PLUMED：FRET距离效率与轨迹提取

本篇演示由两点距离得到 FRET 效率的输入与数据处理。真实染料体系还要考虑染料位置、取向与所选 Förster 半径；本例只验证距离映射和后处理操作。

1. 先读实际结果#

下载输入、原生结果、CSV 与绘图脚本，保存为 example.zip：

python3 -m zipfile -e example.zip .
cd plumed-FRET-RDC-J
module load ase/3.29.0
bash read.sh
bash plot.sh

本包用 PLUMED 2.10.1，调用集群 CP2K 2026.2 的独立依赖程序，不运行 CP2K 电子结构计算。输入是 32 个四粒子几何帧，用来演示可观测量和偏置力，不是蛋白质 MD 或实验数据。

默认读取 reference-results/。若需要重算，在根目录运行 bash submit.sh：CPU 模板申请 56 核整节点，PLUMED 使用 1 线程。作业结束后执行 bash read.sh work-new analysis-read，再 bash plot.sh。一次作业同时提取 FRET、两组 RDC 和一组 J 耦合。

2. 结构和输入#

head -12 inputs/scan.xyz
cat inputs/plumed.dat

本例 XYZ 坐标明确使用 nm。FRET 的核心输入为：

UNITS LENGTH=nm ENERGY=kj/mol TIME=ps
f: FRET ATOMS=1,2 R0=0.3 NOPBC
PRINT ARG=f FILE=FRET.dat STRIDE=1

ATOMS=1,2 选择两点，R0=0.3 与距离同为 nm。这个值是为小几何演示选定的参数，不能直接替代实验染料对的 R0。NOPBC 表示按当前坐标的直接距离计算；分析真实周期轨迹时，先让跨边界分子保持完整。

3. 实际调用方式#

包内 submit.sh 会处理工作目录和环境。若在已分配的作业内手工运行，命令是：

source /etc/profile.d/lmod.sh
module load cp2k/2026.2-8173m
plumed_bin=/public/software/cp2k/deps/2026.2/8173m/plumed-2.10.1/bin/plumed
"$plumed_bin" driver --plumed plumed.dat --ixyz scan.xyz \
  --length-units nm --box 2,2,2 \
  --dump-forces forces.xyz --dump-forces-fmt %.14e

本包含多个 ISDB 量，driver 需要盒子元数据，因此显式声明 2×2×2 nm；各量均写了 NOPBC，不会因此改用最小镜像距离。不要把 driver 的盒子参数误认为本例执行了周期 MD。

4. 查看效率和平均#

head -8 reference-results/COLVAR
head -8 analysis-read/PLUMED-FRET-RDC-J-observables.csv

实际 32 帧效率范围 0.762567–0.899171。映射关系为 E=1/[1+(R/R0)^6]，当 R=R0 时效率为 0.5。官方 FRET 说明给出了相同的距离关系和周期边界选项。

这批帧直接平均效率得到 0.835349；先平均距离再代入公式则为 0.839767。二者不同，所以分析自己的轨迹时应逐帧计算，再按实际采样或正确权重求平均。这里的 32 帧没有平衡统计意义，不能由此推出真实构象比例。

5. 需要把效率用作约束时#

本包实际还运行了：

bf: RESTRAINT ARG=f AT=0.45 KAPPA=7

对应 U=KAPPA·(E−0.45)²/2，本例 KAPPA 的能量单位是 kJ/mol。driver 只根据给定帧计算量和偏置力，并不推动粒子继续运动。原生力写在 forces.xyz；资料包同时给出独立中心差分结果。将此设置接入 MD 前，应根据物理问题选择约束目标和强度。