円錐交差構造と機械学習を用いた無輻射失活経路予測に基づく蛍光分子骨格の理論設計

基于圆锥交叉结构和机器学习的非辐射失活路径预测的荧光分子骨架的理论设计

基本信息

批准号：
22K19002
负责人：
原渕祐
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

2022年度は、円錐交差探索に基づく反応機構解析とデータ収集、機械学習手法の導入、３次元分子構造生成プログラムの整備において進捗があった。円錐交差探索計算の応用としては、以前の研究で発表した時間依存密度汎関数理論（TDDFT）に基づく円錐交差探索法であるエネルギーシフト/勾配射影/TDDFT/single component-artificial force induced reaction (ES/TDDFT/GP/SC-AFIR)法を用い、近年注目されている分子骨格の円錐交差構造を探索し、光励起後の分子の無輻射失活機構を議論した。さらに、実験グループと協力し、実験的に得られた結果に対する説明を与えた。これらの成果は、投稿準備段階である。研究代表者は、以前の取り組みで、機械学習ライブラリと分子記述子を用いた機械学習により、円錐交差エネルギーの定性的評価が可能であることを確認した。一方で、データ量の増加に伴い、訓練に要する演算コストが問題となってきた。そこで、2022年度には、GPUを用いて高速に訓練可能な方法を研究に導入し、効率化を図った。今後、予測精度についても検討していく。また、分子骨格のスクリーニングに向けて、単純な入力で分子の３次元構造を生成し、分子構造の最適化、無輻射失活経路の探索を適用するプログラムの整備を進めた。2022年度までに、ある特定の骨格を入力として分子の置換構造を系統的に得る方法に加え、異なる分子骨格を生成する方法を導入し、得られた構造に対する量子化学計算の適用が可能になった。さらに、Unixにおけるテキストベースの計算結果に対して、科学者が容易に計算結果を解析できる可視化システムの開発に着手した。実際の分子設計では、実験研究者との情報の共有が必要不可欠であるため、今後も開発を継続する。

在2022财年中，基于锥体交叉搜索，机器学习方法的引入以及3D分子结构生成程序的开发在分析反应机制和数据收集中取得了进展。 As an application of cone cross search calculation, we used the energy shift/gradient projection/TDDFT/single component-artificial force induced reaction (ES/TDDFT/GP/SC-AFIR) method, a cone cross search method based on time-dependent density functional theory (TDDFT) published in a previous study, to search for cone crossing structures in the molecular skeleton, which have been attracting attention in recent years, and discussed the光激发后分子无辐射失活的机理。此外，我们与实验组合作，提供了实验结果的解释。这些结果正处于用于发布的准备阶段。在先前的工作中，研究人员证实了使用机器学习库和分子描述符的机器学习可以对锥体交叉能量进行定性评估。另一方面，随着数据量的增加，培训所需的计算成本已成为问题。因此，在2022年，我们引入了一种方法，该方法允许在我们的研究中使用GPU进行高速训练，从而提高效率。将来，我们还将考虑预测准确性。此外，为了筛选分子框架，我们继续开发一个程序，该程序生成具有简单输入的三维分子结构，优化了分子结构，并应用了非辐射性失活路径的搜索。到2022财年，除了使用特定主链作为输入的系统获得分子替代结构的方法外，还引入了一种生成不同骨架的方法，从而可以将量子化学计算应用于所得结构。此外，我们已经开始开发一个可视化系统，该系统使科学家可以轻松地分析UNIX中基于文本的计算结果。在实际的分子设计中，与实验研究人员共享信息至关重要，因此未来的发展将继续。