求教关于一维气体水合物PMF的一系列相关问题

cavalier

最近针对于如图系统，我想计算一下氮气的自由能，之前也开了个帖子是单纯自由能的，但是后来想想PMF更加合适，因此现在正在进行类似如下系统的PMF计算：

如图是一篇研究准一维气体水合物的文章里的系统图。我后续又补充上来了文章提供的具体结构图
我正好想计算这种一维水合物里氮气的PMF。

！！！第一个问题：反应坐标如何设置成单纯的z坐标！！！
首先在对于网上溶菌酶PMF计算教程的学习后，我发现教程中反应坐标选取的是两个分子质心间的距离。对于我这个体系，显然反应坐标应设置为氮气的Z坐标。
请看我的mdp中牵引部分：
pull                    = yes
pull_ngroups            = 1
pull_ncoords            = 1
pull_group1_name        = N2_push     ；选定的单个氮气作为研究对象
pull_coord1_type        = umbrella      ; harmonic biasing force
pull_coord1_geometry    = direction     
pull_coord1_vec         = 0 0 1
pull_coord1_groups      = 0 1
pull_coord1_origin      = 1.5 1.5 10
pull_coord1_dim         = N N Y
pull_coord1_rate        = 0          ; 0.01 nm per ps = 10 nm per ns
pull_coord1_k           = 1000          ; kJ mol^-1 nm^-2
pull_coord1_start       = yes           ; define initial COM distance > 0

因为这样跑出来会生成*f*.xvg，然后用gmx wham可得到PMF曲线，但是似乎这样算出来是选定的单个氮气到参考点（1.5，1.5, 10）的距离，而非Z坐标，对吧
因此问题一即，如何能将反应坐标设置成选定氮气的z坐标呢

！！！第二个问题：如何较准确合理地获得初始构型呢！！！
如果体系只有一个氮气分子，而我研究的只是单个氮气分子在管内外各处的PMF，我认为应该比较简单，应该跟人家离子通过管的PMF类似吧，不知道我有没有理解错，可能就管外牵引一下氮气（或离子）穿过管子，在这个过程中均等间距（第三个问题中我想问下均等间距的必要性）地获得一系列初始构型，进行伞形抽样模拟。
而准一维氮气水合物这个体系，我想，应该和单个氮气有一定区别吧，应该要氮气链沿z轴各处的PMF，才更有意义吧。因此我试着牵引着链中某个选定的氮气分子，向管外牵引，本意是希望带动整个氮链移动，使得我选定的氮气所处的环境始终是正常的准一维氮气水合物环境，然而牵引时发现氮气一个个跑到管外了（这是肯定的），但是导致管内氮气密度下降，氮链就不完整了，最后画出了这样的图像：

注：左侧是管内，右侧是管外，虚线是管口部分。右图是直方图，能否看出什么问题呢
无法理解为什么管内是接近线性的升高，本来觉得应该是接近水平或者波动着水平的，但是管内自由能低还是合理的，因为根据图一的文章，氮气水合物是自发形成的。
另外，请教我算的PMF曲线还有别的不合理的地方吗？

！！！第三个问题：初始构型选择是否一定要关于反应坐标均等？！！！
关于PMF的理解我还不是很深刻，但是好像是根据我们提供的模拟，然后统计不同反应坐标出现的频数，然后怎么换算后得到PMF曲线。假如，我选初始构型，不是每隔0.2nm取一个，而是比如先取得密一点0.1nm取一个，然后后面再取得稀疏点，0.2nm取一个。这样会不会导致0.1nm取样这段，频数统计出来肯定会更高，然后隔0.2nm取样那段频数较低，导致最后一开始这段自发地就PMF更高？？其实如果我的这个顾虑没必要的话，我觉得对于我这个体系，同一组模拟里管内和管口每个氮气都采样应该更高效方便吧？虽然这样要怎么设置mdp比较方便我也还不是很确定。

！！！第四个问题：约束力设置有没有什么原则？！！！
教程里约束力是1000的，有些人是5000的，请问一下太大的话会导致什么问题呢，因为我个人是比较希望他精准点待在原地
！！！第五个问题：伞形抽样的约束是哪种约束？！！！
我一直认为伞形约束和位置约束是一样的，但是我的模拟显示，处于管口外侧时的选定氮气，可以说与处于bulk水无异，但在伞形采样模拟期间几乎是平行于xy轴运动的，z轴方向也就是反应坐标方向却几乎没有什么运动。
我的相关mdp设置：
pull_coord1_dim         = N N Y
pull_coord1_rate        = 0          ; 0.01 nm per ps = 10 nm per ns
pull_coord1_k           = 1000          ; kJ mol^-1 nm^-2
难道伞形抽样的这个k是仅在反应坐标上施加弹簧势约束吗？

最近做自由能和PMF真的是鼓捣了好久，问题越来越多，烦请各位不吝赐教！谢谢！

fhh2626

首先，PMF是描述一个过程的，不能说什么“氮气的PMF”、“一维气体水合物的PMF”，这种说法没有任何意义。你大概想说的是“描述氮气通过碳纳米管的PMF”

其次，你这个PMF没有任何意义，因为你这个体系是高度对称的，不管反应坐标（如果你选择氮气和碳纳米管的质心距在Z轴上的投影为反应坐标，并且约束氮气的XY距离，保证氮气在碳纳米管内的话）为几，自由能都几乎不变，最后你的结果必定是一个只有小幅振动的水平线

最后，如果你一定要算的话，建议用plumed里面提供的增强采样方法，并施加合理的约束

cavalier

fhh2626 发表于 2020-6-18 22:48
首先，PMF是描述一个过程的，不能说什么“氮气的PMF”、“一维气体水合物的PMF”，这种说法没有任何意义。 ...

感谢老师！！！
是的，我想说的是“描述氮气通过碳纳米管的PMF”。恩，小幅振动的水平线完全符合我的预期，不过我主要想关心的是氮气进出管子的势垒。对了我个人觉得很有意思的一个问题是，单个氮气体系，它进入管子的势垒和已经形成如图1的完整水合物时氮气进入的势垒，有怎么样的差异呢，我觉得这个也很想通过两种PMF曲线对照一下来探究。
对了，关于反应坐标，老师您说的“（如果你选择氮气和碳纳米管的质心距在Z轴上的投影为反应坐标，并且约束氮气的XY距离，保证氮气在碳纳米管内的话）”正是我想要的，但是我不是很确定我的mdp设置是否是这个效果，或者是如何设置实现这个效果。注：我人工写的（1.5，1.5,  10）这个参考坐标和管子质心是同一个。
“plumed里面提供的增强采样方法，并施加合理的约束”，最后这个我去研究一下，之前确实更加不了解这个。
再次感谢老师！！！

fhh2626

cavalier 发表于 2020-6-19 11:42
感谢老师！！！
是的，我想说的是“描述氮气通过碳纳米管的PMF”。恩，小幅振动的水平线完全符合我的预 ...

如果是进出管子的话，要施加合理的圆柱形约束

虽然有的软件也自带了一些增强采样功能，但是很弱，正经用的话还是要结合专业的自由能计算模块，比如Colvars或者Plumed。Colvars直接集成到了NAMD和Lammps的源代码当中，Plumed要自己编译安装（或者用conda安装），官网提供了Plumed针对Gromacs的Patch

cavalier

fhh2626 发表于 2020-6-19 13:54
如果是进出管子的话，要施加合理的圆柱形约束

虽然有的软件也自带了一些增强采样功能，但是很弱，正经 ...

感谢老师！！！
确实，根据我目前的尝试感觉也许gmx的伞形采样可能是不太能很好地解决这个问题，那么我这就去了解一下Colvars和Plumed。

另外，我注意到gromacs的pull的代码里有pull-coord1-geometry=cylinder，请问这是不是前面所说的圆柱形约束。然后具体这个要如何使用呢？再次感谢老师！！！

k64_cc

cavalier 发表于 2020-6-19 22:59
感谢老师！！！
确实，根据我目前的尝试感觉也许gmx的伞形采样可能是不太能很好地解决这个问题，那么我 ...

你的问题其实是一维氮气复合物的CV不好设计，因为你并不能控制它们从管子里扩散出去。我觉得你可以考虑把氮气质心的z坐标设为CV，并在管子一头加一个wall，防止它们从一端逸散。只要管子够长，应该不是很artificial。

你从gmx的pull迁移到Plumed就啥技术问题都没有了，特别好用，真的……

cavalier

k64_cc 发表于 2020-6-20 18:12
你的问题其实是一维氮气复合物的CV不好设计，因为你并不能控制它们从管子里扩散出去。我觉得你可以考虑把 ...

感谢，我决定尝试用plumed解决，况且多学点方法也有必要

cavalier

fhh2626 发表于 2020-6-19 13:54
如果是进出管子的话，要施加合理的圆柱形约束

虽然有的软件也自带了一些增强采样功能，但是很弱，正经 ...

老师，我想请问下gromacs附带plumed安装时，是不是一定要装成mpirun版本的，然后是不是不能cuda的GPU加速？因为我看到别人教程里cmake的选项是这样的。
但是我自己的理解的话应该是不影响吧，都可以？
谢谢老师

k64_cc

cavalier 发表于 2020-6-21 16:51
老师，我想请问下gromacs附带plumed安装时，是不是一定要装成mpirun版本的，然后是不是不能cuda的GPU加速 ...

都能……

cavalier

k64_cc 发表于 2020-6-21 20:08
都能……

非常感谢！！！
我按照网上的安装教程，下载了plumed-2.6.0，进行到make check 步骤时，最终得到如下反馈，感觉很懵，这是什么情况，我不晓得哪里出问题了,我就是blas 和lapack没装，其他应该和教程都一样
我使用的教程：https://www.jianshu.com/p/895c4d41b116
*******************************************************
+ Final report:
+ 492 tests performed, 0 tests not applicable
+ 492 errors found
+ Find the bug!
+ To replace references, go to the test directory and
+ type 'make reset'
make[1]: *** [checkfail] 错误 1
make[1]: 离开目录“/mnt/D/cavalier/plumed-2.6.0/regtest”
make: *** [check] 错误 2
*************************************************************
但是安装plumed又显示安装了
**************************************************************

*** PLUMED has been installed ***

Install prefix : /usr/local
Full name      : plumed

Setup your environment
- Ensure this is in your execution path         : /usr/local/bin
- Ensure this is in your include path           : /usr/local/include
- Ensure this is in your library path           : /usr/local/lib
- Ensure this is in your PKG_CONFIG_PATH path   : /usr/local/lib/pkgconfig
For runtime binding:
- Set this environment variable                 : PLUMED_KERNEL=/usr/local/lib/libplumedKernel.so

To create a tcl module that sets all the variables above, use this one as a starting point:
/usr/local/lib/plumed/modulefile

To uninstall, remove the following files and directories:
/usr/local/lib/plumed
/usr/local/share/doc/plumed
/usr/local/include/plumed
/usr/local/bin/plumed
/usr/local/bin/plumed-patch
/usr/local/bin/plumed-config
/usr/local/lib/pkgconfig/plumed.pc
/usr/local/lib/libplumed.so
/usr/local/lib/libplumedKernel.so
A vim plugin can be found here: /usr/local/lib/plumed/vim/
Copy it to /root/.vim/ directory
Alternatively:
- Set this environment variable         : PLUMED_VIMPATH=/usr/local/lib/plumed/vim
- Add the command 'let &runtimepath.=','.$PLUMED_VIMPATH' to your .vimrc file
From vim, you can use :set syntax=plumed to enable it
****************************************************************************


因为我最后给gromacs打了补丁plumed-patch -p
但是安装出来的gromacs， mdrun 里仍然没有-plumed
所以我想我应是装失败了吧
求教！！！

附上我最近一次打补丁的结果如下：是我环境变量没写对吗还是安装plumed的时候失败导致的Linking Plumed.h, Plumed.inc, and Plumed.cmake (shared mode)
Patching with on-the-fly diff from stored originals
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令
/usr/local/lib/plumed/patches/patch.sh:行295: patch: 未找到命令

PLUMED is compiled with MPI support so you can configure gromacs-2019.4 with MPI

cavalier

碰巧看见关于wham有这样一段文字：

实在不明白为何有上图蓝字这种说法呢？不明白为什么用direction会影响wham？感觉direction 和distance 差别没有特别大呀