Valódi felülethez viszonyított (intrinsic) szabadenergiaprofil számítása fluid...

Valódi felülethez viszonyított Valódi felülethez viszonyított (intrinsic) szabadenergiaprofil (intrinsic) szabadenergiaprofil

számítása fluid határfelületekenszámítása fluid határfelületekenDarvas Mária

ELTE, Határfelületek és Nanorendszerek Laboratóriuma, Pázmány P. Stny 1/A, H‑1117 Budapest, Hungary Institut UTINAM—UMR CNRS 6213, Faculté des Sciences, Université de Franche-Comté, F-25030 Besançon Cedex, France

Miguel JorgeLaboratory of Separation and Reaction Engineering (LSRE)Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Rua Dr. Roberto Frias, s/n4200-465 Porto, Portugal

Marcello SegaICP, Stuttgart University

Pfaffenwaldring 27 70569 Stuttgart Germany

Pál Jedlovszky

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

TartalomTartalom

1. Bevezetés-Alkalmazási területek

2. Módszerek-Ismert szabadenergiaszámoló módszerek-A korlátozott változók módszere-A határfelület kérdésköre

-Az intrinsic módszer- A módszer elve- Technikai kérdések

3. A víz/1,2-diklóretán/kloridion rendszer példája-A szimuláció részletei-Eredmények

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Bevezetés 1.Bevezetés 1.- miért fontos? - - miért fontos? -

Kismolekulák transzportja membránon keresztül

Ionok eloszlása határfelületeken

A, Biológiai membránok

-ion transzfer

-elektron transzfer

-gyógyszer célbajuttatás

B, Elektrokémia

-redox folyamatok töltött felületeken

-határfelületi ionadszorpció

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Bevezetés Bevezetés 44..- - Szabadenergia profil és a PMF kapcsolataSzabadenergia profil és a PMF kapcsolata - -

thőőmérséklabszolút állandó Boltzmann a

függvénye partíciós kanonikus teljesrendszer a giájaszabadener féle-Gibbsrendszer a

B

B

Tk

QA

QTkA ln

Lehetetlen meghatározni

Szimulációk útján közvetlenül nem számítható

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

két állapot szabadenergia különbségét számítjuk (TI, FEP)

A szabadenergiát a potential of mean force-szal

közelítjük

MódszerekMódszerek

Számítógépes Szimulációs Technikák

A, Kváziegyensúlyi módszerek

-Korlátozott szabadsági fokok módszere(variable constraining)

-Umbrella Sampling

B, Dinamikus módszerek

- Irányított molekuláris dinamika(Steered Molecular Dynamics)

-Metadinamika

Több szimulációA profilt kis egyensúlyi

lépésekben kapjukEgyetlen szimuláció

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Potential of Mean Force Potential of Mean Force – korlátozott szabadsági fokok módszere – korlátozott szabadsági fokok módszere 1.– klasszikus megközelítés1.– klasszikus megközelítés

• A tesztrészecske helyét fixáljuk a szimulációs dobozban. (1- 3D)

• A részecske helyben tartásához a szükséges a rendszer által kifejtett erőt feljegyezzük a szimuláció minden időlépésében.

• A tesztrészecskét elmozdítjuk. (kis egyensúlyi lépés)

ztF )(

Az átlagos erő hely szerinti negatív integrálja a PMF (szabadenergiaprofil).

Elterjedt értelmezés: a profilt a makroszkópikus határfelülettől vett távolság (zj) függvényében ábrázoljuk

xN

Nzzz tFtFtF )(,....,)(,)(

21

)()()( jj

z

zAzPMFdzzFj

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

F PMF

A szimulációs protokol

Potential of Mean Force Potential of Mean Force – korlátozott szabadsági fokok módszere 2– korlátozott szabadsági fokok módszere 2.– klasszikus megközelítés.– klasszikus megközelítés

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Z

Problémás kérdés Problémás kérdés – mi a határfelület?-– mi a határfelület?-

makroszkópikusan atomi felbontásban

Harmadik részecske a jelenlétében a hatás még kifejezettebb (pl.: vízujj képződés iontranszfer során)

Új megközelítés: viszonyítsunk a valódi felülethez (INTRINSIC PMF)

Nem sík, a kapilláris hullámok

miatt korrugált

Időben változó

Sík

Időben állandó

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

ITIM analízisITIM analízis-A valódi határfelület meghatározása–-A valódi határfelület meghatározása–

Határfelületi molekulák : a próbagolyót megállítjákAz atomok méretét a

Lennard - Jones L-J paraméterrel közelítjük

L-J = 0 a próbagolyó nem látja az atomot

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Potential of Mean Force Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés– a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– 1.–

• A tesztrészecske helyét fixáljuk a szimulációs dobozban (1-3D).

• A szimuláció minden időlépésében feljegyezzük a molekula egy helyben tartásához szükséges erőt és a valódi határfelületet alkotó molekulák

listáját, amiből kiszámítjuk a pillanatnyi erő (Finst)vs valódi távolság (zint) fuggvényt

• A tesztrészecskét kis egyensúlyi lépésben áthelyezzük

)( intzFinst

A F(zint) függvény integrálja a PMF az adott zint intrinsic távolságnál

Új megközelítés:A szabadenergia profilt a valódi határfelülettől vett intrinsic távolság függvényében ábrázoljuk

xN

)()( intintint zPMFdzzF j

z

inst

j

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Potential of Mean Force Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés– a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– 1.–

Technikai kérdések 1. - Az ITIM analízis idTechnikai kérdések 1. - Az ITIM analízis időőigényeigénye

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Csak az ionhoz közeli tesztvonalakat vesszük figyelembe

Potential of Mean Force Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés– a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– 1.–

Technikai kérdések 2. - Hogyan értendTechnikai kérdések 2. - Hogyan értendőő az intrinsic távolság az intrinsic távolság

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Voronoi módszer Háromszöges interpoláció

Aion

Ctr

zint

)()(int zCzAz trion

y

z

j

jj

surf

zz

yx

nwatj

int

22

,0

akkor minimális,

esetén Ha

x

Potential of Mean Force Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés– a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– 1.–

Technikai kérdések Technikai kérdések 33. - . - Hidrátburok a szerves fázisban. Felület vagy nem?Hidrátburok a szerves fázisban. Felület vagy nem?

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

A hidrátburok a felület része Önálló hidrátburok

Megoldás: klaszter analízis az ITIM-et megelőzően

1. A hidrátburkot alkotó vízmolekulák kiválasztása

2. A hidrátburok molekuláit is tartalmazó legkisebb klaszter megkereséseA. Valamelyik klaszter nagyobb, mint 2×<Nhyd>

B. Mindegyik klaszter kisebb, mint 2×<Nhyd>

A hidrátburok a felület része ITIM

Önálló hidrátburok ITIM X

Eredmények Eredmények 11. . – – A klasszikus PMFA klasszikus PMF – –

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

0 10 20 30 40 500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,40

5

10

15

20

25

30

DCEvíz

(X) /

gcm

-3

Z / Å

PM

F / k

Jmol-1

Klasszikus PMF

Tömegsűrűség

Eredmények Eredmények 22. . – – Az intrinsic PMFAz intrinsic PMF – –

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Intrinsic tömegsűrűség

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,00

5

10

15

20

25

30

PMF

/ kJ

mol

-1

X / Å

víz ---> DCE DCE ---> víz

Intrinsic PMF

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

5

10

15

20

25

30

PM

F / k

Jmol

-1

Z / nm

háromszöges interpoláció Voronoi módszer

Eredmények Eredmények 33. . – – Időigény, módszerfüggésIdőigény, módszerfüggés––

Szabadenergia Workshop 2011. november 21-22.Mátrafüred

Intrinsic PMF Részlépés Valós időigény/s/konfiguráció

Szimuláció 2,54

Klaszter analízis 2,49

ITIM analízis 3,95

Háromszöges interpoláció

0,14

Voronoi módszer 0,12

Erő távolság függvény

0,08

Újradobozolás és integrálás

0,10

Köszönöm a figyelmet!