CN102063580B - 纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。由于测量大量单分子时，得到的系综平均信号会掩盖每个单分子的特性，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单分子的平动、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单分子的动力学特性以及该单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单分子运动。同时由于单个单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、单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，用于对单分子和背景环境模型的模拟演示，以及对单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，数字输入输出卡与单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单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单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、单分子参数展示区；菜单包括数据文件、单分子选择、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单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单分子进行选择，跟踪特定单分子的运动；单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单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单分子发光强度和偏振度的变化。

单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、背景单分子、电极和导电膜的虚拟现实场景模型：

a1.构建单分子的三维立体模型；

a2.建立液态背景和固态背景单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，导电膜设计为球形单分子的二维分布；

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：

$f(x,y)=c_0{e}^{-[{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2]/{c_1}^2}$

其中f(x，y)是单分子图像中单分子光斑的亮度，c₀和c₁是比例系数，x₁和y₁是拟合常数；通过设定单分子光斑的亮度阈值，在亮斑中心附近的一定范围内，用上式对单分子光斑进行拟合，可以得到单分子的x、y坐标信息。坐标z的信息可通过分析单分子光斑的对称性特征得到。

单分子的空间取向α值可表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}{\cos }^{-1}\left(\frac{P\left(t\right)-S\left(t\right)}{P\left(t\right)+S\left(t\right)}\right)$

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光斑的空间不对称性得到。

c.单分子发光强度描述：

c1.转换单分子荧光成像装置传回的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，由虚拟现实应用软件调用，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信号数据为单分子相对发光强度值，由虚拟现实应用软件调用，仿真单分子的发光特征；

c3.将步骤c1、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，以及不同物理环境参数下的动力学特征模型：

d1.建立单分子在液态背景中的运动模型；其模型可由下式表示：

${\mathrm{\λ}}_x=\sqrt{t}\·\sqrt{\frac{\mathrm{RT}}{N}\·\frac{1}{3\mathrm{\πkP}}}$

其中λ_x为单分子随机运动的均方根位移，t为时间，R为液体常数，T为单分子的物理环境的绝对温度，N为阿伏加德罗常数，k为液体粘滞系数，P为单分子半径。

d2.建立外电场电压变化时的单分子动力学特征模型；单分子作为一个电偶极子，在外电场E的作用下，所受到的力矩可表述为：

$\stackrel{\→}{L}=\stackrel{\→}{l}\×\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{l}\×q\stackrel{\→}{E}=q\stackrel{\→}{l}\×\stackrel{\→}{E}$

其中q为电荷，l为单分子电偶极矩的方向。由此可看出，不同空间取向的单分子作为电偶极子在外电场中受到的电场力是不同的，其大小取决于空间取向与电场E的夹角。不同转动力矩导致不同单分子的取向趋同速度是不一样的。

d3.建立单分子在电流作用下的发光特征变化的物理模型。单分子在电流作用下的发光特征模型可表述为：

其中η为比例系数，对于不同的单分子具有不同的比例系数，它可以通过实验数据拟合得到；n为发光光子数，

为光子的能量。根据能量守恒定律，当电流I经过单分子，电流变化率等于单分子荧光的变化。

单分子的荧光是由于电子从激发态跃迁到基态自发辐射过程产生的。在电流作用下，单分子中的电子与外场电流发生电子交换。电流的大小决定单分子中激发态电子被转移的几率大小，从而导致单分子自发辐射发光强度的变化。

e.实现虚拟现实系统与单分子光学探测系统及单分子物理环境参数控制系统的连接：

e1.数据采集卡采集单分子光学探测系统探测的数据，进入数据转换程序，根据步骤b中单分子的空间位置和空间取向描述，得到单分子的相对位置坐标、空间取向数据，这些数据保存为位置坐标、空间取向数据文件被虚拟现实系统调用；

e2.数据采集卡采集单分子光学探测系统探测的数据，进入数据转换程序，根据步骤c中单分子的发光强度描述，得到单分子的相对发光强度值，这些数据保存为发光强度值的数据文件被虚拟现实系统调用；

e3.虚拟现实系统输出的单分子物理环境参数数据被存储为环境参数数据文件，由数据转换程序读取并转换后，输出到数字输入输出卡，通过数据线连接单分子物理环境参数控制系统；用于分别控制单分子样品物理环境的电流、电压和温度。

f.通过虚拟现实应用软件实现纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真：

f1.虚拟现实应用软件的人机交互界面，采用标准的windows窗口界面，包括菜单、快捷按钮、仿真展示区、单分子参数展示区；菜单包括数据文件、单分子选择、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单分子物理环境参数控制模块的调用；

f2.通过调用建立的单分子、背景单分子、电极和导电膜的模型，在仿真展示区实现单分子及其背景的三维展示和多视角观察；

f3.虚拟现实应用软件通过调用单分子位置坐标、空间取向、发光强度的数据文件，对单分子三维立体模型的状态参数赋值实现单分子平动、转动状态以及发光状态的仿真；

f4.在虚拟现实应用程序中设计电压、电流和温度等环境参数的控制模块，根据步骤e的描述，将环境参数控制模块返回的数值，通过数据接口实现对实际环境参数的操控。

与现有技术相比，本发明实现了纳米环境下单分子运动状态和发光特征的虚拟现实仿真，可以将纳米尺度的单分子动力学特征进行形象地展示。在虚拟现实场景中，实现了通过改变单分子物理环境参数对单分子动力学过程的操控。通过虚拟现实系统与现实实验装置的连接，实现虚拟现实与真实环境控制的协同操作。不仅可以联机进行操控和展示，也可以脱机进行演示操作，是虚拟现实技术、纳米环境下的单分子光学探测与操控技术和计算机控制技术的良好结合。突出了虚拟现实技术在研究纳米单分子动力学过程中的灵活性、预操作性和演示性的良好应用，为纳米环境中的单分子跟踪和操控提供了良好的实验平台。

附图说明

图1纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统示意图

图2Cy5荧光染料单分子的三维构型图

图3甘油单分子的三维立体结构模型

图4有机长链大分子的三维模型

图5单分子三维直角坐标和空间取向角说明

图6单分子荧光成像装置获得的Cy5荧光染料单分子图像

图7单分子在xy平面内的运动轨迹

图8虚拟现实仿真的软件界面

图9电压控制模块三维虚拟现实场景

图10电流控制模块三维虚拟现实场景

具体实施方式

本发明纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真系统(如图1)包括：虚拟现实系统(人机交互系统)1，数据转换接口2，单分子物理环境参数控制系统3，单分子光学探测系统4，单分子样品5；

虚拟现实系统(人机交互系统)1包括计算机和虚拟现实应用软件，通过调用数据转换接口的数据，模拟仿真单分子动力学特征，并通过改变单分子物理环境参数实现对单分子动力学特征的仿真操控；

数据转换接口2包括数据转换程序以及数字输入输出卡、数据采集卡，实现虚拟现实系统1与单分子物理环境参数控制系统3以及单分子光学探测系统4之间的数据转换和连接；数据采集卡采集单分子光学探测系统获得的单分子图像以及发光特征的实验数据，由数据转换程序计算获得单分子的位置坐标、空间取向角、发光强度的数据，再赋值给虚拟现实应用软件进行调用；另外虚拟现实应用软件中单分子物理环境参数控制模块输出的数据，被数据转换程序转换，通过数字输入输出卡输出到单分子物理环境参数控制系统；

单分子物理环境控制系统3包括：电压、电流和温度控制装置，单分子物理环境控制模块4与数字输入输出卡通过数据线连接；

单分子光学探测系统4包括：单分子荧光成像装置和单分子荧光探测装置；单分子光学探测系统4通过数据线与数据采集卡连接；单分子光学探测系统用“用于快速光学跟踪单分子的方法及其装置(公开号CN101655460)”中所述的方法及其装置实现。

本发明纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真方法的具体实施方式以Cy5单分子为例具体详细说明：

a.建立单分子以及背景单分子的虚拟现实场景模型，包括：

a1.根据Cy5分子的化学结构，利用化学模拟构型软件Culgi构建Cy5分子的三维立体模型，图2所示为Cy5荧光染料单分子的三维立体模型；

a2.利用化学模拟构型软件Culgi构建液态背景(甘油单分子，如图3)和固态背景(PMMA有机长链大分子，如图4)单分子三维立体模型，再使用基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3dmax设计上述单分子模型的简化三维立体模型；

a3.使用基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3dmax设计单分子所处物理环境中的电极和导电膜的模型；根据实验中电极实际尺寸，按比例在待测单分子的周围设置了三组电极，用于控制纳米环境下的电压；导电膜仿真设计为球形单分子的二维分布，导电膜用于纳米环境下的电流传输；

a4.转换上述构建的模型，并且保存为虚拟现实场景文件，使得虚拟现实应用软件能够无缝调用；

b.单分子相对空间位置和空间取向的描述：

b1.μ作为一个单分子(如图5)，它在三维空间的相对位置由(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计算：

$f(x,y)=c_0{e}^{-[{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2]/{c_1}^2}$

其中f(x，y)是单分子图像中坐标(x，y)处单分子光斑的亮度，c₀和c₁是比例系数，x₁和y₁是拟合常数；图6为单分子荧光成像装置返回的多个单分子的图像，a-e分别表示具有不同对称性特征的单分子光斑；单分子成像光斑亮度分布服从上式的定义，设定单分子光斑的亮度阈值，根据亮斑大小的不同，在设定的拟合范围内对单分子光斑进行拟合，可以得到单分子的x、y坐标信息，图7为通过上式拟合得到的单分子在xy平面内的运动轨迹；坐标z的信息可通过分析单分子光斑的对称性特征得到。

单分子的空间取向α值可表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}{\cos }^{-1}\left(\frac{P\left(t\right)-S\left(t\right)}{P\left(t\right)+S\left(t\right)}\right)$

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，P(t)和S(t)可由单光子探测器得到，θ角通过分析单分子成像光斑的空间不对称性得到；

b2.建立单分子与背景单分子之间的相对位置关系：单分子浸入液态甘油单分子中；单分子附着在固态背景表面的单大分子长链上，随着单大分子长链一起转动；

c.单分子发光强度的描述：

c1.读取单分子荧光成像装置传回的图像中单分子光斑的像素亮度值，将其转换为单分子相对发光强度值，用于虚拟现实应用软件的调用，仿真单分子的发光特征；

c2.读取单分子荧光探测装置获得的信号，将数据转换为单分子相对发光强度值，用于虚拟现实软件的调用；

c3.根据对同一个单分子的探测，将步骤c1、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单分子中的运动模型，以及电流、电压作用下的动力学特征模型：

d1.建立单分子在液态背景单分子中的运动模型；其模型可由下式表示：

${\mathrm{\λ}}_x=\sqrt{t}\·\sqrt{\frac{\mathrm{RT}}{N}\·\frac{1}{3\mathrm{\πkP}}}$

其中λ_x为单分子随机运动的均方根位移，t为时间，R为液体常数，T为单分子的物理环境的绝对温度，N为阿伏加德罗常数，k为液体粘滞系数，P为单分子半径。在无外场干扰下的液态背景单分子中，单分子与液态背景单分子的随机运动服从上式的描述。

d2.建立电压作用下的单分子动力学特征模型；单分子作为一个电偶极子，在外电场E的作用下，所受到的力矩可表述为：

$\stackrel{\→}{L}=\stackrel{\→}{l}\×\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{l}\×q\stackrel{\→}{E}=q\stackrel{\→}{l}\×\stackrel{\→}{E}$

其中q为电荷，l为单分子电偶极矩的方向。由此可看出，不同空间取向的单分子作为电偶极子在外电场中受到的电场力是不同的，其大小取决于空间取向与电场E的夹角。不同转动力矩导致不同单分子的取向趋同速度是不一样的。

d3.建立单分子在电流作用下的发光特征变化的物理模型。单分子在电流作用下的发光特征模型可表述为：

其中η为比例系数，对于不同的单分子具有不同的比例系数，它可以通过实验数据拟合得到；n为自发跃迁的光子数，

为自发跃迁光子的能量。根据能量守恒定律，当电流I经过单分子，电流变化率等于单分子荧光的变化。

单分子的荧光是由电子从激发态跃迁到基态的自发辐射过程产生。在电流作用下，单分子中的电子与电流发生电子交换，电流的大小决定单分子中激发态电子被转移的几率，从而导致单分子自发辐射发光强度的变化。

e.实现虚拟现实系统与单分子物理环境控制系统及单分子光学探测系统的连接：

e1.数据采集卡采集单分子光学探测系统探测的数据，进入数据转换程序，根据步骤b中单分子的相对位置坐标和空间取向描述，得到单分子的相对位置坐标、空间取向数据，这些数据保存为位置坐标、空间取向数据文件被虚拟现实系统调用；

e2.数据采集卡采集单分子光学探测系统探测的数据，进入数据转换程序，根据步骤c中单个单分子的发光状态模型，得到单分子的相对发光强度值，这些数据保存为发光强度数据文件被虚拟现实系统调用；

e3.虚拟现实系统输出的单分子物理环境参数数据被存储为环境参数数据文件，由数据转换程序读取并转换后，输出到数字输入输出卡，通过数据线连接单分子物理环境参数控制系统；用于分别控制单分子样品物理环境的电流、电压和温度。

f.利用虚拟现实开发软件设计虚拟现实应用软件，软件界面如图8所示；

f1.利用虚拟现实开发软件设计虚拟现实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、单分子参数展示区；菜单包括数据文件、单分子选择、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单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单分子进行选择，跟踪特定单分子的运动；单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单分子物理环境参数信息；

f2.通过调用建立的单分子、背景单分子、电极和导电膜的模型，在虚拟现实系统的应用软件的仿真展示区实现单分子及其背景的三维展示和多视角观察，使用鼠标或者键盘可以调整观察角度；单分子选择菜单实现调用不同的单分子模型、背景单分子模型；

f3.虚拟现实系统应用软件通过调用单分子位置坐标、空间取向、发光强度的数据文件，对单分子三维立体模型的状态参数赋值实现单分子平动、转动状态以及发光状态的仿真；根据步骤d1中描述的运动模型，实现单分子在液态甘油单分子背景中的运动仿真展示；运动控制模块控制单分子运动仿真的开始、暂停和停止，并能够实现单分子运动仿真的慢放效果；

f4.在虚拟现实应用软件中的外力操控模块包括电压、电流和温度三个模块：

设计电压操控模块，电压大小的调节用滑块实现，并利用鼠标控制的电压开关，电压的数据在单分子参数展示区显示，根据步骤d2中描述的模型仿真单分子在电压作用下空间取向趋于一致的动态效果；图9为电压控制模块三维虚拟现实场景仿真，单分子被置于液态甘油背景中，无电压作用下单分子呈现自由运动状态；当操作员单击电压开关，电极间的单分子的空间取向发生变化，所有单分子的取向都趋于一致；同时电压的数据被输出到数据转换接口，经过数字输入输出卡与电压控制装置连接，实现对现实单分子的操控；

设计单分子电流控制模块，使用流动的电子模型仿真通过导电膜的电流，电流大小的调节用滑块实现，并设计鼠标控制的电流开关，实现电流开关和大小调节，电流的数据在单分子参数展示区显示，根据步骤d3中描述的模型仿真单分子在电流作用下发光强度变化的动态效果，图10为电流控制模块三维虚拟现实场景仿真，单分子被置于导电膜上，单击电流开关，电流将流过单分子，其发光强度会随着电流的大小发生变化，三个电极上加入的电流大小不同，单分子呈现出不同的发光强度，电流越大，单分子发光强度被抑制的越明显；同时电流数据输出到数据转换接口，经过数字输入输出卡与电流控制装置连接；

设计温度控制模块，设计了单选按钮调节温度，温度的数据在单分子参数展示区显示，根据步骤d1中的描述模型仿真单分子随温度变化所产生的运动状态的变化；同时温度的数据输出到数据接口，经过数字输入输出卡与温度控制装置连接。

Claims (2)

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、单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，数字输入输出卡与单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单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单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、单分子参数展示区；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单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，操作员可对特定单分子进行选择，跟踪特定单分子的运动；单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单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；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；

所述的单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，可以分别对单分子物理环境参数，包括电压、电流及温度进行控制。

2.一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：

a1.构建单分子的三维立体模型；

a2.建立液态背景和固态背景单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：

b1.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：

$f(x,y)=c_0{e}^{-[{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2]/{c_1}^2}$

其中f(x，y)是单分子图像中单分子光斑的亮度，c₀和c₁是比例系数，x₁和y₁是拟合常数，通过设定单分子光斑的亮度阈值，在亮斑中心附近的一定范围内，用上式对单分子光斑进行拟合，可以得到单分子的x、y坐标信息，坐标z的信息可通过分析单分子光斑的对称性特征得到；

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：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}{\cos }^{-1}\left(\frac{P\left(t\right)-S\left(t\right)}{P\left(t\right)+S\left(t\right)}\right)$

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：

c1.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c1、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；

d1.单分子在液态背景中的运动模型；其模型可由下式表示：

${\mathrm{\λ}}_x=\sqrt{t}\·\sqrt{\frac{\mathrm{RT}}{N}\·\frac{1}{3\mathrm{\πkP}}}$

其中λ_x为单分子随机运动的均方根位移，t为时间，R为液体常数，T为单分子的物理环境的绝对温度，N为阿伏加德罗常数，k为液体粘滞系数，P为分子半径；

d2.单分子在电压作用下的动力学特征模型；单分子在电压作用下的动力学特征模型通过力矩表述，单分子作为一个电偶极子，在外电场E的作用下，所受到的力矩为：

$\stackrel{\→}{L}=\stackrel{\→}{l}\×\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{l}\×q\stackrel{\→}{E}=q\stackrel{\→}{l}\×\stackrel{\→}{E}$

其中q为电荷，l为单分子电偶极矩的方向；

d3.单分子在电流作用下的动力学特征模型；单分子在电流I作用下的动力学特征模型用发光强度特征表述：

其中η为比例系数，n为光子数，

为光子的能量；

e.实现虚拟现实系统与单分子光学探测系统及单分子物理环境参数控制系统的连接：

e1.数据采集卡采集单分子光学探测系统探测的数据，进入数据转换程序，根据步骤b中单分子的空间位置和空间取向描述，得到单分子的相对位置坐标、空间取向数据，这些数据保存为位置坐标与空间取向的数据文件被虚拟现实系统调用；

e2.数据采集卡采集单分子光学探测系统探测的数据，进入数据转换程序，根据步骤c中单分子的发光强度描述，得到单分子的相对发光强度值，这些数据保存为发光强度数据文件被虚拟现实系统调用；

e3.虚拟现实系统输出的单分子物理环境参数数据被存储为环境参数数据文件，由数据转换程序读取并转换后，输出到数字输入输出卡，通过数据线连接单分子物理环境参数控制系统，用于分别控制单分子样品物理环境的电流、电压和温度；

f.通过虚拟现实应用软件实现纳米环境下单分子动力学的虚拟现实仿真：

通过调用步骤a中建立的单分子、背景分子、电极和导电膜的模型，以及步骤b中建立的单分子空间位置和空间取向模型，通过虚拟现实应用软件，实现单分子及其背景的三维展示和多视角观察；

通过步骤c、d中描述，实现单分子发光状态的仿真以及单分子物理环境参数的控制。

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