专利名称：纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统和方法
技术领域：
本发明涉及单分子光学探测与操控技术、计算机虚拟现实仿真技术，具体涉及纳 米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统和方法。
背景技术：
虚拟现实是计算机生成的环境，通过模拟和仿真自然现实的环境，用户可以融入 其中，仿佛置身于真实事件中。它对于很多抽象事物的直观展示，为人们更好地理解该事物 提供了很好途径。随着近年来高分辨激光光谱探测技术的发展，纳米尺度下单分子的光学 探测成为技术上的可能。由于测量大量分子时，得到的系综平均信号会掩盖每个分子的特 性，而单分子探测技术可以在实验上消除这种系综平均。单分子的动力学特性包括分子的 平动、转动以及发光特性等。单分子探测技术可实现在纳米尺度下对某个特定分子的动力 学特性以及该分子与周围物理环境相互作用的观测，同时光学监测和跟踪单分子的技术在 生物、化学与物理上都有着非常广泛的应用，如对于单分子的偶极取向的测量可以应用于 观察蛋白质折叠、蛋白酶、复合体以及肌动蛋白等的宏观分子运动。同时由于单个分子对其 周围物理环境的电流电压变化能做出很好的响应，单分子能够应用于纳米尺度范畴的传感 器，可这对于发展单分子的探针技术具有很重要的意义；另外单分子的检测和操纵技术对 制备单分子光量子器件也具有重要的意义。采用虚拟现实技术可以把光学探测和操控单分子的运动过程和发光特征进行形 象地展示，便于直观地理解单分子动力学特征；同时在虚拟程序软件中改变单分子的物理 环境参数，模拟操控单分子动力学过程。这对于研究和应用单分子有重要的价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统和方法。本发明提供的纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统，包括单分子光学探 测系统、分子物理环境参数控制系统、数据转换接口和虚拟现实系统；所述的虚拟现实系统 包括计算机和虚拟现实应用软件，用于对分子和背景环境模型的模拟演示，以及对分子运 动和发光状态的仿真控制；所述的数据转换接口包括数据转换程序、数据采集卡以及数字 输入输出卡；通过数据线，数据采集卡与单分子光学探测系统连接，数字输入输出卡与分子 环境参数控制系统连接；数据采集卡得到单分子光学探测系统采集的分子图像以及发光特 征的数据，通过数据转换程序赋值给虚拟现实应用软件；同时将虚拟现实应用软件中单分 子物理环境参数的数据通过数据转换程序进行转换，由数字输入输出卡输出到分子物理环 境参数控制系统，用于分别控制单分子物理环境的电流、电压和温度。利用虚拟现实开发软件设计虚拟现实系统应用软件的人机交互界面，本软件采用 标准的windows窗口界面，包括菜单、快捷按钮、仿真展示区、分子参数展示区；菜单包括数 据文件、分子选择、运动控制、外力操控四个模块，完成单分子动力学数据文件的读写、单分子的选择、单分子运动的模拟仿真操作以及分子物理环境参数控制模块的调用；在软件界 面的菜单下放置功能按钮以完成部分常用的功能调用；仿真展示区用于展现单分子和背景 环境的三维立体图形，操作员可使用鼠标对特定分子进行选择，跟踪特定单分子的运动；分 子参数展示区可动态展示操作员选定的特定单分子的位置坐标、空间取向和发光强度信息 以及分子物理环境参数信息；单分子光学探测系统包括两个部分单分子荧光成像装置和单分子荧光探测装 置。单分子荧光成像装置可以同时对共焦平面内的多个单分子成像，根据不同时刻的图像 可以得到单分子的运动轨迹数据、单分子发光强度的数据及单分子的空间取向的信息；单 分子荧光探测装置用于直接监测确定的单个分子发光强度和偏振度的变化。分子物理环境参数控制系统包括电压、电流和温度控制装置，可以实现对电压、电 流及温度环境参数的控制。本发明提供的纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真方法，包括如下步骤a.建立单分子、背景分子、电极和导电膜的虚拟现实场景模型al.构建单分子的三维立体模型；a2.建立液态背景和固态背景分子的三维立体模型；a3.构建单分子所处物理环境中的电极和导电膜的三维立体模型，根据实验中电 极实际尺寸，按照比例在待测单分子的周围设置了三组电极，导电膜设计为球形分子的二 维分布；a4.转换构建的三维立体模型为虚拟现实建模语言可调用的数据格式，并进行保 存；b.建立单分子的空间位置和空间取向的描述单分子的空间位置由(x，y，z)三维直角坐标确定，其空间取向由α和θ两个角 度数据决定单分子的空间位置坐标可根据以下公式确定
权利要求
1.一种纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统，其特征在于包括单分子光学探 测系统、分子物理环境参数控制系统、数据转换接口和虚拟现实系统；所述的虚拟现实系统 包括计算机和虚拟现实应用软件；所述的数据转换接口包括数据转换程序、数据采集卡以 及数字输入输出卡；通过数据线，数据采集卡与单分子光学探测系统连接，数字输入输出卡 与分子环境参数控制系统连接；数据采集卡得到单分子光学探测系统采集的分子图像以及 发光特征的数据，通过数据转换程序赋值给虚拟现实应用软件；虚拟现实应用软件中单分 子物理环境参数的数据通过数据转换程序进行转换，由数字输入输出卡输出到分子物理环 境参数控制系统，用于分别控制单分子的物理环境参数，包括电流、电压和温度；所述的虚拟现实应用软件采用标准的windows窗口界面，包括菜单、仿真展示区、分子 参数展示区；菜单包括数据文件、分子选择、运动控制、外力操控四个模块，完成单分子动力 学数据文件的读写、单分子的选择、单分子运动的模拟仿真操作以及分子物理环境参数控 制模块的调用；仿真展示区用于展现单分子和背景环境的三维立体图形，操作员可对特定 分子进行选择，跟踪特定单分子的运动；分子参数展示区可动态展示操作员选定的特定单 分子的空间坐标、空间取向和发光强度信息以及分子物理环境参数信息；所述的单分子光学探测系统包括单分子荧光成像装置和单分子荧光探测装置； 所述的分子物理环境参数控制系统包括电压、电流和温度控制装置，可以分别对分子 物理环境参数，包括电压、电流及温度进行控制。
2.—种纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真方法，其特征在于包括如下步骤a.建立单分子、背景分子以及电极和导电膜的虚拟现实场景模型 al.构建单分子的三维立体模型；a2.建立液态背景和固态背景分子的三维立体模型； a3.构建电极和导电膜的三维立体模型；a4.转换构建的三维立体模型为虚拟现实建模语言可调用的数据格式，并进行保存；b.建立单分子的空间位置和空间取向模型bl.单分子的空间位置由(x，y，z)三维直角坐标确定， 单分子的空间位置坐标可根据以下公式计算 /(x，_y) = Y-[(")2+(w)2]/Cl2其中f (χ，y)是单分子图像中分子光斑的亮度，Ctl和C1是比例系数； b2.单分子的空间取向由α和θ两个角度数据决定 单分子的空间取向α值可表示为1J P(Q-Sjt)) a =—cos —-—2^(0 + ^(0 J其中为p(t)和S(t)为单分子发出的荧光在两个相互垂直的偏振方向上光强，θ角通 过分析单分子成像亮斑的空间不对称性得到；c.单分子发光强度描述Cl.转换单分子荧光成像装置传回图像中单分子光斑的像素亮度值为单分子相对发光 强度值，通过虚拟现实应用软件的调用，仿真单分子的发光特征；c2.转换单分子荧光探测装置获得的数据为单分子相对发光强度值，通过虚拟现实软件的调用，仿真单分子的发光特征；c3.将步骤Cl、c2得到的单分子相对发光强度值进行归一化处理；d.建立单分子在液态背景中的运动模型，以及在电流、电压作用下的动力学特征模型；dl.单分子在液态背景中的运动模型；其模型可由下式表示
全文摘要
本发明提供了一种纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统和方法。系统包括单分子光学探测系统、分子物理环境参数控制系统、数据转换接口以及虚拟现实系统。单分子光学探测系统获得的单分子空间位置、空间取向以及发光强度数据，经过数据转换接口被虚拟现实系统调用，实现纳米环境下的单分子运动和发光特征的仿真和展示；分子物理环境参数控制系统通过数据转换接口与虚拟现实系统连接，实现对现实单分子运动状态和发光特性的控制。本发明具有三维动态展示、动态仿真和实时交互等功能，对于纳米环境下的单分子动力学特征的研究以及操控提供了研究平台和技术支持。
文档编号G06F19/12GK102063580SQ20101060370
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者张临杰, 张国锋, 白妙青, 肖连团, 贾锁堂, 高岩 申请人:山西大学