XRD应用分享| APEX6 & DAFI
当单晶衍射遇到多晶集合体（polycrystalline aggregates）
布鲁克X射线部门 张振义
近期有同学问我：对于孪晶的处理，脑子学会了(理论听懂了)，但是眼睛和手没有学会（实际操作没那么简单），怎么办。我听到这个问题，觉得挺有意思。
确实即便是你学会了Cell_NOW, APEX6-Domain（CELL_LATER）功能去拆分孪晶，也不表示你就能搞定高复杂度的孪晶问题。当孪晶的叠加程度很高时，如果一个晶畴（Domain）没能正确分出，或是晶胞参数求解出错，后续所有自动化处理功能都将失去作用。因此孪晶体系越复杂，实际处理难度就越大，绝非只弄懂理论就可以顺利完成。就像下文的多重孪晶案例，大量衍射点相互交织混杂，面对这种错综复杂的数据，任何单晶索引程序都会面临巨大的计算挑战。
▲图1 ：头大的倒空间点
一、APEX6操作办法
当然APEX6是可以做的，而且能处理得很好。只是需要换一个思路，从自动换成半自动的模式。
▲图2 ，8重孪晶的数据处理
二、多晶集合体的问题
孪晶的定义：两个或更多同种物相的晶体，按照确定的孪晶律（twin law）发生规则连生。即各个孪晶组分的晶体结构、化学组成完全一致，只有晶体取向存在差异，这也是孪晶数据处理的理论基础。
但真实实验场景并非如此理想，我们很少能拿到边界清晰的完美单晶，也不总是只遇到同种晶体的聚集体。更多情况下，我们碰到的是多相聚集体（polycrystalline aggregates）。例如天然玄武岩，就包含橄榄石、金云母、铬铁矿等多种物相。此时常规的孪晶处理程序便无法自动识别全部晶畴，甚至在第一步解析时就会直接失败。
这类问题在粉末衍射中十分普遍。针对数据库已有记录的混合物相，EVA、TOPAS 等粉末解析软件可以对不同物相的衍射峰完成分峰，开展定性或定量分析。而单晶衍射经常要处理介于单晶与粉末之间的样品：样品内部晶粒数量众多，但又达不到粉末样品的粒度，高压实验里就经常遇到这类样品。
三、科研解决方案：DAFi
面对这类棘手难题，科研人员也给出了对应的解决方案。2022 年，来自德国拜罗伊特大学、乌克兰哈尔科夫国立无线电电子大学以及瑞典林雪平大学的研究团队联合开发了 DAFi（Domain Auto Finder）程序 (https://journals.iucr.org/j/issues/2022/05/00/iu5028/)，用以应对这一在晶体学研究中十分常见却又颇具难度的问题。
DAFi 是基于 C++ 语言开发的开源程序，专门用于解析多晶 / 微晶样品的单晶 X 射线衍射（SCXRD）数据，攻克大量晶粒衍射斑点相互重叠、难以实现自动分域索引的痛点。该程序无需输入任何先验晶体学信息，对物相种类和晶粒数量均没有限制，只依据倒易空间中衍射点的几何分布特征，识别归属于同一晶粒的衍射斑点子集。
整套算法主要包含两个重要步骤：第一步筛选倒易空间中高概率的晶格方向，提供朴素（naive）与智能（smart）两种筛选模式；第二步针对筛选得到的候选方向求解晶格点的特征间距，提取出完整的倒易点阵衍射点集合。
四、APEX6与DAFi实现无缝衔接
APEX6 可与 DAFi 实现无缝衔接。将对应的 P4P 文件导出后，即可使用 DAFi 处理繁杂的衍射数据集，完成晶畴拆分，随后便可对拆分得到的各个 domain 分组逐一开展Indexing。
具体操作流程如下：
1、在 APEX-6（或版本2023.92 及以上的 APEX-5）中执行衍射点收集（Harvest reflections）
2、导出为「Standard P4P」标准 P4P 文件
3、在config.py配置文件中指定 P4P 文件路径
4、运行main.exe执行 DAFi 程序
5、如有需要，DAFi 会优先过滤重复衍射点；若提示生成新文件，则使用更新后的文件重新运行 DAFi
6、将处理完成的新 P4P 文件导入APEX-6，勾选 “Import everything” 全部导入选项
7、检查倒易点阵视图（RLATT）
8、根据实验需求，对各个分组依次完成索引（index）
五、案例
以如下案例为例：样品被大量粉末基体包裹，需要从中甄别出多种单晶物相。
▲图3 实例1
借助 DAFi，我们就可以快速从这套混杂的数据当中，分离出两种不一样的单晶物相。
▲图4，DAFI拆分后的不同Domain
六、总结
孪晶处理面对的是同种物相的规则取向连生，而 DAFi 处理的，是更加纷繁复杂、物相未知的多晶集合体。二者看似都是衍射斑点互相交叠，但底层物理本质完全不同，对应的解决思路也不能混为一谈。
APEX6 自带的 Domain 拆分工具在孪晶场景下十分强大，可一旦样品跨越到单晶粉末之间的 “灰色地带”—— 比如高压 DAC 合成产物、天然多矿物岩石，大量不同物相的微晶衍射斑完全混杂，传统自动分域就很容易陷入僵局。DAFi 恰恰填补了这一块缺口：不需要预先输入晶胞参数，只凭倒易空间衍射点的几何排布，把一团杂乱的衍射数据拆解成一个个单独晶畴子集，再回传至 APEX 软件完成逐组索引、积分与结构解析。
当然 DAFi 也并非全能工具。它对高度重叠的非全孪晶效果有限，部分晶粒还会被拆分成多个分组，后续仍需要我们人工甄别、合并校正，参数（naive/smart 模式、各类容差）也需要结合实际数据反复调试。自动化程序可以帮我们减轻重复劳动，但依旧替代不了人对衍射数据的理解与判断。
在高压合成、地质矿物、新型微晶材料研究中，我们越来越少遇到完美的大块单晶。当样品不再是理想的单晶体，DAFi 与 APEX6 这套工作流就为我们提供了一条可行路径：把原本无从下手的多晶集合体单晶衍射数据，拆解成一个个可以用经典单晶解析流程处理的子集，让单晶 X 射线衍射，有机会去解析那些长不出大单晶的物质。
（如需要DAFI，可联系我们）
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