在VMD程序里對不同元素的原子用不同顏色顯示的方法
在VMD程序里對不同元素的原子用不同顏色顯示的方法
文/Sobereva@北京科音
First release: 2021-Nov-11 Last update: 2022-Sep-16
1 前言
之前筆者寫了大量的將Multiwfn與VMD相結合的文章，比如《使用IRI方法圖形化考察化學體系中的化學鍵和弱相互作用》（http://www.shanxitv.org/598）、《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》（http://www.shanxitv.org/443）、《用VMD繪制藝術級軌道等值面圖的方法》（http://www.shanxitv.org/449）等等，并且做法已被大量同行所使用，令VMD被量子化學的研究者們用得也越來普遍，并有越來越多的人在思想家公社QQ群和計算化學公社論壇里問我VMD的使用問題。其中有一個問題被問得越來越頻繁，已經成了半周經問題，也就是怎么對不同元素的原子用不同顏色顯示。為了免得老得重復回答，特此寫一個小文章專門說一下這事。本文的情況是針對VMD 1.9.3版而言的，其它版本的情況可能相同也可能不同。
筆者還有一篇文章介紹了怎么讓VMD對元素的著色和另一個流行的可視化程序GaussView相同，建議閱讀，見《在VMD中使用GaussView的元素著色的方法》（http://www.shanxitv.org/652）。
2 name和element屬性
VMD里每個原子都有各種屬性。name和element在VMD里是每個原子的兩種不同的屬性，name是原子的名字，element是元素周期表里的元素符號（第一個字母大寫，第二個小寫）。在VMD的文本窗口中，輸入[atomselect top all] get name命令可以列出當前體系里所有原子的name，輸入[atomselect top all] get element命令可以列出當前體系里所有原子的element，都是按原子序號順序輸出。
3 不同格式的文件記錄的信息
不同輸入文件提供給VMD的信息是不一樣的，這里對幾種典型的文件來說一下。
? xyz文件：介紹見《談談記錄化學體系結構的xyz文件》（http://www.shanxitv.org/477）。在標準的xyz文件中，第一列是每個原子的元素符號。將xyz文件載入VMD后，name和element屬性值都是元素符號。
注意有些xyz文件不標準，里面記錄的是原子名而非元素符號，比如VMD載入gro文件后直接保存出來的xyz文件里就是原子名。這樣的xyz文件載入VMD后name屬性值是文件里記錄的原子名，element會根據原子名里面的字母部分去猜。比如原子名是HG3的話會被認作汞，因此element被設為Hg。如果猜不出來，比如原子名是CG，則element屬性將為X。注意VMD這么猜元素很容易猜錯，比如alpha碳在氨基酸里的標準原子名是CA，如果xyz文件里記錄的是原子名，VMD就會把它視為是鈣，從而令element屬性值為Ca。
? gro文件：即GROMACS的結構文件。里面對每個原子記錄的是原子名，比如氨基酸里面的碳可以有CA、CB、CG、CG1等等原子名。載入VMD后，name就是這些原子名，而element皆為X。
? mol2文件：同上。
? pdb文件：在標準的pdb文件中，第三列是原子名，最后一列是元素符號。因此，pdb文件載入VMD后可以給VMD分別提供name和element信息，因此element不用根據原子名猜了。但是有些pdb文件不規矩，沒有記錄元素符號的最后一列，這樣的pdb文件載入后element就都為X。
? cub文件：cub文件經常通過VMD程序繪制成等值面圖，見比如《在VMD里將cube文件瞬間繪制成效果極佳的等值面圖的方法》（http://www.shanxitv.org/483）。如《Gaussian型cube文件簡介及讀、寫方法和簡單應用》（http://www.shanxitv.org/125）所述，此文件里沒記錄原子名，但記錄了各個原子的元素在周期表里的序號。此文件載入VMD后，name和element屬性都為元素符號。
還值得一提的是VMD里每個原子還有個type屬性，記錄的是原子類型，可以用[atomselect top all] get type命令查詢。諸如amber的拓撲文件prmtop里記錄了原子類型，mol2格式也記錄了原子類型（但很多程序輸出的mol2文件里原子類型和元素符號相同），因此載入后type屬性就是文件里記錄的原子類型。而xyz、gro、pdb格式里沒記錄原子類型，載入后type屬性值會和name相同。cub格式里也沒記錄原子類型，載入后type、name和element都相同。
4 對原子的著色設置
這里以氯仿為例進行說明，此分子的pdb文件可以在http://www.shanxitv.org/attach/624/CHCl3.pdb下載。
將它載入VMD后，在Graphics - Representation里把Drawing method改為CPK，目前看到的是下圖
可見，碳和氯的顏色完全一樣，都是青色。為什么沒有區分開？原因很簡單，如上圖所見，Coloring method目前是默認的Name，即根據原子的name屬性決定顏色。我們來看一下當前著色用的顏色定義。進入Graphics - Colors，在Categories里選Name，點擊C，然后看到下圖
如圖可見，當前根據name進行著色時并不區分C和Cl，只要首字母是C就都按用cyan顏色著色。
如果想按照元素來著色，就在Graphics - Representation里把Coloring method改為Element，此時圖像如下，可見氯和碳的顏色區分開了
氯用棕色明顯不好看。我們要把它改為常用的綠色，就進入Graphics - Colors，在Categories里選Element，點擊Cl，再選green，此時如下圖所示
如果想微調green顏色的具體色彩定義，可以在上圖的Color Definitions標簽頁下方修改紅、綠、藍三種顏色分量的大小。
記住，只有載入的是pdb、xyz這樣能直接給VMD提供元素信息的輸入文件，才能像上面這樣按照element屬性來著色。而用比如gro文件的時候，由于不能提供元素信息，就只能按照name來著色了。如果你是GROMACS用戶又想按元素著色，就得把gro轉成比如pdb格式，按照pdb格式規范在合適的列上補上元素信息后再載入；或者用比如gmx editconf -f md.tpr -o md.pdb把tpr文件轉成pdb文件，由于tpr文件里本身有元素信息，所以這樣得到的pdb文件里最后一列直接記錄了元素信息（順帶一提，之后你可以刪除當前僅有的一幀，然后再往這個體系中載入gro文件或軌跡文件，此時載入的只有坐標，而元素信息還是載入pdb時提供給VMD的）。
5 設置默認著色方式
如果你想將element作為默認著色方式，并且Cl元素默認用綠色，免得每次在VMD里還得如上操作一遍，可以在vmd.rc文件末尾加入以下兩行
mol default color Element
color Element Cl green
每次啟動VMD后就會自動執行這兩條命令修改默認設置。如果不了解vmd.rc文件的話，看《VMD初始化文件(vmd.rc)我的推薦設置》（http://www.shanxitv.org/545）。
另外，如果你想默認用CPK方式顯示體系結構，在vmd.rc末尾還可以再加上mol default style CPK。
還值得一提的是VMD有個colordefs.dat文件，記錄了默認的著色用的規則。對于Windows版，此文件在VMD目錄下的scripts\vmd目錄下；對于Linux版，如果安裝到了默認目錄，此文件在/usr/local/lib/vmd/scripts/vmd目錄下。用文本編輯器打開此文件可以看到
Name H white
Name O red
Name N blue
Name C cyan
Name S yellow
Name P tan
Name Z silver
...略
Element C cyan
Element Ca ochre
Element Cd ochre
Element Ce ochre
Element Cf ochre
Element Cl ochre
Element Cm ochre
...略
你可以直接在colordefs.dat里修改按照name著色、按照element著色時默認的色彩，比如可以把Element Cl ochre改為Element Cl green使得程序按照element著色時對Cl元素默認用綠色。這里設置的優先級低于自己在vmd.rc末尾添加諸如color Element Cl green這樣的設置命令。