GROMACS+Python计算分析聚合物链线环穿插

本教程的主要内容是如何使用Python程序，对聚合物线环混合体系的分子动力学模拟结果进行分析处理，以统计线环穿插。

一、准备工作

在经过MD模拟后，准备-pbc nojump处理过后的轨迹文件（.xtc）、线性链和环形链的拓扑文件(.itp)、MD模拟完成后的结构文件（.gro）；安装Python工具包（numpy、MDAnalysis）

二、实现原理

通过读取itp文件，自动识别完整主链；用环主链构造离散跨环曲面；先按“到环曲面的最近距离”筛选附近线链；再对通过筛选的线链主链做精确穿面统计。

三、详细解析

首先通过修改输入文件的绝对路径和参数，读取itp文件，识别主链原子；再将被周期边界切开的有序主链点序列恢复成连续坐标；为了把环主链闭边界稳定地长成曲面，这里采用：SVD拟合参考平面、把环点投影到2D、在2D上做耳切法三角剖分、再映射回3D、与简单的 triangle-fan 相比，这种做法对扭曲环更稳。

如上图所示，先进行初步筛选，只对环曲面包围盒内的主链进行统计计算，判定线环穿插现象。

四、数学原理

将线性链的主链变为一个有序的点列：[p₀, p₁, p₂, p₃, ...]，根据拓扑文件，把相邻点连成线段集{(p₀,p₁), (p₁,p₂), ..., (p_(n-1),_pn)}；通过把环主链闭边界变成很多三角片，把环变成离散曲面，将环曲面变成一个个三角片[(a₁,b₁,c₁), (a₂,b₂,c₂), (a₃,b₃,c₃), ...]，最后对所有组合计算(p_i, p_(i+1)) 是否与 (a_j, b_j, c_j) 相交。因此，本次工作的判定线环穿插的方式为：在环形PS主链构成的离散曲面的包围盒内，将PS链是否与离散曲面有交点作为判据。

五、数据分析

vis_mainchain.gro/vis_mainchain.pdb：主链可视化检查文件

pair_results.csv：某一帧线环穿插的判定结果

pair_intersections.csv：某一帧、某个线环交叉的一个交点

frame_summary.csv：某一帧整体上有多少个pair属于各个类别

ring_summary.csv：某一个环，在所有抽样帧、所有线链中累计的统计结果

chain_summary.csv：某一条链，在所有抽样帧、所有环中累计的统计结果

metadata.json：参数和方法记录文件

summary.txt：总览摘要（参数日志）；线环穿插总数统计