diamond3教程系列1.01.pdf

第一章 Diamond 3 界面选项的功能介绍在本章中我们首先介绍一下一个典型的 diamond 3 界面上所有选项的基本功能。一个典型的 diamond 3 的界面打开 C:Program FilesDiamond 3Tutorial文件夹中的 pyrene.cif 文件（上图所示）。第一节第一节 File 菜单系列菜单系列1.1 File 菜单简介File 菜单系列，包括 Windows 系统常规的几种选项（如图 2 所示。）图 1.2 File 菜单系列1.2 常用选项1.2.1Open 选项选项点击该选项，可以看到 diamond 3 可以打开的所有文件类型（如图 3 所示）。图 1.3 Diamond 3 支持的阅读格式前三项是该公司开发的 Diamond 及 Endeavour 软件的默认格式。其中 Cif 文件格式最为通用。ICSD/Crystin 及 CSD-FDat 是两个晶体学数据库输出的文件格式。Protein Data Bank 格式表示支持蛋白质晶体数据库文件。常用的格式还包括笛卡儿 xyz 座标格式，这在构建特殊结构模型时极为便利，比如我们会在后面章节中提到的螺旋体的构建。1.2.2 Save 选项这里默认的保存格式是 Diamond 3 Document（*.diamdoc）格式。1.2.3 Save as 选项共包括三个次级选项：图 1.4 Diamond 3 Save as 的三个次级选项在实际应用中，前两项功能相似，我们以 Save Document As 为例进行介绍：Save Document As 提供 14 种文件格式：图 1.5 Diamond 3 支持的 14 结构储存格式前三项为该公司开发的结构文件格式，常用的为第一项*.diamdoc。通常在我们处理一个较为复杂的结构时，一次无法完成或者以后仍需要修改时，必须保存成该格式。该格式详细保留了您的一切设置（分子模型的模式、原子的半径颜色、键长等），demo 版不提供该格式的保存。其它格式则通常并不实用。需要指出的是，有时为了统计自建模型（比如在抽象拓扑结构时，统计两种或多种拓扑类型的比例）中原子的个数及比例，可以保存为cif 格式。图 1.6 Diamond 3 支持的 6 种图片储存格式Save Graphic As:本功能提供了图片保存功能，共包含了 6 种图片格式。我们通常需要使用的是 bmp 格式（位图格式，文件通常较大，在 word 中缩放会导致分辨率降低）、jpg 格式（文件较小，在 win office 软件中可以任意缩放而不改变分辨率）、tif 格式（是很多杂志要求的图片格式，易于编辑和处理）。为实现 diamond 与 3D Max 软件的交叉使用，还需要掌握另外一种文件保存格式，即 wrl 格式，该格式也保留了创作者构建的所有信息，而不只是结构单元。第二节第二节 Edit 菜单系列菜单系列2.1 Edit 菜单简介Edit 菜单主要包括结构及其模式类型的选择、复制和粘贴图图 2.1 Edit 菜单主要选项2.2 常用功能2.2.1 Undo 与 Redo典型的 windows 界面选项，不需要过多说明，只是要注意，在计算机内存较小而图片由异常复杂时，可能造成死机。2.2.2 Copy 及 Paste 选项本功能提供了两种功能（1）复制屏幕所显示的图片，可以粘贴在其它文档中，比如常用的 office 文档中。图 2.2 Copy 选项的结构复制功能（2）复制屏幕显示的结构包括各种详细信息，粘贴到另一个打开的 diamond 3 文档中，该功能可以实现结构的对接，但是必须要注意的是不同结构可能由于空间群的不同无法实现对接，这是可以采用如下的方法：新建一个空文档打开 C60 结构文件：调解两个窗口的大小以适合显示：直接复制C60 结构，粘贴到 pyrene 文档中，无法实现，相反的复制-粘贴过程也被警告无法进行。提示如下（图 2.3）：图 2.3 结构复制时对称操作信息必须考虑图 2.4 结构复制时消除对称操作通过对 pyrene 文档 StructureRemove Translational Symmetry（图 2.4）消除了对称操作后，选择，复制并粘贴 C60 结构，得到如下结果：图 2.5 结构的对接 很明显，这时新的结构并没有任何对称操作，需要增加对称操作。那么，反过来，将消除了对称操作的 pyrene 粘贴到 C60 文档中，仍然不被允许。对接的技巧，读者可以自己试验，这样不必在设计结构时一个一个原子的输入，大大节省了我们的时间。Paste 选项仅仅能实现结构的粘贴，并不能实现外部数据（如图片或结构）的导入。2.2.3 Copy Style 及 Paste Style 选项：该选项可以实现将某些设定好的类型选项直接通过类似 Word 中格式刷的功能进行类型更换。操作起来可以首先选择某个原子或键，然后点击 Copy Style，然后再选择一些原子或键，点击 Paste Style：图 2.6 右键点选下的 Copy Style 操作图 2.7 Paste Style 操作图 2.8 CopyPaste Style 操作后的效果由于我们在 Paste Style 操作中选择了部分 H 原子，使得这部分的原子的颜色和半径都和碳原子一样，但仍需注意，Style 的复制粘贴只限于原子或键的格式，并不能复制粘贴原子的种类，换句话说，那些氢原子格式发生了改变，但仍是氢原子。这两种功能在细化处理时很有效，不必一个一个原子的去设置，同时又避免了大面积选择时的失误操作。2.2.4 Select 系列操作：Select all 就不必介绍了；Invert Selection 是常用的功能，比如我们在处理一个很复杂的结构时，需要改变其中一个较大部分的类型，很明显，Select all 无法实现，而一一选择费时且在 diamond 中目前仍必须按住 Ctrl，才可以复选或多选原子，数目太多，容易前功尽弃，这时，我们可以通过先选择较少部分，然后 Invert Selection 来实现。Select Molecule(s)该功能中所说的分子并不等同于在其它软件中的分子。本软件中，只要成键，就被认为是分子中的一部分，同时，一个分子中的部分如果键被打断则被认为是不同分子。这种功能非常实用，尤其是在配位聚合物的结构分析中。图 2.8 例图如图 2.8 中所示的红色键，是人为加入的一条键，当左键点击选择相互连接的两个分子时，程序认为这其实是一个分子。图 2.9 右键点选下的 Select Molecule(s)操作图 2.10 Select Molecule(s)操作效果图该功能的快捷操作还可以用鼠标右键中的 Select Molecule(s)选项：图 2.11 左键点选下的 Select Molecule(s)快捷操作Lasso Selection 该功能与 Photoshop、Chemdraw 的功能非常相似，可以实现精挑细选，而不像按住左键进行方框选择功能那样笨拙，操作时，和其它软件一样，选择完毕后必须回到出发点才结束一次选择。图 2.12 右键点选下的 Lasso Selection 操作图 2.13 Lasso Selection 操作轨迹图第三节第三节 View 系列菜单系列菜单3.1 View 系列菜单简介该系列菜单包含了所有“查看”信息，包括操作文档的大纲及缩略图、晶体学参数及列表、原子及键的信息列表（其中还可以进行选择）、粉末图显示、数据/图片切换等功能。3.1 典型的 View 操作界面3.2 常用选项介绍3.2.1 Navigation 和 Thumbnails这两项功能分别提供了目录（大纲）和缩略图功能。图 3.2 Navigation 效果图图 3.3 Navigation 选项Navigation 后在左侧显示出了各个菜单的名称主要包括五项。点击 Structure x 可以显示当前操作的结构图：图 3.4 点击 Structure x 效果点击 Data sheet 可以显示该结构的晶体学信息：图 3.5 Data sheet 列表信息这些信息可以打印或直接拷贝到其它文档处理软件，并直接列表，这些信息可以直接用于文章的发表。比如，选择-复制-拷贝到本教程后的信息如下：表 3-1 Data sheet 列表信息General OriginCodeStructure 1Database datesCommon nameSystematic nameStructural formulaAnalytical formula Bibliographic data Author(s)Publication titleCitationMineral nameCompound sourceStructure typeCreation methodCreated with Diamond v2.0Comments Phase data Formula sumH40 C64Formula weight809.02 g/molCrystal systemmonoclinicSpace-groupP 1 21/a 1(14)Cell parametersa=12.3027 b=9.9879 c=8.2206 =96.40Cell ratioa/b=1.2318 b/c=1.2150 c/a=0.6682Cell volume1003.83 3ZCalc.density1.33821 g/cm3Meas.densityMelting pointRAllRObsPearson codemP104Formula typeN5O8Wyckoff sequencee26Atomic parameters，Anisotropic displacement parameters,in 2 列表限于篇幅，不再列出。点击 Distance/angles，则给出一格相当详细的信息表。表 3-2 Distance/angles 操作界面说明Select atom(type)s可以选择参与列表的原子种类Unit 表示选择范围的单位，?表示埃，下面依次是皮米和纳米DminDmax表示选定的原子该范围球壳范围内的所有原子，默认值是 0-2.5。angle该选项提供了在设定球壳内与之相关的原子所组成的夹角，具体操作见后面说明。d 1,2 and 1,3该选项只能与 angle 选项共同使用，不能单独选择，列出了在angle 选项中构成角度的三个原子间的距离Count对选型范围内重复出现的原子累计计数，在选择的半径较小时，一般为 1，如果调大 Dmax，有的原子可能在该范围内出现多次，表示为 2，3等。Symmetry op.列出对称操作Atom codeH10 C1413555011 1.0664 红字部分就是原子代码Coordinate原子坐标Standard Uncertainties(s.u.值)选择该项会使得 2.0295 数值显示成 2.0295(25)，25 就是 s.u.值，但前提是胆经数据本身必须提供该值，否则程序不会计算该值。Angle 使用说明：在前面我们看到（以 H10 为例）在 H10 为原点的 0-2.5 范围内共有六个原子，使用 angle 功能后，明显六个原子的所有组合被列出，共 C种情况。26表 3-3 H10 为原点的 0-2.5 范围内的原子列表H10C141.0664C132.1324C12.1646 H62.3792H12.4833H92.4905表 3-4 Angle 选项使用后列表H10C14C1334.813C14C134.731C14H699.120C14H160.908C14H990.114C13C169.534C13H6119.204C13H195.708C13H955.309C1H677.667C1H126.177C1H9124.796H6H163.198H6H9129.893H1H9150.899为了查明这些原子是如何操作而得到的，我们可以选择 Symmetry op.就可以得到如下表所示的结果。表 3-5 Symmetry op.后得到的含对称操作的角度列表H10C14x,y,zC13x,y,z34.813C14x,y,zC1x,y,z34.731C14x,y,zH60.5+x,-0.5-y,1+z99.120C14x,y,zH1x,y,z60.908C14x,y,zH9x,y,z90.114C13x,y,zC1x,y,z69.534C13x,y,zH60.5+x,-0.5-y,1+z119.204C13x,y,zH1x,y,z95.708C13x,y,zH9x,y,z55.309C1x,y,zH60.5+x,-0.5-y,1+z77.667以下略点击 Powder pattern 可以得到模拟的 xrd 图（或称理论粉末衍射图）：图 3.7图 3.8 专业的粉末图选项Diamond 3 提供了非常专业的粉末图模拟功能。软件提供了多种衍射模式，在使用中，我们通常要注意选择实验中衍射方式及衍射波长，这样可以很方便的得到模拟的 xrd 图谱。衍射参数表可以被复制粘贴或打印到文档处理软件（图 3.9），粘贴到本教程的部分数据如表 3-6 所示。图 3.9 衍射参数表的复制表 3-6 部分衍射参数110.8218.16931304191.3176.650012211.4317.73491030730.1050.931104313.9946.3235782.081.720114414.4786.113072280.2224.242002515.1965.8257454009.1545.13-1114616.3155.428752108.0116.441114716.9925.2139380466.7446.312104粉末图片可以被清晰的复制粘贴到文档处理软件，同时为了方便查看细微部分，左键点击方框选择某个区域，则可以放大该区域一边观察。另外，选择 Mode 中的 Tracking，还可以手动渐变的得到放大的图片。图 3.10 粉末图的复制和打印图 3.11 粉末衍射图的放大点击 Picture 1 又回到我们操作的可视化界面。3.2.2 Toolbars图 3.12 该选项提供界面显示工具条的显示设置，当处理一个复杂的图片是，建议开启所有的工具条。共六项，不常用的是 Transform 和 Video Sequence3.2.3 Structure Table 与 Structure Overview of“Structure xxx”及后面的四个选项。这两个选项功能与 Navigation 中的 Data sheet 类似，得到的是结构基本信息列表（见图3.13）。在实际操作中应用不多。紧接着的四个选项 Data sheet，Distance/angles，Powder pattern，Structure Picture 与我们在 Navigation 中介绍的是相同的。Data brief 功能则与 Data sheet 相似，不再赘述。图 3.133.2.4 Table 选项可以说 table 选项是 View 系列中最为常用的选项，共包括 14 个次级选项。图 3-14Atomic Parameters 选项该选项给出了原子列表并给出了详细的信息，列在结构图界面的右侧。原子列表信息共包括图 3.15 中红框区域内的选项。该数据表支持复制和粘贴，可以在 word 里面编辑和处理。绿色框内的依次排列的条目均可用右键点击而完成顺序和逆序的排列。依次代表着原子序号（No.）、元素种类（Elem.）、原子标号（Symbol）、氧化态（准确地说是氧化数Ox.）、Mult.Wyck.一般为 4e，代表原子位置的默认设置，x/a、y/b、z/c 代表原子的坐标，S.O.F.代表原子的占有率。图 3.15 Atomic Parameters 选项复制所选择行的数据列表选择所有数据列表列出的原子并包括对称操作出的所有原子点击显示原子信息基本信息热振动信息可以插入任何类型的原子，包括哑原子（假原子）填写插入原子的信息删除（或选择）所有具有该名称的原子，当鼠标点选多个原子时，删除（或选择）所有含有这些名称的原子设置列表选项或排序规则列表信息项目设置信息的排序规则图 3.16 图片 3.15 种蓝色框的详细操作注意以下几点：（1）本列表只给出结构单元中原子的列表，通过对称操作衍生出的原子并不列出；（2）右键点选会给出如 3.15 蓝色框内的选项，可以对列表或图片中的原子进行操作，但是这时的操作对所有该原子有效（包括由对称操作衍生出的同名原子）。对于图 3.15 中所示蓝色框的操作及作用可见图 3.16 所示。在蓝色框中的 Edit Atoms功能与我们以后在 PictureAtoms Design 功能并不相同，后者侧重原子的模型与表达方式。插入或附加原子的操作却与 Structure Insert Atoms 功能相同。Created Atoms 选项在介绍该选项前，我们先将图中所显示的单胞内充满原子，并使之键连。这里主要通过界面中的快捷按钮来实现。第一步左键点击图 3.17 填充单胞内的原子第二步左键点击图 3.18 填充单胞后的效果图 3.19 晶胞填充并连接的结果实际上还有一种方式可以实现填充原子后的连接，如图所示：第二步左键点击第一步左键点击图 3.20 另一种连接方式这两种方式的最终效果是不同的，区别在于第一种方式是具有联想功能，补全所有的结构片段，这样连接完成后，所有原子不一定都限制在单胞内；而第二种方式则只针对出现了的原子进行成键分析，至于结构是残基还是整体并不关心（如图 3.21 所示）。这两种方式在处理聚合物结构时，非常有用。图 3.21 晶胞填充并连接的结果 不管采用哪种方式，除了最初的结构单元，在图示的界面中肯定包含了由各种对称操作而生成的原子。如果要查看这些原子或其中的某个原子，需要使用 Created Atoms 选项。另外，有时为了突出表示某个原子，比如欲将 C2 原子表示成红色，在图中可能有多个，那么用此功能可能比较方便（图 3.22）。又比如，欲将所有氢原子均显示成绿色，可以考虑选择所有氢原子。图 3.22图 3.23（选择原子颜色然后点击）图 3.24 C2 均变成红色 当要考察已经设置好的结构时，点选 Created Atoms 选项，可以在图片右侧得到一个原子列表。信息有多项，常见的有原子序号（No.）、原子标号（Symbol）、Symmetry 代表对称操作、xc、yc、zc 代表原子的坐标，Bonds 代表该原子的成键数目。左键点选一个或一些原子可以直接选取这些原子，因为每个原子均有自己的操作代码，故而当点击某个原子时，不会将通过对称操作衍生的其他同名原子选取。右键点击某个或某些原子，可以对这些原子进行编辑。（图 3.25-3.26）图 3.25复制所选择行的数据列表选择所有原子删除所选择的原子设置列表选项或排序规则列表信息项目设置信息的排序规则原子的显示类型原子的颜色原子的半径原子的透明度边界颜色材质编辑边界类型图 3.27 Created Bonds 选项如图 3.28 所示，该选项与前面介绍的 Created Atoms 基本类似，绿色框中依次排列着依次代表着原子序号（No.）、原子类型（Type）、1#原子名称（Atom#1）、1#原子编码（Atom code#1）、2#原子名称（Atom#2）、2#原子编码（Atom code#2）、键长（Length）。表中列出的是每条键独立的信息，拷贝数据或数据中的一部分与对称操作衍生没有关系，复制的数据可用于粘贴到其他文档。需要指出的是，这里的键长是实际键长（包括人为添加的更长或更短的键长），但与我们前面介绍的原子间距（d 1,2 or 1,3）不同。右键点选仍可进一步编辑。按原子序数排列右键点击得到的编辑项晶胞参数图 3.28很明显，在图 3.28 所示红色粗框部分的功能中，有些不用介绍了，与前面介绍的功能完全相似。Copy Table 复制粘贴数据列表；Select All Bonds 选择所有键；Destroy Bonds 删除选择的某条或某些条键；Add to Distance Table 主要是针对那些认为添加的键；Table Setting 列表信息的内容和顺序设置；.。主要针对 Edit bond Designs进行介绍图 3.29键类型与颜色键的半径键的颜色边界颜色键的透明度键的材质键分段键分段效果，3分割成4段，表示氢键等弱相互作用时常用键的类型Thin：单色细键，不能调节半径Thick：单色粗键，可以调节半径Thin，two-colored：双色细键，半径不可调Thick，two-colored：双色粗键，半径可调Invisible：键不可见，参数均不可调双色键图 3.30 Bond Design 的一些常用设置还需要注意的几点：键的透明度调节可以使复杂的结构表现更方便，这样透过一部分键仍可看到后面的结构细节，但要配上合适的光照效果，后面的章节会提到。图 Yaghi 发表的结构键的半径调节受到成键两原子的半径限制，如果键半径大于原子半径，程序就不工作了。同时当两端原子的半径不一样时，但键的半径却又与粗端相近，就会出现如下效果（图3.31），结合我们以后介绍的技巧还可以得到图 3.32 的效果。键的半径比两端的原子半径小键的半径处于两端的原子半径之间或等于粗端的原子半径图 3.31图 3.32 Atom Groups 与 Bond Groups 选项图 3.33在一个包含几百或上千个原子的结构中，我们很难去编辑某一类型的原子，这时 Atom Groups 功能就显得特别重要。该功能忽略了同类原子间的差异，归为一类。比如在本例中，只含两种元素 C 和 H，欲将其中的碳原子的半径调大或颜色调成绿色，需要使用 Atom GroupsSelect Atoms By Group（右键点选），就可以选择所有的碳原子（但是本程序的有个缺陷，就是在选择后没有提供编辑选择框，这样操作起来觉得不方便）。当然您也可以选择多类型的原子，比如在本例中选择 C 和 H 两种原子。至于右键点选的其他选项，和前面的功能设置相同，不再赘述。按键长排序图 3.34Bond Groups 选项Bond Groups 选项功能与 Atom Groups 相似，都是批量选择。在进行拓扑结构分析的时候，由于模型选择时很多键的键长明显不合适（程序会默认一些键的生成），一条一条删除不准确且麻烦，快捷的操作是图 3.34 中按键长排序，然后批量进行选择然后删除Atom Groups 与 Bond Groups 选项配合，在拓扑结构分析，或者由堆积模式创造视觉效果时，用处颇多（图 3.35）。图 3.35 Polyhedra 选项打开软件提供的 Diamond 结构，并进行取舍，然后构建多面体（以后详细说明）图 3.36 金刚石结构图图 3.37 金刚石多面体图 有时为了编辑特定的某个或某些多面体时，由于在原子的周围添加了面，鼠标选择起来多少有些困难，这样使用该功能就很方便了。