基于Multiwfn產生的cube文件在VMD和GaussView中繪制填色等值面圖的方法

 

0 前言

填色等值面圖是一種重要的描述三維實空間函數分布特征的方法，最常見的就是分子表面靜電勢填色圖，就是將靜電勢這個函數在電子密度等值面上各個位置的數值大小通過顏色表現出來。這種圖筆者之前專門說過怎么繪制，見
使用Multiwfn+VMD快速地繪制靜電勢著色的分子范德華表面圖和分子間穿透圖（含視頻演示）
http://www.shanxitv.org/443
巨大體系的范德華表面靜電勢圖的快速繪制方法
http://www.shanxitv.org/481
使用Multiwfn結合VMD分析和繪制分子表面靜電勢分布
http://www.shanxitv.org/196
 
除了靜電勢外，也有很多其它函數也適合用填色等值面圖考察，比如可以將福井函數、雙描述符、HOMO/LUMO軌道波函數、平均局部離子化能(ALIE)、電子離域范圍函數(EDR)等投影到電子密度等值面上，從而預測反應位點。實際上，利用Multiwfn的定量分子表面分析功能，可以對任意實空間函數構造等值面頂點，并計算任意實空間函數在上面的值，然后效仿《使用Multiwfn結合VMD分析和繪制分子表面靜電勢分布》的做法，即可通過在VMD中以point繪制方式顯示出所有表面頂點，并根據pdb文件里的B因子的數據進行著色來繪制出填色等值面圖。而更為一般化，也往往顯示效果更好的做法是先用Multiwfn計算用來定義等值面的函數的格點數據，導出為cube文件；然后再計算出被投影的函數的格點數據，也導出cube文件。之后將這兩個cube文件都載入到VMD、GaussView等程序里，就可以繪制填色等值面圖了。此文就介紹一下在VMD和GaussView里具體怎么操作。

本文使用的是Multiwfn 3.5(dev)版，可在http://www.shanxitv.org/multiwfn免費下載，如果之前沒用過強烈建議看看《Multiwfn入門tips》（http://www.shanxitv.org/167）。gview用的是6.0.16版。VMD用的是1.9.3版，在http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/可免費下載。系統為Win7-64bit。如果不知道cube文件是什么，建議看此文了解一下基本知識《Gaussian型cube文件簡介及讀、寫方法和簡單應用》（http://www.shanxitv.org/125）。

1 在Multiwfn中計算要用的cube文件

本文將以繪制暈苯(coronene)的福井函數f-在電子密度等值面上的填色圖作為例子，用這種圖可以預測體系親電反應容易出現在哪。此體系的活性位點在筆者近期參與的一篇文章http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00268976.2017.1403657中也考察過。為了之后在VMD或gview中繪制這種圖，我們先用Multiwfn計算體系電子密度cube文件和f-的cube文件。如果對福井函數不了解，應先看看《親電取代反應中活性位點預測方法的比較》（http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/abstract/abstract28694.shtml）。

先在Gaussian中在B3LYP/6-31G*下優化中性狀態的暈苯，將得到的chk文件轉換為fch后命名為N.fch。然后基于優化的中性的暈苯的結構，將電荷和自旋多重度改為1 2（即+1陽離子態），算個單點任務（切勿做優化任務），將得到的chk轉換并命名為N-1.fch。這里N-1中的N代表中性時的電子數，因此N-1.fch就意味著這個fch里記錄的是+1電荷陽離子態的波函數信息。

啟動Multiwfn，輸入以下內容
N.fch
5   //計算格點數據
1   //電子密度
2   //中等質量格點（如果是大體系，建議選high quality grid以保證之后繪制的圖像質量較好）
2   //將格點數據導出為當前目錄下density.cub。然后手動把此文件改名為N.cub
0   //回主菜單
5   //計算格點數據
0   //自定義運算
1   //將有1個文件對N.fch進行運算
-,N-1.fch   //將令N.fch的函數值減去N-1.fch的函數值
1   //電子密度
2   //中等質量格點（必須與產生N.cub時用的格點設定嚴格相同）
2   //將格點數據導出為當前目錄下density.cub。然后手動把此文件改名為f-.cub

然后可以直接關閉Multiwfn。如果想看一下剛剛算出來的f-函數的等值面圖的話，選-1，然后恰當設置isovalue使圖像能充分體現不同區域函數分布，比如設成0.002的時候圖像如下。由于在靠邊緣區域f-有較大正值（綠色主導），因此邊緣的碳的親電反應活性比中間的碳明顯要高。

2 在GaussView中繪制填色等值面圖的過程

下文對操作的每一步都詳細寫明了，如果沒能畫出來，應反復仔細閱讀反復嘗試

把N.cub拖到gview里
Results - Surfaces/Contours
Cube Actions - Load Cube，選f-.cub
此時Cubes Available里面會有兩套格點數據。選中第一個，把Density框里的數值改為0.01
Surface Actions - New Mapped Surface - OK
如果你的默認背景不是白色，選File - Preference - Display Format，點Background Color右邊的按鈕將顏色改成白色

此時屏幕上顯示出的表面對應電子密度=0.01 a.u.的等值面，顏色對應于f-在這個表面上不同位置的數值，色彩刻度條在窗口上方。色彩刻度按照紅-綠-藍的順序變化，對應f-數值由負到正。默認的色彩刻度下限是-0.00104 a.u.，上限是0.00104 a.u.。

之后我們改進圖像效果：
在圖像上點右鍵，選View - Display Format
切換到Surface標簽頁，Format選Transparent。如果Fade mapped surface values沒選上則選上。適當調節Transparent滑桿，使得色彩濃度合適，能清晰反映不同區域差異，同時圖像又比較通透
在色彩刻度下限和上限的文本框里分別輸入-0.001和0.001并按回車，使得色彩刻度上下限是比較整的數

最終圖像效果如下，可見圖像效果不錯，圖中越藍的地方f-越大，親電反應活性越高，這和在Multiwfn里看到的f-等值面圖展現的分布特征是完全對應的。

這里順帶一說怎么在gview里通過f-.cub顯示其等值面，經常有人問此類問題。啟動gview，將f-.cub拖入gview，選Results - Surfaces/Contours，Density設個合適的值比如0.002，選Surface Actions - New Surface，即得到下圖。紫色和青色分別對應等值面為正和為負的區域。如果要改等值面顏色，進入File - Preferences - Colors - Surface Colors，選Default項，然后修改顏色設定即可。

3 在VMD中繪制填色等值面圖的過程

個人覺得在VMD里通過cube文件繪制的填色等值面圖效果沒gview好，操作也略微麻煩些，但好處是免費，而且比gview靈活得多，比如可以讓Multiwfn把電子密度等值面上的福井函數的極值點位置找出來，導出成pdb文件，然后一起顯示在VMD里，不過這點在本文不涉及，有興趣可以參閱Multiwfn手冊4.12.4節的信息和《使用Multiwfn結合VMD分析和繪制分子表面靜電勢分布》里的步驟。

啟動VMD，然后執行以下操作：
Display - Rendermode - GLSL
Display - Depth Cueing將霧化關掉
Display - Axes - Off關閉坐標軸
將N.cub拖進VMD Main窗口載入之，然后在出現的項目上點右鍵選Load Data into Molecule
點Browse，選擇f-.cub，點Load載入之，再關閉窗口
在VMD命令行界面輸入color Display Background white將背景改為白色
Graphics - Representation，Drawing Method設為CPK
點Create Rep新建用于顯示等值面的層
Drawing Method設為Isosurface，Isovalue設0.01。Vol右邊的選項改為Vol0: N.cub，Draw右邊的選項改為Solid Surface，Show右邊的選項改為Isosurface
Coloring Method改為Volume，右邊的選項改為“1:”，Material改為Transparent
點Trajectory標簽頁，Color Scale Data Range下面兩個框分別輸入-0.001和0.001，之后按回車（別輸入一個后就按回車，必須兩個都輸入完再按一次回車）
Graphics - Materials，選Transparent，把Opacity一項往右拉，使得填色等值面透明度降低，從而令表面的顏色更明顯

最終圖像如下，越藍說明f-越正，和gview的圖展現的信息一致

在VMD里如果想調節色彩刻度的顏色變化，可以進Graphics - Colors，點Color Scale，Method選其它的。

怎么在VMD里顯示f-.cub的等值面本文就不說了，按照《使用Multiwfn觀看分子軌道》（http://www.shanxitv.org/269）里說的步驟做就行了，只不過是把分子軌道的cube文件改成f-.cub。