化學(xué)計量學(xué)概論

化學(xué)計量學(xué)第一章概論化學(xué)計量學(xué)

Chemometricsisanewchemicaldisciplinethatusesthetheoryandmethodsfrommathematics,statistics,computerscienceandotherrelateddisciplinestooptimizetheprocedureofchemicalmeasurement,andtoextractchemicalinformationasmuchaspossiblefromchemicaldata.Chemometricscouldbedefinedasadisciplineoffundamentaltheoryandmethodologyofchemicalmeasuring.

化學(xué)計量學(xué)運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、以及其他相關(guān)學(xué)科的理論與方法，優(yōu)化化學(xué)量測過程，并從化學(xué)量測數(shù)據(jù)中最大限度地獲取有用的化學(xué)信息，可以說是一門化學(xué)量測的基礎(chǔ)理論與方法學(xué)。為什么科學(xué)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步使得化學(xué)量測工作儀器化、自動化和計算機(jī)化?，F(xiàn)代分析儀器能迅速、準(zhǔn)確地為人們提供大量可靠的量測數(shù)據(jù)?；瘜W(xué)工作者面臨著如何選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法和最優(yōu)量測過程，對原始量測數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，從而最大限度地提取有用的化學(xué)及其相關(guān)信息。隨著計算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法在化學(xué)中應(yīng)用的日益廣泛和深入，一門嶄新的化學(xué)分支學(xué)科誕生了。相關(guān)儀器光譜與波譜分析儀器(原子光譜、分子光譜、核磁、質(zhì)譜)電化學(xué)分析儀器(電導(dǎo)、電位、電解、極譜、伏安)色譜分析儀器(氣相、液相、離子、毛細(xì)管電泳)流動注射分析儀器熱分析儀器儀器聯(lián)用儀器聯(lián)用高校液相色譜-二極管陣列（HPLC-DAD）氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）氣相色譜-質(zhì)譜-質(zhì)譜（GC-MS-MS）毛細(xì)管電泳-二極管陣列（CE-DAD）液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）液相色譜-核磁共振譜（LC-NMR）復(fù)雜分析體系分析、大量的化學(xué)信息分析，儀器的發(fā)展、分析方法的發(fā)展分析化學(xué)的發(fā)展分析化學(xué)是發(fā)展和應(yīng)用各種方法、儀器和策略，以獲得有關(guān)物質(zhì)在空間和時間方面組成和性質(zhì)的一門科學(xué)，是表征和量測的科學(xué)，也是研究分析方法的科學(xué)。它可向人們提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息和物質(zhì)的化學(xué)組成、含量等信息。分析化學(xué)第三次變革（1）計算機(jī)控制的分析數(shù)據(jù)采集與處理：實(shí)現(xiàn)分析過程的連續(xù)、快速、實(shí)時、智能；促進(jìn)化學(xué)計量學(xué)的建立。（2）化學(xué)計量學(xué)：利用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)的方法設(shè)計選擇最佳分析條件，獲得最大程度的化學(xué)信息。化學(xué)信息學(xué)：化學(xué)信息處理、查詢、挖掘、優(yōu)化等。（3）以計算機(jī)為基礎(chǔ)的新儀器的出現(xiàn)：傅里葉變換紅外；色-質(zhì)聯(lián)用儀。大量科學(xué)家因發(fā)明新技術(shù)、新儀器而獲得諾貝爾化學(xué)獎！化學(xué)計量學(xué)是數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)、化學(xué)及計算機(jī)科學(xué)三者相互交叉而形成的一門邊緣學(xué)科，是化學(xué)中很具有魅力和應(yīng)用前景十分廣泛的新興分支學(xué)科。按照國際化學(xué)計量學(xué)學(xué)會（ICS）的定義：化學(xué)計量學(xué)是化學(xué)的一門分支學(xué)科。它應(yīng)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)方法，設(shè)計或選擇最優(yōu)量測程序和實(shí)驗(yàn)方法，并通過解析化學(xué)量測數(shù)據(jù)而獲取最大限度的信息。分析化學(xué)與分析科學(xué)1、分析科學(xué)是分析化學(xué)發(fā)展新時期。分析化學(xué)=分析科學(xué)。2、“分析科學(xué)”這個名稱，標(biāo)志著①分析化學(xué)的內(nèi)涵和外延有了跨越式發(fā)展，其特色包括“過程分析”、“智能分析儀器”、“活體分析活體分析”以及更多的聯(lián)用技術(shù)等；②分析化學(xué)工作者的角色已經(jīng)從數(shù)據(jù)的提供者躍居為問題的解決者；③分析化學(xué)將成為一門立足化學(xué)學(xué)科，與多學(xué)科廣泛交叉、為多學(xué)科服務(wù)的一門學(xué)科，逐漸完善和發(fā)展自己的獨(dú)特理論體系的科學(xué)分支。3、“分析科學(xué)”時代將帶來生產(chǎn)和教學(xué)模式的革新。高鴻先生30多年前就預(yù)言：“數(shù)學(xué)在分析化學(xué)中的應(yīng)用日益重要，如果說60年代是分析化學(xué)與電子學(xué)結(jié)合的時代，70年代是分析化學(xué)與電子計算機(jī)結(jié)合的時代，80年代就可以看成分析化學(xué)與統(tǒng)計學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)結(jié)合的時代?！泵绹治龌瘜W(xué)雜志《AnalyticalChemistry》將化學(xué)計量學(xué)作為一個分支領(lǐng)域，每兩年進(jìn)行一次發(fā)展總結(jié)綜述?；瘜W(xué)計量學(xué)的研究對象：化學(xué)計量學(xué)的研究對象是有關(guān)化學(xué)量測的基礎(chǔ)理論和方法學(xué)。其內(nèi)容涉及到統(tǒng)計學(xué)與統(tǒng)計方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計與優(yōu)化、分析信號處理、多元校正、化學(xué)模式識別、定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)、數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)。在我國的發(fā)展已經(jīng)有20多年的歷史，為化學(xué)各分支學(xué)科特別是分析化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、藥物化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、化學(xué)工程等提供了不少解決問題的新思路、新途徑和新方法?；瘜W(xué)計量學(xué)的研究對象化學(xué)計量學(xué)的任務(wù)其任務(wù)是研究有關(guān)化學(xué)測量的理論與方法學(xué)，應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)與信息理論、計算機(jī)科學(xué)的方法和手段，科學(xué)地設(shè)計化學(xué)實(shí)驗(yàn)，選擇最優(yōu)的測量方法，最有效地獲取體系有用的特征數(shù)據(jù)，并通過解析測量數(shù)據(jù)最大限度地從中提取有關(guān)物質(zhì)的定性、定量、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等信息。采樣安排實(shí)驗(yàn)量測方法定性、定量分析信息提取得出結(jié)果分析采樣理論實(shí)驗(yàn)設(shè)計理論信號處理理論校正與分辨理論

化學(xué)模式識別與分子模擬理論

人工智能與專家系統(tǒng)化學(xué)信息獲取過程：分析化學(xué)的實(shí)現(xiàn)化學(xué)信息處理的理論:化學(xué)計量學(xué)的組成化學(xué)計量學(xué)是化學(xué)信息獲取與處理的基礎(chǔ)理論與方法學(xué)。分析化學(xué)是化學(xué)量測與表征的科學(xué)，是化學(xué)信息科學(xué)。Contentsinchemometrics分析采樣理論和方法

(AnalyticalSamplingTheoryandMethods)

化學(xué)試驗(yàn)設(shè)計與優(yōu)化方法

(ChemicalExperimentDesignandOptimizationMethod)分析檢測理論與信號處理方法

(AnalyticalDetectionTheoryandSignalTreatmentMethod)多元校正與多元分辯

(MultivariateCalibrationandMultivariateResolution)化學(xué)模式識別(ChemicalPatternRecognition)

計算機(jī)數(shù)字模擬法(ComputerNumericalSimulation)

化學(xué)構(gòu)效關(guān)系和分子設(shè)計(QSAR/QSPR)

人工智能與化學(xué)專家系統(tǒng)(ArtificialIntelligentandChemicalExpertSystems)化學(xué)知識數(shù)據(jù)庫representationandcomputer-basedsearchingofchemicaldatabases計算機(jī)輔助分子設(shè)計computer-aidedmoleculardesign化學(xué)軟件中新方法、新算法developmentofnewcomputationalmethodsorefficientalgorithmsforchemicalsoftware生物制藥化學(xué)中生物活性分析藥物開發(fā)biopharmaceuticalchemistryincludinganalysesofbiologicalactivityandotherissuesrelatedtodrugdiscovery.20世紀(jì)50年代以來，化學(xué)信息的獲取技術(shù)的不斷進(jìn)步，分析儀器的發(fā)展，使得化學(xué)信息的產(chǎn)生與累積達(dá)到了空前的程度，化學(xué)家們從直接的化學(xué)信息獲取過程已經(jīng)不能獲得量測對象相關(guān)的化學(xué)信息，信息的處理與解析成為化學(xué)問題解決的瓶頸！化學(xué)計量學(xué)是化學(xué)與分析化學(xué)家面臨“數(shù)據(jù)爆炸”解決問題的手段?！皵?shù)據(jù)爆炸”化學(xué)計量學(xué)與信息提取***數(shù)據(jù)Data信息Information知識Knowledge解釋應(yīng)用Understanding化學(xué)信息處理信息提?。簲?shù)據(jù)處理過程21世紀(jì)以來，基因組、蛋白組計劃，大量生物化學(xué)信息的累計，生物信息的處理成為化學(xué)計量學(xué)研究的新生長點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，化學(xué)計量學(xué)建立與發(fā)展早期，化學(xué)家們在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了越來越多的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)方法。化學(xué)計量學(xué)的歷史發(fā)展：20世紀(jì)70年代之前,分析化學(xué)中的數(shù)理統(tǒng)計方法和定量構(gòu)效關(guān)系研究。20世紀(jì)80年代，許多大學(xué)開始講授化學(xué)計量學(xué)，化學(xué)計量學(xué)成為大學(xué)化學(xué)課程。20世紀(jì)90年代，化學(xué)計量學(xué)成為許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的日常方法，化學(xué)計量學(xué)方法也成為各種分析儀器的組成部分，是智能化、自動化分析儀器的主要模塊。什么是化學(xué)計量學(xué)？化學(xué)計量學(xué)運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、以及其它相關(guān)學(xué)科的理論與方法，優(yōu)化化學(xué)量測過程，并從化學(xué)量測數(shù)據(jù)中最大限度地獲取有用的化學(xué)信息，可以說是一門化學(xué)量測的基礎(chǔ)理論與方法學(xué)?！盎瘜W(xué)計量學(xué)”（chemometrics）生物計量學(xué)(biometrics)經(jīng)濟(jì)計量學(xué)(econometrics)20世紀(jì)70年代瑞典Wold1.發(fā)展化學(xué)數(shù)據(jù)解析的新理論和方法計算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)及信息科學(xué)的發(fā)展為化學(xué)計量學(xué)注入了新鮮血液經(jīng)典的多元校正和多元分辨及化學(xué)模式識別在的理論和算法研究上也得到了長足發(fā)展。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)模擬退火和遺傳算法小波分析及圖象分析統(tǒng)計學(xué)中的穩(wěn)健方法化學(xué)計量學(xué)新方法偏最小二乘法、SIMICA、漸近因子分析方法、秩消失因子分析法化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)在兩方面：2.化學(xué)計量學(xué)在近紅外光譜分析中的應(yīng)用光譜預(yù)處理波長分析光譜校正去除背景去除噪聲建模定性定量分析光譜預(yù)處理方法光譜平滑、求導(dǎo)多元信號校正(MultipleSignalCorrection,MSC)正交信號校正(OrthogonalSignalCorrection,OSC)建模分析方法偏最小二乘(PartialLeastSquares,PLS)主成分回歸(PrincipalComponentRegression,PCR)多元線性回歸(MultipleLinearRegression,MLR)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork,ANN)3.多元分辨方法解決復(fù)雜組分色譜重疊峰問題漸進(jìn)因子分析法(EvolvingFactorAnalysis,EFA)窗口因子分析法(WindowFactorAnalysis,WFA)直觀推導(dǎo)式演進(jìn)特征投影法(HeuristicEvolvingLatentProjections,HELP)正交投影分辨法(OrthogonalProjectionResolution,OPR)子窗口因子分析法(SubwindowFactorAnalysis,SFA)4.定量構(gòu)效關(guān)系及其在藥物設(shè)計中的應(yīng)用定量結(jié)構(gòu)活性關(guān)系(QuantiativeStructureActivityRelationship,QSAR)定量結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系(QuantiativeStructurePropertyRelationship,QSPR)藥物開發(fā)藥物分子設(shè)計開發(fā)的過程漫長(10-20年)、昂貴(3-5億$)和艱難篩選法成功率約為1:15000SelectivityPhysicalpropertiesAbsorptionDistributionMetabolismExcretionToxicityPotency排泄代謝毒性分布潛能選擇物化性能吸收Chemometrics

opensthedoorforobtainingusefulchemicalinformationfromthemeasurementdatagivenbymodernanalyticalinstrumentation化學(xué)計量學(xué)為解決各類復(fù)雜化學(xué)問題提供了有用的手段QSAR是藥物設(shè)計、材料設(shè)計、化合物環(huán)境毒性評估等有用的工具?；瘜W(xué)模式識別還可用于產(chǎn)品品質(zhì)評估、商品檢驗(yàn)、毒品偵揖、疾病診斷、人工嗅覺模擬等諸多方面。目標(biāo)轉(zhuǎn)換因子分析探查污染源化學(xué)計量學(xué)解析方法在各個化學(xué)分支學(xué)科的新應(yīng)用復(fù)雜體系直接對復(fù)雜體系就行分析獲得大量的相關(guān)數(shù)據(jù)需對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理才能獲得信息對復(fù)雜體系過程的直接控制復(fù)雜信號舉例(1)

——煙葉部分成分的GC-MS譜圖復(fù)雜信號舉例(2)

——煙草樣品的近紅外光譜煙葉的組成

>4,000種化合物。煙氣的組成

>6,000種化合物。復(fù)雜信號舉例(3)

——卷煙煙氣的二維色譜圖(大連化物所，許國旺)實(shí)際體系分析食品環(huán)境中藥煙草石油組學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)際樣品傳統(tǒng)分析方法：分離+分析化學(xué)計量學(xué)方法：解析(“數(shù)學(xué)分離”)建模+預(yù)測化學(xué)計量學(xué)---化學(xué)量測的基礎(chǔ)理論與方法學(xué)

1.

發(fā)展化學(xué)數(shù)據(jù)解析的新理論和方法

2.化學(xué)計量學(xué)解析方法在各個化學(xué)分支學(xué)科的新應(yīng)用研究現(xiàn)代分析化學(xué)與化學(xué)計量學(xué)

現(xiàn)代分析化學(xué)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

分析化學(xué)學(xué)科正經(jīng)歷著巨大變革，由于近年來物理和電子學(xué)的發(fā)展，各種新型儀器相繼問世，昔日以化學(xué)分析為主的經(jīng)典分析化學(xué)已發(fā)展成為一門包括眾多儀器分析（色譜分析，電化學(xué)分析，光譜分析，波譜分析，質(zhì)譜分析，熱分析，放射分析，表面分析等）為主的現(xiàn)代分析化學(xué)。隨著分析手段的不斷發(fā)展，廣大分析化學(xué)家們亦感到以“溶液平衡”為基礎(chǔ)的經(jīng)典分析化學(xué)已很難滿足現(xiàn)代分析化學(xué)學(xué)科發(fā)展的需求，致使Leihaisky的“不管你喜歡不喜歡，化學(xué)正在走出分析化學(xué)”，“化學(xué)仍留在分析化學(xué)”和所謂“分析物理”，“分析科學(xué)”的熱烈議論。1985年11月和1989年10月在維也納還分別召開了第一次和第二次“國際分析化學(xué)的哲學(xué)和歷史會議”，探討了分析化學(xué)哲學(xué)的某些基本問題，這些現(xiàn)象雄辯地告訴人們，分析化學(xué)學(xué)科正處在急劇分化的告訴發(fā)展時期。

無論這種分析手段的分化發(fā)展如何迅猛，有一點(diǎn)十分明確，即作為分析化學(xué)所研究的對象（化學(xué)樣本）及研究目的（結(jié)構(gòu)定性，組分定量）始終未變，其原始定義“分析化學(xué)是人們獲得物質(zhì)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)信息的科學(xué)”仍然十分明白和準(zhǔn)確，無論是從事波譜分析，色譜分析或其他儀器分析的研究工作，都得與化學(xué)樣本打交道，通過對化學(xué)試樣進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)解析來獲取其化學(xué)組成（包括不同形態(tài)）和結(jié)構(gòu)定性定量信息，從這一角度看，分析化學(xué)作為化學(xué)分枝學(xué)科仍為一完整整體，誠然，由于采用不同分析手段（如電分析，光譜分析，色譜分析等），作為使用不同儀器的分析工作者所需知識不盡相同，研究內(nèi)容亦有差異，可是，在整個分析過程中，卻始終存在著共同的基礎(chǔ)與目標(biāo)，這種情況正如美國《分析化學(xué)》的主編Murray在題為“化學(xué)量測科學(xué)”一文中指出的那樣：“用拓展的眼光來看待今天的分析化學(xué)是有益和有幫助的，它的發(fā)展已使之成為一門創(chuàng)造和應(yīng)用新概念，新原理和儀器的策略來測量化學(xué)體系及其組分的學(xué)科，簡言之，分析化學(xué)已成為一門化學(xué)量測科學(xué)”。如果遵循“分析化學(xué)是一門化學(xué)量測科學(xué)”的思路，就可發(fā)現(xiàn)，分析化學(xué)學(xué)科的變革不是“化學(xué)正在走出分析化學(xué)”，而是“新儀器和基于物理新成果的量測方法正在走進(jìn)分析化學(xué)”，使分析化學(xué)家手中擁有更多的進(jìn)行量測的工具和手段，怎樣有效地從這些新化學(xué)量測工具和手段中獲取化學(xué)家所需的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的信息，當(dāng)是目前分析化學(xué)家急需解決的一個新問題。在所有的量測手段中，紅外光譜及成象（包括近紅外）（infraredspectroscopyandimaging),超聲波成象(ultrasonicimaging)，拉曼光譜及拉曼成象(RamanSpectroscopyandRamanImaging)和磁共振成象(MagneticResonanceImaging,MRI)等有可能使傳統(tǒng)量測技術(shù)向能提供更多“相關(guān)”信息量測方法的轉(zhuǎn)變，“相關(guān)”信息能支持產(chǎn)品開發(fā)和過程控制，因此，成為過程量測科學(xué)中活躍的研究領(lǐng)域之一。

量測科學(xué)(processmeasurementscience)

色譜、光譜和波譜學(xué)及成象技術(shù)等是過程量測科學(xué)的學(xué)科基礎(chǔ)

傳感器陣列（sensorarray）隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，可以使傳感器微型化并與微處理器集成在一個芯片上，從而導(dǎo)致智能化微處理器的問世。目前，用芯片技術(shù)還可以將微傳感器、微處理器和微執(zhí)行器集成于一個芯片構(gòu)成微系統(tǒng)，也可以將多個傳感器集成于同一探頭，組成傳感器陣列（sensorarray）,進(jìn)行多組分的量測，化學(xué)計量學(xué)方法可用于從復(fù)雜混合信號中提取單個組分的信息，并可用來進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高傳感器的選擇性和靈敏度。儀器分析與多組分復(fù)雜體系

現(xiàn)代分析化學(xué)作為一門化學(xué)量測科學(xué)，當(dāng)有其自己的基本特征，正如國家自然科學(xué)基金委員會組織的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告中指出那樣，現(xiàn)代分析化學(xué)學(xué)科在當(dāng)今變革中具有如下兩個基本特點(diǎn)：（1）“從采用的手段看，分析化學(xué)是采用光、電、磁、熱、聲等物理現(xiàn)象基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用數(shù)學(xué)，計算機(jī)科學(xué)及生物學(xué)等新成就對物質(zhì)做全面的縱深分析的科學(xué)”；（2）“從解決的任務(wù)看，現(xiàn)代分析化學(xué)已發(fā)展成為獲取形形色色物質(zhì)盡可能多和盡可能全面的結(jié)構(gòu)與成分信息，進(jìn)一步認(rèn)識和改造自然的科學(xué)”。簡言之，分析手段的儀器化和化學(xué)體系的復(fù)雜化已成為現(xiàn)代分析化學(xué)學(xué)科的兩大重要特征。這正是本文以研討的核心，亦是分析化學(xué)計量學(xué)近年來得以迅速發(fā)展的真正原因。首先考察一下現(xiàn)代分析化學(xué)的儀器分析之基本特征。近幾十年來，大量新型儀器（如色譜，光譜，波譜，極譜等）相繼問世，盡管其具體內(nèi)容存在多種差別，可都是為我們提供個譜（多變量數(shù)據(jù)），且這個譜包含有關(guān)分析化學(xué)樣本的定性（含結(jié)構(gòu)）與定量信息。用數(shù)學(xué)語言說，分析儀器提供的是矢量類型的數(shù)據(jù)。隨著分析儀器的不斷進(jìn)化和聯(lián)用技術(shù)的采用，有些儀器還可產(chǎn)生矩陣（或張量）類型的數(shù)據(jù)信息（如GC-MS、GC-IR、HPLC-DAD、熒光激發(fā)發(fā)射光譜、多維核磁共振譜等）。經(jīng)典分析化學(xué)的校正方法只以單點(diǎn)數(shù)據(jù)（標(biāo)量）為基點(diǎn)，如光譜以最大吸收點(diǎn)，色譜以面積等來解析儀器數(shù)據(jù)，勢必丟失有用信息，對于產(chǎn)生矩陣類型數(shù)據(jù)的儀器，經(jīng)典分析化學(xué)更是無能為力。這向分析化學(xué)工作者提出了一個新問題，從這些矢量或矩陣形式的數(shù)據(jù)中，是否能抽取出比單點(diǎn)數(shù)據(jù)更多，而對分析化學(xué)來說又是十分重要的信息呢？另一方面，我們來考察一下在分析化學(xué)家的研究目標(biāo)——形形色色