使用PyVibMS可视化分子和固体中的振动模式

1. 前言

在日常的计算化学研究中，我们经常需要将计算得到的分子或者固体/晶体体系简谐振动通过动画的方式直观地呈现在屏幕上，从而可以清楚地知道在某个特定的振动模式下是哪些原子在运动。一方面，这种振动的可视化可以在实验测量得到了振动光谱（红外、拉曼）的情况下帮助我们借助理论计算对振动谱图进行指认；另一方面，在反应机理研究的过渡态计算中，通过对虚频振动的观察，我们可以很快知道计算得到的过渡态结构是否能把反应物、产物的结构串起来。 以最常用的量化计算程序高斯为例，与之配套使用的GaussView软件可以很轻松地对振动分析 (freq) 计算结果进行可视化。类似地，Q-Chem也有一个配套的IQmol程序（免费、开源）可以呈现Q-Chem的振动分析结果。此外，一些第三方的程序如Avogadro、MOLDEN等也可以对高斯程序的振动分析结果进行可视化。计算化学公社的社长sob老师曾经写过一个可以将ORCA的振动分析结果转换为高斯输出格式的工具(http://sobereva.com/498)以及一个可以在VMD程序中显示振动模式静态矢量的工具(http://sobereva.com/567)。

以上是分子体系计算的情况，然而对于固体/晶体来说，能够显示振动模式的程序要少得多。笔者唯一用过的是与CRYSTAL程序配套使用的一个网页插件

http://crysplot.crystalsolutions.eu/web_pages_yves3/vibration.html

这个网页插件是CRYSPLOT套件的一部分，使用时需要将CRYSTAL程序计算好的振动分析结果文件先上传到服务器，然后才能得到结果。因此这种方法是需要联网才可以操作，非常不便。

综合上面的多种原因，笔者构思开发了一款基于PyMOL程序的可以跨平台使用、适配多种量子化学、第一性原理计算程序的辅助插件PyVibMS。这块插件免费、开源，下载后可以在本地任意操作平台(Win、Linux和Mac)上使用。目前这款插件的源码在GitHub上托管

https://github.com/smutao/PyVibMS

2. 使用前准备 2.1 PyMOL程序的安装 由于PyVibMS需要依赖PyMOL程序才能使用，在还没有安装PyMOL的情况下，我们需要先安装PyMOL。PyMOL是一款分子可视化程序，其强项在于对生物大分子进行可视化。与之相关的VMD，是另一款比较流行分子可视化软件。 和其他计算化学程序不同的是，PyMOL以两种方式发行：一为通过薛定谔公司发布的商业版，二为由社区发布的开源版。两个版本对于普通用户来说没有特别大的区别，而且在版本上是同步更新的。商业版的使用需要申请或者购买授权证书，假如没有有效证书的话，商业版PyMOL的还可以打开继续使用，但一些高级功能（如渲染出图）会受到影响。此外，商业版PyMOL的教育(edu)证书只能用于授课教学，不能用于科学研究和文章发表。因此，为了避免不必要的麻烦，笔者推荐使用开源版PyMOL。 PyVibMS插件对商业版和开源版的PyMOL都适用。下面是各个操作系统下PyMOL的安装方法：

A）商业版 前往

https://pymol.org/2/

下载适合你的PyMOL安装包，Windows和Mac系统下都很好操作，说一下Linux的情况。

将PyMOL安装包下载到Linux之后，需要先解压。然后打开一个终端窗口，进入解压后得到的pymol文件夹，输入

chmod +x pymol
./pymol

就可以开启PyMOL程序了。如果已经获取了有效的证书，可以在这一步导入证书文件。

B）开源版 B.1) 在Windows下 加州大学尔湾分校的研究人员在他们的网站上

https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#pymol

定期发布预编译的PyMOL程序，安装步骤如下: 1) 前往上述网站下载两个文件 pymol-2.5.0a0-cp38-cp38-win_amd64.whl 和 pymol_launcher-2.1-cp38-cp38-win_amd64.whl 到本地文件夹 （如C:\Downloads）

2) 如果系统下没有安装Anaconda环境, 需要先前往

https://www.anaconda.com/products/individual

下载安装64位的Anaconda环境

3) 在开始菜单中找到并打开Anaconda Prompt 输入

conda create -n pymol python=3.8
conda activate pymol

此时我们创建了一个名为pymol的python3.8环境，并激活了该环境，接着我们输入

conda install -c anaconda pip
conda install -c anaconda numpy
conda install -c conda-forge pmw

来安装相关的python库，接着我们进入刚刚下载的两个文件所在的文件夹（如C:\Downloads）

cd C:\Downloads

然后接着输入下面一行安装指令即可

pip install --no-index --find-links="%CD%"  pymol_launcher-2.1-cp38-cp38-win_amd64.whl

这个时候PyMOL开源版本就已经安装好了，输入下面的指令即可运行

pymol

假如这个Anaconda prompt的窗口关闭了，需要再次使用pymol的时候，则需要先加载pymol的环境然后运行pymol

conda activate pymol
pymol

B.2) 在Linux下 在Linux的不同发行版中，我们可以利用系统自带的包管理工具一键安装开源版的PyMOL，非常方便。比如在ubuntu中，我们可以使用

sudo apt-get install pymol

在centos中，可以使用

sudo yum --enablerepo=epel install pymol

其他的发行版可以参见

https://pymolwiki.org/index.php/Linux_Install

B.3）在Mac下 需要先安装MacPorts环境，见

https://www.macports.org/install.php

安装完毕后打开终端，输入

sudo port install pymol

即可一键安装。 2.2 PyVibMS插件的安装 在安装好PyMOL程序后，我们需要将本文介绍的插件安装妥当。首先我们前往

https://github.com/smutao/PyVibMS/

然后点击 Code -> Download Zip，这样就把整个插件代码以压缩文件的形式下载至本地了。我们把这个压缩包解压，得到一个名为PyVibMS-master的文件夹。接着我们打开PyMOL程序，点击菜单Plugin -> Plugin Manager， 在弹出的窗口中找到Install New Plugin 标签页，接着点击Choose file 然后载入PyVibMS-master/src/__init__.py文件。在点击了一系列确定后，PyVibMS插件便已经安装好了，也可以在PyMOL的Plugin菜单下找到。

3. 使用PyVibMS 在一个干净的PyMOL窗口（如果此时PyMOL已经加载了分子，请先在PyMOL>这一栏输入reinitialize命令重新初始化PyMOL程序），点击Plugin -> PyVibMS 即可打开本插件

具体的使用方式请见下一节的实例。使用完成后，请点击PyVibMS窗口的Close按钮。 4. 使用实例 4.1 高斯计算乙烯分子的振动分析、渲染出图以及动画导出 在打开PyVibMS插件窗口后，点击Input File这一行中三个点(...)的按钮，然后选定 PyVibMS-master/examples/Gaussian/ethene/g16_ethene.log 文件，将文件类型调整为Log File (*.log)后载入。接着，回到PyVibMS界面后，将文件类型XYZ调成Gaussian 09/16。因为这个高斯的输出文件内包含振动分析的信息，我们勾选 Has Vib. Info. ，然后点Load按钮。此时，PyMOL的显示界面会出现乙烯分子，而PyVibMS的表格区域则列出了乙烯分子的12个振动模式对应的编号、频率(单位为波数cm−1)和对称性。表格的最后一栏为注释，可以任意添加笔记。 当鼠标选定表格中的一个振动模式后，可以点击Start Animation则可以显示该振动的动画。下方有两个拉杆，一个可以调节动画的播放速度，另一个则可以调整动画中振动的幅度。当勾选了Displacement Vectors后，PyMOL的显示界面则会显示振动模式的矢量箭头，对应的拉杆可以调节矢量箭头的长短。如果你希望矢量箭头以相反方向出现，则需要多次勾选 Displacement Vectors，有50%的几率会反转矢量箭头方向。 当我们需要制作高质量的图像时，可以点击File -> Export Image As -> PNG，然后在新弹出的窗口的下拉菜单中，选定ray trace with transparent background，这么一来，保存得到的高质量PNG图片将是透明背景的。除了这种方法之外，也可以在PyMOL>一栏使用 ray 命令在PyMOL显示窗口中先看到渲染效果，如果满意的话再点击 File -> Export Image As -> PNG 并选择 capture current display 来保存图片。（需要注意：没有有效证书的商业版PyMOL会在渲染时加上水印。） 除了在电脑上对振动模式的动画进行显示之外，我们经常需要在做报告的时候将振动的动画呈现在幻灯片里面。下面分别针对商业版和开源版的PyMOL介绍两种将振动动画导出成GIF动画图片的方法. 商业版： 在PyVibMS的表格中选定一个振动模式后，我们点击PyMOL的File -> Export Movie As -> MPEG，在弹出的新窗口中，我们把Rendering选为Ray(slow)，将Encoder选为convert，下方选定GIF，然后导出即可。 开源版: 在PyVibMS的表格中选定一个振动模式后，我们点击PyMOL的File -> Export Movie As -> PNG Images，在弹出的新窗口中，我们把Rendering选为Ray(slow)，然后在导出时，新建一个空的文件夹并选为导出目的地，输入的文件名将作为导出的PNG图片的前缀。比如笔者输入eth作为导出文件名，那么在那个新文件夹中，我们会得到eth0001.png ... eth0024.png 这24个图片文件。下一步则是将这24个图片文件串联起来转换成GIF动画文件。 我们前往

https://ezgif.com/maker

然后将刚刚导出的24个图片文件上传到该网站，点击 Upload and make a GIF上传。接着这个网页会把24个图片都罗列出来，我们可以调整动画的播放速度，笔者觉得把延迟时间设为1比较合适。

按照上图设置好之后，点击 Make a GIF即可制作，完毕后点击下方的save则可以将GIF动画下载到本地。下面是最终的效果图

如果需要提高动画的显示质量（比如减少毛刺），则可以在PyMOL导出成GIF或者PNG的时候增大图片的宽度和高度来提高分辨率。 4.2 VASP计算单晶硅的振动分析 在对VASP计算的振动分析进行可视化之前，我们需要振动计算后得到的OUTCAR和CONTCAR文件 （见PyVibMS-master/examples/VASP/original-data）。前者包含了体系内原子的笛卡尔坐标、振动模式矢量信息，后者则包含了PBC盒子的信息以及体系的元素组成。然后我们把OUTCAR文件复制一份出来并给它一个.out的后缀，接着将CONTCAR的内容插入到这个.out文件的第一行（见PyVibMS-master/examples/VASP/Si_OUTCAR.out）。 在打开PyVibMS插件窗口后，点击Input File这一行中三个点(...)的按钮，然后选定 PyVibMS-master/examples/VASP/Si_OUTCAR.out文件，将文件类型调整为Output File (*.out)后载入。接着，回到PyVibMS界面后，将文件类型XYZ调成VASP 5.x。因为这个VASP输出文件既包含了PBC盒子的信息，又包含了振动模式的信息，我们勾选 Has PBC 和 Has Vib. Info.，然后点击Load载入。 此时我们可以看到PyMOL的显示界面出现了两个相连的硅原子，这是单晶硅原胞内的原子。在PyVibMS窗口中，Lattice Vectors部分已经被自动填充了，这部分设置的是PBC盒子的晶格矢量信息。在表格部分，出现了一共6个振动模式，前三个为真实的振动模式，后三个频率为0的模式对应了平移运动、并非单晶硅的真实振动。 为了更好的理解单晶硅的振动，我们需要把原胞或者超胞显示出来。点击 Unit/Primitive Cell 按钮后，在PyMOL界面会出现一个六面体的框架，这个就是PBC的盒子。如果想知道这两个硅原子和其他硅原子的相对运动，可以点击 Make Supercell 来建立超胞结构。在超胞结构中，中心元胞以外的原子会以小一号的球显示。

4.3 CRYSTAL计算二维水层结构的振动分析 在打开PyVibMS插件窗口后，点击Input File这一行中三个点(...)的按钮，然后选定 PyVibMS-master/examples/crystal17/2d-water/crystal_2d-water_translate.out文件，将文件类型调整为Output File (*.out)后载入。回到PyVibMS界面后，将文件类型XYZ调成CRYSTAL17，并勾选Has PBC 和 Has Vib. Info.，然后点击Load载入。 此时PyMOL的显示界面会出现一个水分子，这是该二维体系中原胞包含的原子。在PyVibMS的界面中，晶格矢量的参数也已经自动设定为2D体系；表格区域罗列了总共9个振动，其中前3个频率为0的模式实际上是平移运动，后面6个才是振动模式。通过和4.2节类似的操作，我们可以显示原胞和超胞下的振动。

4.4 其他量子化学、第一性原理计算程序的振动分析 对于PyVibMS没有原生支持的量子化学、第一性原理的计算程序，PyVibMS目前仍然可以支持。这种情况下，PyVibMS需要两个输入文件：一是体系的XYZ坐标文件 (格式见 https://en.wikipedia.org/wiki/XYZ_file_format)，二是包含振动矢量信息可以被PyVibMS识别的mode文本文件。 下面以二氧化碳分子为例，演示PyVibMS的操作流程。

在打开PyVibMS插件窗口后，点击Input File这一行中 三个点(...)的按钮，然后选定 PyVibMS-master/examples/generic-xyz/co2.xyz 文件，载入后以XYZ文件load载入。此时PyMOL的显示界面就出现了二氧化碳分子。然后在PyVibMS的界面上找到 Mode File一行，点击三个点(...)的按钮，选定 PyVibMS-master/examples/generic-xyz/vib-modes.txt 文件并载入。此时PyVibMS的表格区域就出现了4个振动模式，说明已经读取成功。

mode文件可以通过自写脚本的方式从量子化学、第一性原理计算程序的振动分析结果里面提取相应的信息 来制作。下面以这个二氧化碳分子为例，介绍其文件格式。

#之后的文字为注释，在实际情况下不存在。

3 4    # 3 为原子个数，4 为该文件包含的振动模式个数

N  673.5120  PIU  1  # N为固定字符 后面跟着振动频率、对称性和注释
0.88                        # 该振动在第1个原子的X分量
-0.00                       # 该振动在第1个原子的Y分量
-0.00                       # 该振动在第1个原子的Z分量
-0.33                       # 该振动在第2个原子的X分量
0.00                        # ...
0.00
-0.33   
0.00  
-0.00
                              # 空行
N  673.5120  PIU  2
0.00   
0.88  
-0.00
-0.00  
-0.33   
0.00
-0.00  
-0.33  
-0.00

N  1369.4505  SGG  3
-0.00  
-0.00   
0.00
0.00   
0.00   
0.71
0.00   
0.00  
-0.71

N  2400.9444  SGU  4
  0.00   
  0.00   
  0.88
-0.00  
-0.00  
-0.33
-0.00  
-0.00  
-0.33
END                  # 结束字符

如果后续有用户希望可以让PyVibMS原生支持其他的量化、第一性原理程序，可以向笔者反馈。 5. PyVibMS的其他用途——显示分子、固体结构 除了显示振动模式之外，PyVibMS还可以借助PyMOL强大的可视化引擎对分子和固体结构进行可视化。对于分子体系来说，我们只需要准备相应的XYZ格式文件，直接载入即可。对于固体/晶体结构，我们首先需要准备元胞内原子的XYZ坐标文件，按照上述方式载入；然后在PyVibMS的Dimensions下拉菜单选定合适的维度，点击Confirm，然后在a1-a3部分填入晶格矢量信息即可。 下面以一维的聚乙炔体系为例进行演示：

首先我们载入PyVibMS-master/examples/crystal17/1d-trans-PA/cell-content.xyz文件，此时可以在PyMOL显示窗口看到一个C2H2的单体，这是聚乙炔的原胞内部包含的原子。接着，我们用文本编辑器打开 PyVibMS-master/examples/crystal17/1d-trans-PA/pbc-lattice.txt 文本文件，可以看到三行数据。然后，我们将PyVibMS的Dimensions调为1，并点击Confirm。将文本文件中的第一行数据复制到a1一栏，在前两个数据后加英文的逗号(,)，再点击相应的按钮就可以显示原胞和超胞了。效果见下图

当然，显示分子、固体结构的程序还有其他的选择，PyVibMS或者PyMOL并非唯一选择。 6. 结语 PyVibMS作为一款免费、开源的PyMOL可视化插件诞生于2019年，笔者希望通过这篇文章能给广大的计算化学研究者对PyVibMS提供最直观的介绍，笔者也将倾听各位用户的反馈，对PyVibMS做及时的更新升级。 如果PyVibMS在你的科研中有所帮助，请引用我们的论文： Tao, Y., Zou, W., Nanayakkara, S. et al. PyVibMS: a PyMOL plugin for visualizing vibrations in molecules and solids. J Mol Model 26, 290 (2020). https://doi.org/10.1007/s00894-020-04508-z