含二价金属离子的8-羟基喹啉聚合物的光电性质 本研究利用计算化学方法，探讨了含8-羟基喹啉配体的金属聚合物在有机发光二极管（OLED）等光电器件中的应用潜力。研究采用密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）技术分析了这些聚合物的光电性质和电子传输特性。首先，通过量子化学参数如重组能、离子势和电子亲和能，预测了聚合物的光电行为，结果显示VQ2和FeQ2是优异的电子和空穴传输材料，而PdQ2和VQ2则为最佳的电子和空穴阻挡分子。其次，通过I-V特性和传输谱分析，发现ScQ2、TiQ2、VQ2、CrQ2和MnQ2在0-2V电压范围内具有良好的电导率，尤其是CoQ2在2V时表现出最高的电导率。相比之下，NiQ2、CuQ2、PdQ2和PtQ2的电导率较低，PdQ2最差。研究结果为下一代光电和电子器件材料的设计提供了理论依据，尤其在OLED和纳米电子器件的应用中具有重要的指导意义。(Materials Chemistry and Physics, 2022, 281: 125899. DOI:10.1016/j.matchemphys.2022.125899) 一种用于检测和筛查新冠病毒的即时护理场效应晶体管生物传感器的设计 该文献讨论了一种基于场效应晶体管（FET）的生物传感器，用于检测COVID-19抗原。传感器在目标分子（COVID-19抗原）吸附后立即发生特定的电流变化，表明其对COVID-19抗原的高灵敏度。在实验中，传感器的电子特性（如电流）因COVID-19抗原的加入而发生显著变化，证明了传感器的准确性。然而，加入狂犬病病毒（Rabies）和中东呼吸综合征病毒（MERS）并未改变传感器的电子特性，表明该传感器对COVID-19具有高度的选择性。本研究为今后的实际制造提供了良好的指导。(Scientific reports, 2023, 13(1): 4485. DOI:110.1038/s41598-023-31679-5) SARS-CoV-2原始毒株、δ型和奥密克戎变种的刺突蛋白受体结合域与人类ACE2结合能的计算：一种密度泛函理论模拟方法 该研究文章采用密度泛函理论 (DFT) 模拟方法，计算了SARS-CoV-2原始毒株、δ型和奥密克戎变种的刺突蛋白受体结合域 (RBD) 与人类ACE2受体结合的能量。通过不分解界面以包含长距离相互作用，从而提高计算精度。研究发现，原始毒株、δ型和奥密克戎变种与人类ACE2受体的结合能量分别为-4.76 eV、-6.68 eV和-11.77 eV。这表明奥密克戎变种与ACE2的结合更有利，解释了奥密克戎变种在流行病学上的优势。本研究结果为开发中和剂提供了分子基础。研究还通过能量分解方法，利用QuantumATK详细计算了各变种的结合能成分。这些发现对于理解变种病毒的感染机制和设计有效的治疗方法具有重要意义。（Advanced Theory and Simulations, 2022, 5(12): 2200337. DOI: 10.1002/adts.202200337） 基于硅纳米线场效应晶体管的生物传感器在COVID-19病毒快速检测中的应用 本文采用半经验方法设计了一种新型硅纳米线生物传感器，并研究了其电子输运特性以检测COVID-19刺突蛋白。通过结合非平衡格林函数的半经验模型研究了各种电子输运特性，如透射谱、电导和电流。此外，通过研究流感病毒、轮状病毒和艾滋病毒等其他病毒的电子传递特性，验证了所开发的传感器的选择性。结果表明，该硅纳米线生物传感器可用于新型冠状病毒的准确鉴定，具有较高的灵敏度和选择性。（Nanomaterials, 2022, 12(15): 2638. DOI:10.3390/nano12152638） 基于密度泛函理论计算的SARS-CoV-2受体结合域刺突蛋白与人类ACE2复合物的结合自由能研究 这篇研究通过密度泛函理论（DFT）计算了不同突变体的SARS-CoV-2刺突蛋白受体结合域（RBD）与人类ACE2受体的结合自由能，以探究变异株在分子层面上对病毒传染性的影响。研究的重点是计算RBD和ACE2复合物的结合自由能，并且在计算过程中考虑了长程量子力学相互作用，确保了结果的高精度。研究显示，B.1.1.7变异株（含有A570D和N501Y突变）的结合自由能是原始毒株的五倍以上，表明该变异株可能具有更强的传染性。总的来说，这项研究不仅揭示了不同SARS-CoV-2变异株与ACE2的结合差异，而且通过精确的量子计算，深化了我们对病毒变异株传染性的理解，为新型疫苗和药物的开发提供了宝贵的理论依据。（Heliyon, 2022, 8(8). DOI:10.1016/j.heliyon.2022.e10128）
AMS 辅助药物研究案例集（一）
药物工艺开发中溶解度预测模型的评估（阿斯利康） 在合成药物工艺开发中的许多单元操作设计中，溶解度是一个重要属性，然而直接测量潜在溶剂、混合溶剂中的溶解度，有时候并不理想或实用。在制药工业中投入使用的，包括有几种预测化合物在有机溶剂中溶解度的理论模型。ETC(Enabling Technologies Consortium) 合作，需要进行溶解度模型标准测试，以便指导溶解度模型的更好使用。 阿斯利康的研究人员针对一组较为广泛的溶质-溶剂组合，包括24 种溶质和80 种溶剂、混合溶剂，对多种溶解度模型进行了评估。作为 ETC 内部共同努力的一部分，对乙酰唑胺、咖啡因、西咪替丁、桂利嗪、格列本脲、奥美拉唑、扑热息痛、吡罗昔康、利培酮和糖精进行了测量。ETC 合作参与者额外提供了的溶解度的一些内部数据，涵盖了更有限的溶剂范围。 溶解度模型的方法各不相同，包括从第一性原理模型（COSMO-RS 和 COSMO-SAC）到回归模型（R-UNIFAC 和Lovette-Amgen模型）等。作者使用不同的适应度测量，对每种模型的性能进行了广泛的评估。 尽管作者提出了几种不同的性能指标（如准确性、RMSE和MCC），但没有一种指标能够完美地捕捉模型在所有预期情况下的适用性。建议研究者评估每个指标在其预期应用中的重要性，并根据所需数据规模和应用模型的能力来平衡评估。 结果表明，溶解度模型确实可用于化学过程开发，这些模型在性能方面非常具有吸引力。通过有效的初步筛选，能够产生较小的潜在溶剂和溶剂混合物集，以便进一步筛选，而且在后期开发中，能够识别和消除二元体系协同溶解度效应的潜在影响。 从这些模型的总体趋势来看，使用的实验数据越多，总体性能改善越大。使用DSC或参考溶解度时，基于ADF-COSMO的模型通常是最准确的。R-UNIFAC模型在不同任务中的表现各不相同，只有从参考溶剂和多态性处理的选择上将它们区分开来。Lovette-Amgen模型在单溶剂系统的大多数评估中表现得异常出色（使用数据训练了该模型），但二元溶剂评估方面显著落后（数据未用于训练模型）。 Evaluation of Predictive Solubility Models in Pharmaceutical Process Development─an Enabling Technologies Consortium Collaboration, Michael A. Lovette, Jacob Albrecht, Ravi S. Ananthula, Francesco Ricci, Rahul Sangodkar, Mansi S. Shah, and Simone Tomasi, Cryst. Growth Des. 2022, DOI: 10.1021/acs.cgd.2c00368 […]
AMS 辅助药物研究案例集（二）
铋烯和锑烯作为顺铂药物载体的理论比较研究 有效的靶向递送是纳米医学中抗癌药物递送的一个挑战，本项研究主要使用 DFT 方法，研究铋和锑纳米片作为顺铂抗癌的纳米载体的可能性。结果表明，与锑烯相比，铋烯表现出明显更好的物理稳定性、药物释放速率、溶解度和生物相容性，使其成为药物递送系统的优秀候选者。 抗癌药物的平行和垂直取向吸附在两个纳米片上；平行构型在能量上最为有利，平行位点的吸附能为-0.79eV。电子电荷分析和 DOS 计算也揭示了从药物到铋烯片的电荷转移，从而证实了药物的有效吸附。作者通过模拟药物和吸附位点附近的载体表面的受到质子攻击，来模拟药物的释放，结果显示出铋烯在药物释放机制方面的稳定性和潜力。 此外，通过研究其与生物分子的相互作用，分析药物分子与氨基酸的相互作用，发现药物能够有效发挥作用。关于功函数、恢复时间、电子局域函数和前沿分子轨道分析，进一步确认了铋烯相对于锑烯的优势。这些全面的评估表明，双马苏碱是一种更具前景的抗癌药物纳米载体，并为提高癌症治疗策略的疗效开辟了一条潜在的途径。 Insights into bismuthene and antimonene as cisplatin drug carriers: A theoretical comparative investigation, Chemical Physics, 2025, Volume 588, 112460 应用萜类深共晶溶剂去除水中的抗生素和染料：理论预测、实验验证和量子化学评估（四川大学） 本研究提出了一种理论预测方法和机理研究，用于使用萜类深共晶溶剂（DES）从水性介质中提取抗生素和染料。首先，应用 COSMO-RS 方法预测了26种萜类DES提取抗生素（四环素类、磺胺类、喹诺酮类、β-内酰胺类）和染料等15种目标化合物的选择性、容量和性能指标，百里酚苯甲醇对目标化合物显示出有前景的理论选择性和提取效率。 此外，氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）的结构都对预测的提取性能有影响，可以通过调整具有更高极性、更小分子体积、更短烷基链长度和芳香环结构等的候选物来提高提取性能。根据 σ-Profile 和 σ-Potential 所揭示的预测分子相互作用，具有 HBD 能力的 DES 可以促进分离过程。此外，实验验证证实了所提出的预测方法的可靠性，表明理论预测的提取性能指标的趋势，与使用实际样品的实验结果相似。 最后，基于可视化表示、热力学计算和拓扑性质，通过量子化学计算对提取机理进行了评估；目标化合物显示出良好的溶剂化能量，可以从水相转移到 DES 相。 所提出的方法已被证明有可能为环境研究中具有类似绿色溶剂分子相互作用的更多应用（如微萃取、固相萃取、吸附）提供有效的策略和指导。 How to apply terpenoid-based deep eutectic solvents for removal of antibiotics […]
光开关顺铂类似物的光控抗癌活性和细胞摄取（J. Med. Chem 2024）
摘要 波兰雅盖隆大学等，用两个芳基偶氮吡唑配体合成了光敏顺铂类似物，能够进行反式-顺式/顺式-反式光异构化。顺式光异构体的半衰期为9天。作者在几种癌症和正常细胞系中，测定了复合物的两种光异构体的细胞毒性，并与顺铂的细胞毒性进行了比较。该复合物的反式光异构体，比顺式光异构物和顺铂更具细胞毒性，对癌症（4T1）的毒性比对正常（NMuMG）小鼠乳腺细胞的毒性更大，能够造成 4T1细胞的坏死。4T1 细胞内化的反式和顺式光异构体的光异构化分别增加和降低了存活率，反式光异构体的细胞摄取强于顺式光异构物和顺铂。这两种光异构体与DNA的相互作用比顺铂更快。反式光异构体与牛血清白蛋白的结合更强，诱导细胞谷胱甘肽水平的降低幅度大于顺式光异构物。 相关计算采用AMS软件ADF模块完成。 参考文献 Light-Controlled Anticancer Activity and Cellular Uptake of a Photoswitchable Cisplatin Analogue, J. Med. Chem. 2024, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.4c01575
通过 COSMO-RS 预测药物与聚合物的相容性
最近捷克共和国布拉格化工大学Michal Fulem课题组，使用 AMS 软件的 COSMO-RS 模块预测 10 种活性药物成分（API）与聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）K12 的固液平衡（SLE）曲线。作者采用两种基于 COSMO RS 的方法，即“传统方法”和“快速方法”，并对二者的性能进行了比较。通过逐步溶解（S-WD）方法获得的各自 SLE 数据集进行比较，评估预测 SLE 曲线的准确性。
无修饰碳纳米管的两亲性起源：作为完全可回收的油包水乳液稳定剂
背景 无修饰碳纳米管（CNT）显示出作为乳液稳定剂的潜力，能够取代水毒性小分子表面活性剂。然而，对现实 CNT 的水-固界面的理解不一致，阻碍了对其个性化的功能性、在良性介质中的可加工性以及与广泛基质的兼容性的利用。在低能耗要求下，基于水和廉价正构烷烃的纯碳纳米管加工是迈向绿色技术的重要一步。因此，有必要在从疏水性到亲水性的标尺上，定量评估各种结构化的 CNT 组分。这种结构交织特征可以导致两亲性，从而形成油包水乳液。 研究内容 作者使用精确的实验和严格的理论研究，研究了碳纳米管与水和油相相互作用的性质，对碳纳米管和碳纳米管乳液进行了全面表征，揭示了各种乳液的微观和纳米形态，建立了纯净和纯化碳纳米管乳化行为的描述方法，讨论了由纯净和纯化的多壁碳纳米管（MWCNT）稳定的水/油乳液的稳定性机制，结果还显示了两亲性强度取决于 CNT 尺寸、氧化/空位结构域以及油水比，表明了 MWCNT 可加工性的最佳值。 实验支持的量子力学计算表明，真实的 CNT 具有明确的亲水和疏水结构域，表现为具有亲水性开口端、少量氧官能化/空位表面区域、疏水性侧壁和全封闭端，这使得纯净 CNT 成为一维两亲物，能够用作完全可回收的一维表面活性剂，用于稳定水/油乳液。 研究结果证实，碳纳米管在制备聚合物、陶瓷、金属和其他复合材料中作为完全可回收一维乳化剂，有广泛的前景，应用领域包括诸如传热纳米流体、超级润滑剂、涂料、涂层、电催化剂，以及生物成像中局部治疗或造影剂的药物载体等。 计算部分 作者使用 QuantumATK 中的第一原理方法（DFT）对 CNT 与水分子和烷烃分子多种不同构型的相互作用能、电子态密度和电子分布等微观性质进行了计算，分别对比了开口/封闭以及不同尺寸的 CNT 的效果，以解释实验中观察到的亲和性趋势。 作者使用力场方法（ReaxFF）对 CNT-水-烷烃复合体系进行了分子动力学研究，分别研究了不同开口、尺寸、单壁/多壁、修饰基团等对两亲性的影响。建模时，作者采用 QuantumATK 中内置的 PackMol 工具构建了一个纳米管被足够多的水分子和烷烃分子包埋的模型。 为了研究更大体系在较长时间内的动力学特征，作者还使用了 time-stamped foce-bias Monte Carlo 方法对5 个 CNT、500 个癸烷、4000 个水分子体系进行了 33 ps 时间的动力学模拟。 参考 Blacha, A. W., et al, The Origin of Amphipathic […]
新冠病毒原始株、德尔塔和奥密克戎变异株刺突与人ACE2受体的结合能【QuantumATK应用】
摘要 新冠病毒 SARS-CoV-2 的受体结合区域（RBD）与人 ACE2 受体结合导致感染。在这项研究中，通过密度泛函理论（DFT）模拟研究了原始毒株、德尔塔和奥密克戎变异株的 SARS-CoV-2 刺突 RBD 与人 ACE2 受体连接形成的复合物，获得了二者之间的结合能。原始毒株、德尔塔和奥密克戎变异株的 SARS-CoV-2 刺突 RBD 与人 ACE2 受体的结合能计算值分别为 −4.76、−6.68 和 −11.77 eV。这些结合能值表明，奥密克戎变异株与 ACE2 的结合比原始毒株和德尔塔变异株的结合有利得多，这可能从分子水平上解释了奥密克戎变异株能取代原始毒株和德尔塔变异株成为流行毒株的原因。本研究中发现的结合能和这些能量的分解有望有助于中和药物的开发。 模型 作者从公开的蛋白质数据库中获得了三种毒株的刺突与受体的冷冻电镜结构数据，并在刺突蛋白与受体接触面附近 15 埃范围内选择了合适的分子大小作为计算模型。结合体的原子数在 3000 以上。 图：三种毒株的刺突受体结合域与人ACE2受体的结合界面结构。（a）原始毒株（b）德尔塔变异株；（c）奥密克戎变异株。 表：区域选择后的模型原子数。 计算与结果 作者对结构进行了基本的优化后，计算了体系能量，计算能量时考虑了基组重叠误差（BSSE）和范德华力泛函校正。计算结果表面，奥密克戎毒株的刺突蛋白具有最大的受体结合能，这与实际观察到的传播能力的表现一致。 参考 Yamacli, S., Avci, M., Computation of the Binding Energies between Human ACE2 and Spike RBDs of the Original Strain, Delta and Omicron Variants […]
我感兴趣的关于COSMO-RS/SAC、UNIFAC的课程内容征集【长期有效】
2022年11月5日，AMS(Amsterdam Modeling Suite)开发者荷兰SCM公司与费米科技，结合广大老师、同学们前期对讲座内容需求的反馈，联合举办COSMO-RS和COSMO-SAC在线讲座。SCM公司陈威霖博士将介绍有关COSMO-RS的理论以及计算溶液热力学性质的现实溶剂法和分段活度系数法，并展示在AMS的图形窗口中如何进行简单计算，并使用python脚本展示更强大的应用案例，包括：溶解度筛选、共晶筛选、共熔溶剂、离子液体。讲义、视频、脚本等资料，详见链接。 未来我们计划继续开展类似讲座，因此长期面向广大师生征集讲座课题，敬请填写下表，我们将在开课时通过邮件通知您参与信息。
阿斯利康：药物工艺开发中溶解度预测模型的评估(Cryst. Growth Des. 2022)
在合成药物工艺开发中的许多单元操作设计中，溶解度是一个重要属性，然而直接测量潜在溶剂、混合溶剂中的溶解度，有时候并不理想或实用。在制药工业中投入使用的，包括有几种预测化合物在有机溶剂中溶解度的理论模型。ETC(Enabling Technologies Consortium) 合作，需要进行溶解度模型标准测试，以便指导溶解度模型的更好使用。 阿斯利康的研究人员针对一组较为广泛的溶质-溶剂组合，包括24 种溶质和80 种溶剂、混合溶剂，对多种溶解度模型进行了评估。作为 ETC 内部共同努力的一部分，对乙酰唑胺、咖啡因、西咪替丁、桂利嗪、格列本脲、奥美拉唑、扑热息痛、吡罗昔康、利培酮和糖精进行了测量。ETC 合作参与者额外提供了的溶解度的一些内部数据，涵盖了更有限的溶剂范围。 溶解度模型的方法各不相同，包括从第一性原理模型（COSMO-RS 和 COSMO-SAC）到回归模型（R-UNIFAC 和Lovette-Amgen模型）等。作者使用不同的适应度测量，对每种模型的性能进行了广泛的评估。 尽管作者提出了几种不同的性能指标（如准确性、RMSE和MCC），但没有一种指标能够完美地捕捉模型在所有预期情况下的适用性。建议研究者评估每个指标在其预期应用中的重要性，并根据所需数据规模和应用模型的能力来平衡评估。 结果表明，溶解度模型确实可用于化学过程开发，这些模型在性能方面非常具有吸引力。通过有效的初步筛选，能够产生较小的潜在溶剂和溶剂混合物集，以便进一步筛选，而且在后期开发中，能够识别和消除二元体系协同溶解度效应的潜在影响。 从这些模型的总体趋势来看，使用的实验数据越多，总体性能改善越大。使用DSC或参考溶解度时，基于ADF-COSMO的模型通常是最准确的。R-UNIFAC模型在不同任务中的表现各不相同，只有从参考溶剂和多态性处理的选择上将它们区分开来。Lovette-Amgen模型在单溶剂系统的大多数评估中表现得异常出色（使用数据训练了该模型），但二元溶剂评估方面显著落后（数据未用于训练模型）。 参考文献 Evaluation of Predictive Solubility Models in Pharmaceutical Process Development─an Enabling Technologies Consortium Collaboration, Michael A. Lovette, Jacob Albrecht, Ravi S. Ananthula, Francesco Ricci, Rahul Sangodkar, Mansi S. Shah, and Simone Tomasi, Cryst. Growth Des. 2022, DOI: 10.1021/acs.cgd.2c00368
使用共晶溶剂从黄褐藻中提取岩藻黄质—COSMO-RS筛选与实验验证
研究亮点 使用COSMO-RS筛选用于提取岩藻黄质的24中共晶溶剂通过实验验证了COSMO-RS筛选得到的6个排名靠前的共晶溶剂百里酚 : 十二酸共晶溶剂的岩藻黄质提取率最高利用σ-profile和σ-potential揭示了可能的岩藻黄质提取机制最佳条件下岩藻黄质提取率为 22.03 mg/g DW 研究内容 岩藻黄质是藻类中的一种类胡萝卜素，据称具有抗氧化、抗光老化、抗转移、抗高血压活性等有益的健康相关特性，从而可能应用于化妆品、饮食和医药等。 奥克兰大学Dingmeng Xu等，研究评估了使用共晶溶剂 (deep eutectic solvents，DES) 从微藻Tisochrysis lutea中提取岩藻黄质的方法。 使用COSMO-RS筛选24种不同类型的共晶溶剂在提取岩藻黄质中的性能，然后使用6个排名靠前的共晶溶剂进行实验提取验证。 实验结果表明，其中百里酚 : 十二酸（摩尔比 1.25 : 1）对岩藻黄质的提取能力最高（7.69 mg/g dry biomass weight (DW)），高于常规溶剂甲醇 (6.29 mg/g DW) 和乙醇 (6.75 mg/g DW），这与 COSMO-RS 筛选结果一致。 作者进一步优化了百里酚 : 十二酸提取岩藻黄素的提取条件，结果表明在温度36.2 ℃、搅拌时间2.58小时，生物量百分比 11.36%时，岩藻黄质的提取率最高（22.03 mg/g DW）。 此外，岩藻黄质在百里酚 : 十二酸中表现出良好的稳定性，储存时间超过 11 天。经过七个提取周期后，最终岩藻黄质浓度 (13.06 mg/mL DES) ，可重复使用性良好。 参考文献 Evaluation of Deep […]