布魯克X射線部門 張振義

近期有同學問我：對于孿晶的處理，腦子學會了(理論聽懂了)，但是眼睛和手沒有學會（實際操作沒那么簡單），怎么辦。我聽到這個問題，覺得挺有意思。

確實即便是你學會了Cell_NOW, APEX6-Domain（CELL_LATER）功能去拆分孿晶，也不表示你就能搞定高復雜度的孿晶問題。當孿晶的疊加程度很高時，如果一個晶疇（Domain）沒能正確分出，或是晶胞參數(shù)求解出錯，后續(xù)所有自動化處理功能都將失去作用。因此孿晶體系越復雜，實際處理難度就越大，絕非只弄懂理論就可以順利完成。就像下文的多重孿晶案例，大量衍射點相互交織混雜，面對這種錯綜復雜的數(shù)據(jù)，任何單晶索引程序都會面臨巨大的計算挑戰(zhàn)。

▲圖1 ：頭大的倒空間點

一、APEX6操作辦法

當然APEX6是可以做的，而且能處理得很好。只是需要換一個思路，從自動換成半自動的模式。

▲圖2 ，8重孿晶的數(shù)據(jù)處理

二、多晶集合體的問題

孿晶的定義：兩個或更多同種物相的晶體，按照確定的孿晶律（twin law）發(fā)生規(guī)則連生。即各個孿晶組分的晶體結構、化學組成完全一致，只有晶體取向存在差異，這也是孿晶數(shù)據(jù)處理的理論基礎。

但真實實驗場景并非如此理想，我們很少能拿到邊界清晰的完美單晶，也不總是只遇到同種晶體的聚集體。更多情況下，我們碰到的是多相聚集體（polycrystalline aggregates）。例如天然玄武巖，就包含橄欖石、金云母、鉻鐵礦等多種物相。此時常規(guī)的孿晶處理程序便無法自動識別全部晶疇，甚至在第一步解析時就會直接失敗。

這類問題在粉末衍射中十分普遍。針對數(shù)據(jù)庫已有記錄的混合物相，EVA、TOPAS 等粉末解析軟件可以對不同物相的衍射峰完成分峰，開展定性或定量分析。而單晶衍射經(jīng)常要處理介于單晶與粉末之間的樣品：樣品內部晶粒數(shù)量眾多，但又達不到粉末樣品的粒度，高壓實驗里就經(jīng)常遇到這類樣品。

三、科研解決方案：DAFi

面對這類棘手難題，科研人員也給出了對應的解決方案。2022 年，來自德國拜羅伊特大學、烏克蘭哈爾科夫國立無線電電子大學以及瑞典林雪平大學的研究團隊聯(lián)合開發(fā)了 DAFi（Domain Auto Finder）程序 (https://journals.iucr.org/j/issues/2022/05/00/iu5028/)，用以應對這一在晶體學研究中十分常見卻又頗具難度的問題。

DAFi 是基于 C++ 語言開發(fā)的開源程序，專門用于解析多晶 / 微晶樣品的單晶 X 射線衍射（SC?XRD）數(shù)據(jù)，攻克大量晶粒衍射斑點相互重疊、難以實現(xiàn)自動分域索引的痛點。該程序無需輸入任何先驗晶體學信息，對物相種類和晶粒數(shù)量均沒有限制，只依據(jù)倒易空間中衍射點的幾何分布特征，識別歸屬于同一晶粒的衍射斑點子集。

整套算法主要包含兩個重要步驟：第一步篩選倒易空間中高概率的晶格方向，提供樸素（naive）與智能（smart）兩種篩選模式；第二步針對篩選得到的候選方向求解晶格點的特征間距，提取出完整的倒易點陣衍射點集合。

四、APEX6與DAFi實現(xiàn)無縫銜接

APEX6 可與 DAFi 實現(xiàn)無縫銜接。將對應的 P4P 文件導出后，即可使用 DAFi 處理繁雜的衍射數(shù)據(jù)集，完成晶疇拆分，隨后便可對拆分得到的各個 domain 分組逐一開展Indexing。

具體操作流程如下：

1、在 APEX-6（或版本2023.9?2 及以上的 APEX-5）中執(zhí)行衍射點收集（Harvest reflections）

2、導出為「Standard P4P」標準 P4P 文件

3、在config.py配置文件中指定 P4P 文件路徑

4、運行main.exe執(zhí)行 DAFi 程序

5、如有需要，DAFi 會優(yōu)先過濾重復衍射點；若提示生成新文件，則使用更新后的文件重新運行 DAFi

6、將處理完成的新 P4P 文件導入APEX-6，勾選 “Import everything” 全部導入選項

7、檢查倒易點陣視圖（RLATT）

8、根據(jù)實驗需求，對各個分組依次完成索引（index）

五、案例

以如下案例為例：樣品被大量粉末基體包裹，需要從中甄別出多種單晶物相。

▲圖3 實例1 

借助 DAFi，我們就可以快速從這套混雜的數(shù)據(jù)當中，分離出兩種不一樣的單晶物相。

▲圖4，DAFI拆分后的不同Domain

六、總結

孿晶處理面對的是同種物相的規(guī)則取向連生，而 DAFi 處理的，是更加紛繁復雜、物相未知的多晶集合體。二者看似都是衍射斑點互相交疊，但底層物理本質完全不同，對應的解決思路也不能混為一談。

APEX6 自帶的 Domain 拆分工具在孿晶場景下十分強大，可一旦樣品跨越到單晶?粉末之間的 “灰色地帶”—— 比如高壓 DAC 合成產物、天然多礦物巖石，大量不同物相的微晶衍射斑完全混雜，傳統(tǒng)自動分域就很容易陷入僵局。DAFi 恰恰填了這一塊缺口：不需要預先輸入晶胞參數(shù)，只憑倒易空間衍射點的幾何排布，把一團雜亂的衍射數(shù)據(jù)拆解成一個個單獨晶疇子集，再回傳至 APEX 軟件完成逐組索引、積分與結構解析。

當然 DAFi 也并非全能工具。它對高度重疊的非全孿晶效果有限，部分晶粒還會被拆分成多個分組，后續(xù)仍需要我們人工甄別、合并校正，參數(shù)（naive/smart 模式、各類容差）也需要結合實際數(shù)據(jù)反復調試。自動化程序可以幫我們減輕重復勞動，但依舊替代不了人對衍射數(shù)據(jù)的理解與判斷。

在高壓合成、地質礦物、新型微晶材料研究中，我們越來越少遇到完美的大塊單晶。當樣品不再是理想的單晶體，DAFi 與 APEX6 這套工作流就為我們提供了一條可行路徑：把原本無從下手的多晶集合體單晶衍射數(shù)據(jù)，拆解成一個個可以用經(jīng)典單晶解析流程處理的子集，讓單晶 X 射線衍射，有機會去解析那些長不出大單晶的物質。

（如需要DAFI，可聯(lián)系我們）

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