机器学习方法在高分子玻璃化研究中的应用

高分子玻璃的物理性质与其结构和动力学密切相关.揭示高分子玻璃化的微观物理图像对高分子玻璃材料的结构调控和分子设计至关重要.然而,高分子的长链结构和复杂单体结构特征致使目前仍然缺乏普适的理论或者模型来定量解释高分子玻璃化的物理机制.因此,亟需发展更为先进的研究方法从而更深入地理解高分子玻璃化.近年来,国内外学者利用基于数据驱动的信息学方法(例如机器学习)对高分子玻璃化开展了研究,并取得了丰富成果.本综述首先介绍了常用的高分子信息学数据库和机器学习算法.之后,从高分子玻璃化转变温度的预测、新型高分子玻璃材料的研发、过冷液体的结构-动力学关系和玻璃体系相变的确定四个方面总结和评述了机器学习应用在玻璃化研究中的代表性进展.最后,探讨了机器学习方法在高分子玻璃化研究中面临的主要挑战,并对玻璃信息学这一领域的发展进行了展望.     

理论与实验相结合，培养化学创新人才——以气相色谱法分析醇系物实验为例

基础化学实验教学中,学生易由于对相关化学原理理解不足等原因处于被动学习状态,影响实验教学效果。理论化学研究可以直观形象地给出基础化学原理中涉及但无法直接观测的物质之间的相互作用,物质内部电子的运动规律,光、电与分子或分子中电子的相互作用等微观尺度的信息,将抽象的原理和理论教学内容形象化,加深学生对基础化学原理的理解。本文以气相色谱法分析醇系物实验为例,介绍团队将简单理论化学计算融入到基础化学实验教学中,为提高教学质量、实施创新人才培养而采取的举措和实施效果。学生在完成传统实验内容的同时,利用密度泛函理论研究醇系物与吸附材料的相互作用,并完成对计算结果和实验数据的分析和讨论等研究性任务。学情分析表明,该尝试有效地激发了学生学习基础化学理论的热情,加深了他们对化学理论的理解,也培养了学生分析问题、解决问题的能力,提高了实验教学效果,为拔尖创新人才的培养保驾护航。     

基于羧基化聚吡咯-氯化血红素和点触发链置换反应信号放大的电化学生物传感器检测转基因作物中CaMV35S序列

为适应快速增长的转基因生物(GMOs)安全评价与管理的需求,高效、可靠的转基因检测技术研究与应用的重要性日益凸显。该文采用一步法合成了羧基化聚吡咯(cPPy)与氯化血红素(Hemin)的纳米复合物(cPPy-hemin),并以其为信号标签合成了一种DNA双链结构功能化的纳米信标(DNA-cPPy-hemin)。利用cPPy-hemin增强的模拟酶催化活性,结合点触发链置换反应(TSDR)信号放大策略,制备了一种新型电化学基因传感器用于转基因成分的灵敏检测。通过信号探针(Ps)与模板链(Ts)、辅助链(As)结合形成DNA双链体结构中的-NH2功能化cPPy-hemin,制备Ts/As/Ps-cPPy-hemin双链DNA结构的纳米信标。在目标花椰菜花叶病毒35S启动子(CaMV35S)序列和燃料链(Fs)存在下,TSDR过程释放出的Ps-cPPy-hemin与固定在电化学沉积金纳米粒子修饰GCE表面上巯基化的DNA捕获探针(Cs)相结合,利用cPPy-hemin对H₂O₂的模拟酶催化产生的电信号,可实现对CaMV35S的定量检测。在最优条件下...     

基于Aspen Plus耦合生命周期评价的科研案例在环境工程原理教学中的应用

将化工流程模拟Aspen Plus软件与环境影响评估领域常用的生命周期评价(LCA)进行集成应用,围绕环境工程原理教学中有关化工过程质量能量衡算与环境污染防治内容的协同应用与拓展,构建化工流程模拟-环境风险评估科研案例“苯酐生产流程模拟及环境风险研究”,并将其作为环境工程原理的综合教学案例。教学实践经验表明,通过引入工程相关综合教学案例,不仅使得抽象的理论知识更加生动具体,而且在深化学生对课程理论知识理解的同时,提高学生应用专业知识分析和解决化工生产环境污染工程问题的综合能力和素质,为学生将来步入相关领域工作奠定扎实的基础。     

电场下离子型聚合物复合囊泡结构变化的分子动力学模拟

利用粗粒化分子动力学模拟研究了电场作用下离子型聚合物复合囊泡形变与破裂的过程.定量分析了囊泡破裂过程中的结构变化,包括囊泡的形变程度、破裂速度、组分分布以及破裂后的结构.研究表明,电场强度较弱时,囊泡表面所吸附的聚电解质首先脱落,囊泡由球形结构转变为椭球结构.随着电场强度增大,离聚物的离子侧基发生重新排布,囊泡表面电荷的有序结构被破坏,导致囊泡的结构无法维持而破裂,囊泡塌缩,分裂形成离聚物团簇,并进一步破裂为小尺寸的离聚物聚集体,均匀分散于溶液中.本文利用分子动力学模拟明确了电场中离子型高分子复合囊泡破裂过程的分子机理,为药物释放技术的优化及发展提供了理论支持.     

AEIV结合AHSI用于饱和脂肪酮类物质的13C NMR谱模拟

应用一种反映分子局部微环境描述子--原子电性相互作用矢量（vector of atomic electronegative interaction,AEIV）和原子杂化状态指数（Atomic Hybridation State Index, AHSI）对饱和脂肪酮类化合物的55种分子中的153个¹³C NMR谱建模模拟,应用多元线性回归方法得到定量结构波谱关系(QSSR)模型的复相关系数R_MM=0.997, 标准偏差为SD_MM=7.155. 采用留一法交互检验的结果是R_CV=0.993,SD_CV=10.195. 并随机抽出三部分分子进行检验,得到的相关系数分别是R_MM1=0.996,R_MM2=0.996,R_MM3=0.999. 研究结果表明使用AEIV和AHSI所建模型预测能力是相当稳定的.     

模拟胃肠道消化液中小球藻类金属硫蛋白对镉离子的结合作用研究

利用锌诱导小球藻,通过提取分离和纯化,获得锌结合类金属硫蛋白(MT-like蛋白)。通过透析过程,研究模拟胃、肠道消化液中MT-like蛋白对Cd²⁺的结合作用。结果表明,在模拟胃液中MT-like蛋白处于脱金属状态,与Cd²⁺的结合能力弱。而在肠消化液中,MT-like蛋白能与Cd²⁺结合,20 mg·L^-1 MT-like蛋白与100μg·L^-1 Cd²⁺的结合率可达46.0%。研究发现,在模拟胃、肠液中胃蛋白酶和胰蛋白酶都会降低MT-like蛋白对Cd^2+的结合能力。研究结果对进一步开发MT-like蛋白作为Cd²⁺的生物解毒剂具有重要意义。     

ABC三嵌段共聚物胶束从多间隔结构到多核结构转变的Monte Carlo模拟

采用Monte Carlo模拟方法研究了疏水-亲水-疏水(H-P-H)型ABC三嵌段共聚物在B嵌段的选择性溶剂中的自组装行为. 模拟结果表明, 通过调节A嵌段和C嵌段的疏水性和二者之间的不相容性, 体系中可以形成多种形貌各异的胶束. 根据胶束中疏水核结构的特点, 这些胶束大体上可以被分为多核型胶束和多间隔型胶束两种类型. 通过增强疏水嵌段的疏水性或降低A嵌段和C嵌段间的不相容性, H-P-H型ABC三嵌段共聚物胶束能够发生从多核型胶束向多间隔型胶束的转变. 进一步分析胶束中聚合物的链构象等微观结构信息发现, A嵌段和C嵌段间的排斥作用和疏水作用之间存在竞争关系, 而这种竞争关系是影响体系中形成多核型胶束还是多间隔型胶束的决定性因素.     

质子水合结构的振动态密度分析

使用基于多态经验价键模型的分子动力学模拟, 对水溶液中质子的水合结构及其在质子传递过程中的动力学过程进行了研究. 在价键模型的方法下, 质子的水合结构主要以H₉O₄⁺(Eigen)以及过渡态的H₅O₂⁺(Zundel)结构形态存在, 且在这两种结构中以Eigen的形态表现明显. 通过对质子传递过程中不同水合结构的态密度频谱分析, 发现一个在2000~3000 cm^-1范围内的明显连续的宽吸收谱带, 主要归因于Eigen结构的贡献, 这些特征峰的出现与水合氢离子第一溶剂化层内的强氢键作用密切相关. 对于Zundel的结构, 在1760 cm^-1处出现一个较为明显的肩峰, 归属为质子传递模式的特征振动. 通过对质子水合结构态密度频谱的分析, 可望增强对于稀酸溶液红外光谱中的连续宽吸收带以及质子传递的微观动力学过程的理解.     

高通量虚拟筛选CDK2/Cyclin A2靶点抑制剂

CDK2/Cyclin A2复合蛋白的异常表达与乳腺癌、 口腔癌、 食管鳞状细胞癌的发生密切相关. CDK2/ Cyclin A2复合蛋白的活性位点不同于CDK2单体. 至今临床上尚无靶向此复合蛋白的药物分子. 针对CDK2/Cyclin A2复合蛋白, 以实验报道的10个抑制剂分子构建药效团模型, 通过药物体外药代动力学（ADME）、 Docking、 聚类分析、 毒性预测, 从DrugBank, ChEMBL和TCM@Taiwan 3个数据库约90万组数据中进行高通量虚拟筛选, 进一步进行MD模拟、 MM/PBSA结合自由能计算、 能量分解和平均非共价作用(aNCI)分析, 筛选出3个抑制效果优于阳性实验药Roscovitine的先导分子: DrugBank-2004, DrugBank-583和ChEMBL-7122. 与CDK2蛋白相比, CDK2/Cyclin A2复合蛋白结合位点空间变大, 先导分子与Lys33, Asp86, Lys129和Asp145残基之间的排斥作用有所降低, 导致结合自由能更大.