杂谈自由能计算,PMF,伞形抽样,WHAM

发布网友发布时间：2024-10-06 14:24

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热心网友时间：2024-11-03 08:44

这篇文章来自“分子动力学”公众号，主要探讨了分子模拟中自由能计算的复杂性，包括PMF（Potential of Mean Force，平均势能面）、伞形抽样和WHAM（Weighted Histogram Analysis Method，加权直方图分析法）等概念。自由能计算在分子模拟中是一项挑战，因为它涉及熵（无序度）的量化，而熵是无法直接通过模拟一步一步采样得到的。

自由能是自发过程的决定因素，它等于内能变化加上熵变。以分子结合为例，结合能是能量的减少，而结合自由能则包含了熵的降低，因为结合后分子活动空间减少，导致总状态数减少，熵减。在模拟中，我们不能直接计算熵，而是通过模拟体系在不同状态间的概率分布来间接计算自由能。例如，通过 umbrella sampling（伞形抽样）方法，通过在反应坐标上设置势能墙，强迫系统在不同窗口上采样，然后通过WHAM方法将有偏采样转换为无偏采样，得到自由能势能面PMF。

热力学积分方法则是另一种计算自由能的途径，它通过参数化模拟过程，逐步微扰系统状态，计算势能函数的变化。然而，这种方法通常适用于状态变化较小的情况，如分子的简单转变，而不适用于复杂系统的全局变化。