Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 预测物质的晶体结构（2）

Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 预测3-oxabicyclo(3.2.0)hepta-1,4-diene的晶体结构

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3. 使用研究表分析结果

在本节中，您将分析来自Polymorph运行的输出。

从菜单栏中选择 File | Save Project ，然后选择Window | Close All。

单击Polymorph箭头并从下拉列表中选择Analysis以打开插入Polymorph结果文件对话框。导航到OHD-Fine PMP Predict目录，按住CTRL键并选择OHD-FinePBCA.xtd和OHD-FineP212121.xtd.单击Open按钮。

重复相同的过程，导航到OHD-Fine2 PMP Predict目录，并将轨迹OHD-Fine2PBCA.xtd和OHD-Fine2P212121.xtd插入到研究表中。

四个轨迹文件中的所有帧都显示在研究表中。研究表为您提供了关于每个潜在Polymorph的详细信息，包括晶体结构（列A）、帧号（列B，帧号越低，结构的总 Energy 越低）、空间组（列C）、细胞体积（列D）、密度（列E）和总 Energy （列F）、范德华（列G）和静电（列H） Energy 对非键 Energy 的贡献以及细胞参数（列I-N）。

每个结构的名称具有以下格式：[作业名称][空间组名称]-[帧编号]。默认情况下，结构已经在每个空间组内根据其总 Energy 值进行排序。最低 Energy 帧位于表的顶部。要定位全局最小结构，您可以对不同空间组和/或通过不同Calculation运行获得的研究表进行排序。

从菜单栏中选择Tools | Sort Rows…以打开排序行对话框。从Sort by column下拉列表中选择F:Total energy，单击Ascending单选按钮，然后单击OK按钮。

现在所有结构都按其总 Energy 排序，最低 Energy 结构位于表的顶部。在本教程中，OHDFinePBCA-1（空间组PBCA的轨道第1帧中的结构）或OHDFine2 PBCA-1，其总 Energy 值基本相同，是最低的 Energy 结构。由于使用相同的设置进行了两次单独的运行，任何给定的低能结构都可能不止一次被发现。因此，需要进行Clustering分析以删除重复项。

通过单击研究表中左上角的标题单元格来选择所有单元格。

单击工具栏上的QSAR模型按钮                                               。单击Category标题按类别排序并找到Crystallization类别，选择Polymorph Clustering行。单击Run按钮并关闭对话框。

注意：Polymorph Clustering只能对具有相同不对称单元公式或至少包含相同Clustering组（相同的力场类型，或元素类型或名称）的3D晶体结构进行。然而，并非所有晶体都具有相同的空间群对称性。如果研究表包含不符合这些限制的结构文档，则会在结果列中输入 N/A。

Polymorph Clustering分析模型生成的输出包括：

群集编号
在cluster中的排名-在特定Clustering中相对于参考结构的相似性等级
与集群引用的相似性——晶体与特定簇中参考结构的相似性度量
OHDFinePBCA-1和OHDFine2 PBCA-1确实被归类为同一簇-簇1，晶体相似性测量值为0。换句话说，两次发现了相同的最低 Energy 结构。您应该删除任何给定簇中的重复晶体结构，并创建唯一结构的子集。

打开Sort Rows对话框。从Sort by column下拉列表中选择P : Rank in cluster (Polymorph Clustering)，然后单击Ascending单选按钮。从然后按列下拉列表中选择O : Cluster number (Polymorph Clustering)，然后单击Ascending单选按钮。单击OK按钮。

在研究表中，单击第 1 行。按住 SHIFT 键，然后单击最后一行，该行的值为 1，列P : Rank in cluster (Polymorph Clustering)。从菜单栏选择Tools | Filter进行筛选。

每个簇的最低 Energy 代表被过滤成一个新的Sheet  – Sheet 2。Sheet  2 中的结构已根据其总 Energy 值进行排序。您可以检查所有结构的 Energy 分布。

注意：由于过滤后的结构可以来自任何一种Polymorph物的执行，术语OHD-FinePBCA – 1将被用来指最低 Energy 的结构，而不考虑它所处的原始轨迹。

在研究表中，确保Sheet 2 处于活动状态，并单击列标题选择F (Total energy)。单击工具栏上Study Table Viewer的Quick Plot按钮快速绘制。

所有晶体结构的晶格能都显示在图表文档中。实验观察到的晶体结构最可能的候选是轨迹文件中晶格 Energy 最低的帧。

关闭图表文档，并在提示保存文档时单击No按钮。

为了找到最可能稳定的Polymorph，您还可以使用不同的标准对研究表进行排序；例如密度、范德华能量等等。

注意：具有低晶格能的结构通常具有相对高的密度。因此，您应该检查密度剖面。

确保学习表文档处于活动状态并打开Sort Rows对话框。将Sort by column设置更改为E : Density，选择Descending。单击OK按钮。

现在，所有的结构都按密度排序。结构OHD-FinePBCA-1应该具有高密度值，因此应该出现在表格的顶部附近。

检查完密度图后，您应该再次按总 Energy 对表格进行排序。您可能还希望生成一个density-energy 图。

打开Sort Rows对话框。将Sort by column设置更改回F : Total energy ，选择F : Total energy，然后单击OK按钮。

在研究表中，单击列 E 的标题，然后按住 SHIFT键，单击列 F 的标题。单击Quick Plot按钮。

默认情况下，所选两列中最左侧的列绘制在 x 轴上，另一列绘制在 y 轴上。

density-energy 图还表明，最低 Energy 结构通常具有较高的密度。

Close图表文档，并在系统提示保存时单击No按钮。

注意：为了区分不同的晶体结构，比较它们的总能量和密度通常就足够了。

现在创建五个最低 Energy 结构的子集，并更详细地检查它们。

在学习表中，选择Sheet 2。单击第1行，按住SHIFT键，然后单击第5行选择前五个结构。从菜单栏中选择Tools | Filter。

这五个结构被放在一张新的纸上。您应该仔细检查每一个结构。从最低的 Energy 结构开始，OHD-FinePBCA-1。

在A栏中，右键单击第一个结构，OHD-FinePBCA-1，并从快捷菜单中选择Extract To Collection。

创建了一个新的3D原子收集文档，其中包含OHD-FinePBCA-1的晶体结构。

单击3D Viewer Rotation Mode按钮并旋转结构。

为了使晶体结构更清晰，您可以关闭运动组的显示。

按住ALT键并双击运动组。

现在应该选择所有运动组。

要关闭运动组的显示，请从菜单栏中选择View | Visibility | Hide。按CTRL D键取消选择运动组。

检查晶体结构。

注意：现在在文件名后附加了一个星号。这表明结构已被修改，不再与保存在轨迹文件中的结构相同。

在Project Explorer中，右键Extracted From Polymorph Analysis.xod，然后选择Rename，将文档的名称更改为 overlay.xod。

稍后将使用此集合文档将此结构与实验结构进行比较。

从菜单栏中选择File | Save Project保存项目并关闭所有打开的文档，除了Polymorph Analysis.std.。

4. 将结果与已知的OHD晶体结构进行比较

通常，Polymorph用于发现已经通过实验确定了其他Polymorph晶体结构的化合物的晶体结构。在这种情况下，通常通过验证实验观察到的晶体结构是晶格 Energy 最低的生成晶体结构来评估Polymorph预测过程的可靠性。实验结构和Calculation结构之间的一致性可以使用用于Clustering的相同相似性度量来确定。

在本教程中，您将比较Calculation的晶体结构与OHD的已知晶体结构之一。

加载实验晶体结构进行比较。

在Project Explorer，选择项目OHD。单击Import按钮导入以打开导入文档对话框。导航到Examples \ polymorphic \ Structures并导入文件ohd_pm1.msi。

将Polymorph Analysis.std作为活动文档，单击Sheet 2选项卡，并通过单击研究表格左上角的标题单元格选择所有单元格。

单击Models按钮。

这将打开模型对话框，允许您选择要Calculation的属性列表。结果将自动添加到研究表中。您将使用晶体相似性测量模型将实验确定的晶体结构与Polymorp    Calculation的所有结构进行比较。

单击Category标题，按类别排序并找到Crystallization类别。选择Crystal similarity行，然后单击Edit Model按钮编辑模型。

这将打开模型编辑器-晶体相似性测量对话框。

在Inputs选项卡上，单击Reference crystal的Value单元格，并从下拉列表中选择ohd-pm1.xsd。

在Outputs选项卡上，选中Crystal similarity的Calculate复选框，然后单击Save按钮。关闭Model Editor – Crystal Similarity Measure对话框。

单击模型对话框中的Run按钮，然后关闭对话框。

在研究表中创建了一个名为Crystal Similarity Measure的新列。

将Polymorph Analysis.std作为活动文档，选择Tools | Sort Rows….以打开对行进行排序对话框。将Sort by column设置更改为R : Crystal Similarity Measure，然后选择Ascending。单击OK按钮。

现在，所有结构都按其与实验结构的相似性进行排序。相似性度量基于原子间距离，并且可能具有最低相似性度量的结构不一定是与实验观察到的Polymorph最对应的结构。在本案中，OHD-Fine PBCA-1应是清单中的前30个结构之一。

对于实验晶体结构和预测的晶体结构，晶胞的选择可能不一定相同。因此，为了直观地比较晶体结构，您应该将实验晶体结构与预测的结构叠加在一起，查看分子排列，而不是晶胞的大小和形状。

提示：Calculation氢键模式可以帮助识别类似的结构。然而，在这种情况下，结构中没有氢键。

通过单击最小化图标。在项目资源管理器中，双击 overlay.xod 以在 3D 查看器中打开预测的结构。

在overlay.xod中单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择Display Style,以打开显示样式对话框。在Atom选项卡上，选择Coloring中的Custom。单击颜色控件以显示颜色选择器，并选择green。在Lattice选项卡上，也将Color设置为绿色。

ohd-pm1.xsd活动文档。单击Copy按钮复制以复制整个单元格。单击overlay.xod并从菜单栏中选择Edit | Paste以将实验单元格粘贴到集合文档中。使用显示样式对话框将Atom和Lattice颜色更改为red。

通过单击最大化图标展开overlay.xod窗口。在3D查看器中单击一次以取消选择所有内容。

实验晶体结构和来自多晶运行的最低 Energy 帧现在分别显示在相同的3D空间中，红色和绿色。

OHD实验结构的叠加（红色）和Polymorp运行的最低 Energy 帧（绿色）
双击overlay.xod中的绿色单元格，选择最低 Energy 帧。要独立转换此单位单元格，请按住SHIFT键和ALT键以及鼠标右键，同时拖动鼠标。要独立旋转此单位单元，请在拖动鼠标的同时按住SHIFT键和鼠标右键。

提示：如果您使用的是三键鼠标或带滚轮的鼠标，则可以通过在拖动鼠标的同时按中心鼠标按钮或滚轮以及 SHIFT 键来转换所选内容。

将绿色的（Calculation过的）单元格放置到与红色的（实验用的）单元格重叠的最大值。您应该发现，将这些单元格尽可能地匹配会产生如下所示的视图。

OHD的实验结构（红色）和来自Polymorph的最低 Energy 帧（绿色）对齐，以实现最大重叠

您可以看到，两个重叠结构的堆积排列基本相同，尽管晶胞选择不同。重复这些步骤，将其他框架与实验结构进行比较。

从菜单栏中选择 File | Save Project ，然后选择Window | Close All。

5. 确定与实验粉末图案的最佳匹配

如果实验粉末衍射图可用，但Quality不足以进行结构测定，Polymorph可用于结构测定。通过将实验图与Polymorph发现的所有晶体结构的模拟衍射图进行比较，可以识别正确的晶体结构。

您可以为此Task使用粉末比较模型。

使用Polymorph Calculation的单元单元参数通常会与实验晶格参数相差几个百分点，导致Calculation的和实验的衍射峰不匹配。为了改善峰位置之间的重叠，重要的是通过使用高斯函数卷积来拓宽实验峰轮廓，并使用相同的高斯函数来Calculation模拟的粉末图案。此外，必须从实验粉末图案中减去背景。

在项目资源管理器中，选择项目OHD并单击Import按钮导入以打开导入文档对话框。从文件类型下拉列表中选择Chart Files作为File name。导航到Examples\Reflex\Experimental Data文件夹并选择文件ohd.xcd.单击Open按钮。

单击 Modules工具栏上的Reflex箭头并从下拉列表中选择Pattern Processing以打开Reflex模式处理对话框。

在Pattern Preparation选项卡的Background部分中，将Number of iterations增加到300次。单击Calculate按钮，然后单击Subtract按钮。

创建了一个新的图表文档ohd (Background Removed).xcd，其中背景已从粉末图案中减去。您现在应该平滑粉末衍射图案。平滑高斯宽度的最佳选择取决于噪声水平和峰值宽度，必须根据经验找到。

在Reflex Pattern Processing对话框中选择Pattern Processing选项卡。在Smoothing部分，将Gaussian width设置为1.0。单击Smooth按钮并关闭对话框。

创建一个新的图表文档ohd (Background Removed) (Smoothed).xcd，其中包含平滑的粉末衍射图案。

使Polymorph Analysis.std成为活动文档，并选择Sheet 1，通过单击研究表格左上角的标题单元格选择所有单元格。

单击Models按钮打开模型对话框。在Category列中找到Crystallization。单击Figure of merit所在的行，然后单击Edit Model按钮编辑模型。

在Model Editor – Powder Comparison对话框的Inputs选项卡上，单击Experimental data的Value，然后从下拉列表中选择ohd (Background Removed) (Smoothed).xcd。将Profile FWHM W设置为 1。

在Outputs选项卡上，选中 Rp、Rwp 和 CMACS 的Calculate复选框，然后单击Save按钮。关闭模型编辑器 – 粉末比较对话框。

单击Run按钮并关闭模型对话框。

在研究表中，增加了三个新列: Rwp (Powder Comparison)、Rp (Powder Comparison)和CMACS (Powder Comparison)。这些不同的度量描述了粉末图案之间的一致程度。数字低表示协议良好。

确保Polymorph Analysis.std研究表为活动文档，从菜单栏中选择Tools | Sort Rows…打开排序行对话框。将Sort by column设置更改为S : Rp (Powder Comparison)，选择Ascending，然后单击OK按钮。

重复相同的过程，按t列对表进行排序。

在这两种情况下，空间组PBCA轨迹第1帧中的结构与实验粉末衍射图最吻合。同样的结构也具有最低的晶格能，因此，您已经证实空间组PBCA轨迹第1帧中的结构与实验晶体结构相匹配。

从菜单栏中选择 File | Save Project ，然后选择Window | Close All。

参考文献

Lommerse, J. P. M.; Motherwell, W. D. S.; Ammon, H. L.; Dunitz, J. D.; Gavezzotti, A.; Hofmann, D. W. M.; Leusen, F. J. J.; Mooij, W. T. M.; Price, S. L.; Schweizer, B.; Schmidt, M. U.; van Eijck, B. P.; Verwer, P.; Williams, D. E. “A test of crystal structure prediction of small organic molecules”, Acta Crystallogr., Sect. B, 56, 697-714 (2000).

本入门教程到此结束。