materials Studio（MS）是专门针对材料科学领域分子模拟的一款软件，可在Windows、Linux等多种平台上安装运行，研究者可以利用其构建各类分子的三维结构模型，对相关高分子材料、晶体等的性质及相互作用过程进行深入的研究。在分子模拟领域，MS已经成为一种先进而强有力的模拟运算工具，在分子结构的创建与优化、性质预测及量子力学计算和动力学龙源期刊网