專利名稱：納米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單分子光學探測與操控技術(shù)、計算機虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，具體涉及納 米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實是計算機生成的環(huán)境，通過模擬和仿真自然現(xiàn)實的環(huán)境，用戶可以融入 其中，仿佛置身于真實事件中。它對于很多抽象事物的直觀展示，為人們更好地理解該事物 提供了很好途徑。隨著近年來高分辨激光光譜探測技術(shù)的發(fā)展，納米尺度下單分子的光學 探測成為技術(shù)上的可能。由于測量大量分子時，得到的系綜平均信號會掩蓋每個分子的特 性，而單分子探測技術(shù)可以在實驗上消除這種系綜平均。單分子的動力學特性包括分子的 平動、轉(zhuǎn)動以及發(fā)光特性等。單分子探測技術(shù)可實現(xiàn)在納米尺度下對某個特定分子的動力 學特性以及該分子與周圍物理環(huán)境相互作用的觀測，同時光學監(jiān)測和跟蹤單分子的技術(shù)在 生物、化學與物理上都有著非常廣泛的應(yīng)用，如對于單分子的偶極取向的測量可以應(yīng)用于 觀察蛋白質(zhì)折疊、蛋白酶、復(fù)合體以及肌動蛋白等的宏觀分子運動。同時由于單個分子對其 周圍物理環(huán)境的電流電壓變化能做出很好的響應(yīng)，單分子能夠應(yīng)用于納米尺度范疇的傳感 器，可這對于發(fā)展單分子的探針技術(shù)具有很重要的意義；另外單分子的檢測和操縱技術(shù)對 制備單分子光量子器件也具有重要的意義。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以把光學探測和操控單分子的運動過程和發(fā)光特征進行形 象地展示，便于直觀地理解單分子動力學特征；同時在虛擬程序軟件中改變單分子的物理 環(huán)境參數(shù)，模擬操控單分子動力學過程。這對于研究和應(yīng)用單分子有重要的價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種納米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)和方法。本發(fā)明提供的納米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，包括單分子光學探 測系統(tǒng)、分子物理環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；所述的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 包括計算機和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件，用于對分子和背景環(huán)境模型的模擬演示，以及對分子運 動和發(fā)光狀態(tài)的仿真控制；所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)字 輸入輸出卡；通過數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)采集卡與單分子光學探測系統(tǒng)連接，數(shù)字輸入輸出卡與分子 環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)連接；數(shù)據(jù)采集卡得到單分子光學探測系統(tǒng)采集的分子圖像以及發(fā)光特 征的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序賦值給虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件；同時將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件中單分 子物理環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序進行轉(zhuǎn)換，由數(shù)字輸入輸出卡輸出到分子物理環(huán) 境參數(shù)控制系統(tǒng)，用于分別控制單分子物理環(huán)境的電流、電壓和溫度。利用虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件設(shè)計虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用軟件的人機交互界面，本軟件采用 標準的windows窗口界面，包括菜單、快捷按鈕、仿真展示區(qū)、分子參數(shù)展示區(qū)；菜單包括數(shù) 據(jù)文件、分子選擇、運動控制、外力操控四個模塊，完成單分子動力學數(shù)據(jù)文件的讀寫、單分子的選擇、單分子運動的模擬仿真操作以及分子物理環(huán)境參數(shù)控制模塊的調(diào)用；在軟件界 面的菜單下放置功能按鈕以完成部分常用的功能調(diào)用；仿真展示區(qū)用于展現(xiàn)單分子和背景 環(huán)境的三維立體圖形，操作員可使用鼠標對特定分子進行選擇，跟蹤特定單分子的運動；分 子參數(shù)展示區(qū)可動態(tài)展示操作員選定的特定單分子的位置坐標、空間取向和發(fā)光強度信息 以及分子物理環(huán)境參數(shù)信息；單分子光學探測系統(tǒng)包括兩個部分單分子熒光成像裝置和單分子熒光探測裝 置。單分子熒光成像裝置可以同時對共焦平面內(nèi)的多個單分子成像，根據(jù)不同時刻的圖像 可以得到單分子的運動軌跡數(shù)據(jù)、單分子發(fā)光強度的數(shù)據(jù)及單分子的空間取向的信息；單 分子熒光探測裝置用于直接監(jiān)測確定的單個分子發(fā)光強度和偏振度的變化。分子物理環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)包括電壓、電流和溫度控制裝置，可以實現(xiàn)對電壓、電 流及溫度環(huán)境參數(shù)的控制。本發(fā)明提供的納米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真方法，包括如下步驟a.建立單分子、背景分子、電極和導電膜的虛擬現(xiàn)實場景模型al.構(gòu)建單分子的三維立體模型；a2.建立液態(tài)背景和固態(tài)背景分子的三維立體模型；a3.構(gòu)建單分子所處物理環(huán)境中的電極和導電膜的三維立體模型，根據(jù)實驗中電 極實際尺寸，按照比例在待測單分子的周圍設(shè)置了三組電極，導電膜設(shè)計為球形分子的二 維分布；a4.轉(zhuǎn)換構(gòu)建的三維立體模型為虛擬現(xiàn)實建模語言可調(diào)用的數(shù)據(jù)格式，并進行保 存；b.建立單分子的空間位置和空間取向的描述單分子的空間位置由(x，y，z)三維直角坐標確定，其空間取向由α和θ兩個角 度數(shù)據(jù)決定單分子的空間位置坐標可根據(jù)以下公式確定
權(quán)利要求
1.一種納米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，其特征在于包括單分子光學探 測系統(tǒng)、分子物理環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；所述的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 包括計算機和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件；所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)采集卡以 及數(shù)字輸入輸出卡；通過數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)采集卡與單分子光學探測系統(tǒng)連接，數(shù)字輸入輸出卡 與分子環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)連接；數(shù)據(jù)采集卡得到單分子光學探測系統(tǒng)采集的分子圖像以及 發(fā)光特征的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序賦值給虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件；虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件中單分 子物理環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序進行轉(zhuǎn)換，由數(shù)字輸入輸出卡輸出到分子物理環(huán) 境參數(shù)控制系統(tǒng)，用于分別控制單分子的物理環(huán)境參數(shù)，包括電流、電壓和溫度；所述的虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件采用標準的windows窗口界面，包括菜單、仿真展示區(qū)、分子 參數(shù)展示區(qū)；菜單包括數(shù)據(jù)文件、分子選擇、運動控制、外力操控四個模塊，完成單分子動力 學數(shù)據(jù)文件的讀寫、單分子的選擇、單分子運動的模擬仿真操作以及分子物理環(huán)境參數(shù)控 制模塊的調(diào)用；仿真展示區(qū)用于展現(xiàn)單分子和背景環(huán)境的三維立體圖形，操作員可對特定 分子進行選擇，跟蹤特定單分子的運動；分子參數(shù)展示區(qū)可動態(tài)展示操作員選定的特定單 分子的空間坐標、空間取向和發(fā)光強度信息以及分子物理環(huán)境參數(shù)信息；所述的單分子光學探測系統(tǒng)包括單分子熒光成像裝置和單分子熒光探測裝置； 所述的分子物理環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)包括電壓、電流和溫度控制裝置，可以分別對分子 物理環(huán)境參數(shù)，包括電壓、電流及溫度進行控制。
2.—種納米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真方法，其特征在于包括如下步驟a.建立單分子、背景分子以及電極和導電膜的虛擬現(xiàn)實場景模型 al.構(gòu)建單分子的三維立體模型；a2.建立液態(tài)背景和固態(tài)背景分子的三維立體模型； a3.構(gòu)建電極和導電膜的三維立體模型；a4.轉(zhuǎn)換構(gòu)建的三維立體模型為虛擬現(xiàn)實建模語言可調(diào)用的數(shù)據(jù)格式，并進行保存；b.建立單分子的空間位置和空間取向模型bl.單分子的空間位置由(x，y，z)三維直角坐標確定， 單分子的空間位置坐標可根據(jù)以下公式計算 /(x，_y) = Y-[(")2+(w)2]/Cl2其中f (χ，y)是單分子圖像中分子光斑的亮度，Ctl和C1是比例系數(shù)； b2.單分子的空間取向由α和θ兩個角度數(shù)據(jù)決定 單分子的空間取向α值可表示為1J P(Q-Sjt)) a =—cos —-—2^(0 + ^(0 J其中為p(t)和S(t)為單分子發(fā)出的熒光在兩個相互垂直的偏振方向上光強，θ角通 過分析單分子成像亮斑的空間不對稱性得到；c.單分子發(fā)光強度描述Cl.轉(zhuǎn)換單分子熒光成像裝置傳回圖像中單分子光斑的像素亮度值為單分子相對發(fā)光 強度值，通過虛擬現(xiàn)實應(yīng)用軟件的調(diào)用，仿真單分子的發(fā)光特征；c2.轉(zhuǎn)換單分子熒光探測裝置獲得的數(shù)據(jù)為單分子相對發(fā)光強度值，通過虛擬現(xiàn)實軟件的調(diào)用，仿真單分子的發(fā)光特征；c3.將步驟Cl、c2得到的單分子相對發(fā)光強度值進行歸一化處理；d.建立單分子在液態(tài)背景中的運動模型，以及在電流、電壓作用下的動力學特征模型；dl.單分子在液態(tài)背景中的運動模型；其模型可由下式表示
全文摘要
本發(fā)明提供了一種納米環(huán)境下單分子動力學的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包括單分子光學探測系統(tǒng)、分子物理環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口以及虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。單分子光學探測系統(tǒng)獲得的單分子空間位置、空間取向以及發(fā)光強度數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口被虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)納米環(huán)境下的單分子運動和發(fā)光特征的仿真和展示；分子物理環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)連接，實現(xiàn)對現(xiàn)實單分子運動狀態(tài)和發(fā)光特性的控制。本發(fā)明具有三維動態(tài)展示、動態(tài)仿真和實時交互等功能，對于納米環(huán)境下的單分子動力學特征的研究以及操控提供了研究平臺和技術(shù)支持。
文檔編號G06F19/12GK102063580SQ20101060370
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者張臨杰, 張國鋒, 白妙青, 肖連團, 賈鎖堂, 高巖 申請人:山西大學