化學計量學第一章概論化學計量學

Chemometricsisanewchemicaldisciplinethatusesthetheoryandmethodsfrommathematics,statistics,computerscienceandotherrelateddisciplinestooptimizetheprocedureofchemicalmeasurement,andtoextractchemicalinformationasmuchaspossiblefromchemicaldata.Chemometricscouldbedefinedasadisciplineoffundamentaltheoryandmethodologyofchemicalmeasuring.

化學計量學運用數學、統計學、計算機科學、以及其他相關學科的理論與方法，優化化學量測過程，并從化學量測數據中最大限度地獲取有用的化學信息，可以說是一門化學量測的基礎理論與方法學。為什么科學的發展與技術的進步使得化學量測工作儀器化、自動化和計算機化。現代分析儀器能迅速、準確地為人們提供大量可靠的量測數據。化學工作者面臨著如何選擇合適的實驗方法和最優量測過程，對原始量測數據進行再加工，從而最大限度地提取有用的化學及其相關信息。隨著計算機科學、應用數學和統計學方法在化學中應用的日益廣泛和深入，一門嶄新的化學分支學科誕生了。相關儀器光譜與波譜分析儀器(原子光譜、分子光譜、核磁、質譜)電化學分析儀器(電導、電位、電解、極譜、伏安)色譜分析儀器(氣相、液相、離子、毛細管電泳)流動注射分析儀器熱分析儀器儀器聯用儀器聯用高校液相色譜-二極管陣列（HPLC-DAD）氣相色譜-質譜（GC-MS）氣相色譜-質譜-質譜（GC-MS-MS）毛細管電泳-二極管陣列（CE-DAD）液相色譜-質譜（LC-MS）液相色譜-核磁共振譜（LC-NMR）復雜分析體系分析、大量的化學信息分析，儀器的發展、分析方法的發展分析化學的發展分析化學是發展和應用各種方法、儀器和策略，以獲得有關物質在空間和時間方面組成和性質的一門科學，是表征和量測的科學，也是研究分析方法的科學。它可向人們提供物質的結構信息和物質的化學組成、含量等信息。分析化學第三次變革（1）計算機控制的分析數據采集與處理：實現分析過程的連續、快速、實時、智能；促進化學計量學的建立。（2）化學計量學：利用數學、統計學的方法設計選擇最佳分析條件，獲得最大程度的化學信息。化學信息學：化學信息處理、查詢、挖掘、優化等。（3）以計算機為基礎的新儀器的出現：傅里葉變換紅外；色-質聯用儀。大量科學家因發明新技術、新儀器而獲得諾貝爾化學獎！化學計量學是數學和統計學、化學及計算機科學三者相互交叉而形成的一門邊緣學科，是化學中很具有魅力和應用前景十分廣泛的新興分支學科。按照國際化學計量學學會（ICS）的定義：化學計量學是化學的一門分支學科。它應用數學和統計學方法，設計或選擇最優量測程序和實驗方法，并通過解析化學量測數據而獲取最大限度的信息。分析化學與分析科學1、分析科學是分析化學發展新時期。分析化學=分析科學。2、“分析科學”這個名稱，標志著①分析化學的內涵和外延有了跨越式發展，其特色包括“過程分析”、“智能分析儀器”、“活體分析活體分析”以及更多的聯用技術等；②分析化學工作者的角色已經從數據的提供者躍居為問題的解決者；③分析化學將成為一門立足化學學科，與多學科廣泛交叉、為多學科服務的一門學科，逐漸完善和發展自己的獨特理論體系的科學分支。3、“分析科學”時代將帶來生產和教學模式的革新。高鴻先生30多年前就預言：“數學在分析化學中的應用日益重要，如果說60年代是分析化學與電子學結合的時代，70年代是分析化學與電子計算機結合的時代，80年代就可以看成分析化學與統計學和應用數學結合的時代。”美國分析化學雜志《AnalyticalChemistry》將化學計量學作為一個分支領域，每兩年進行一次發展總結綜述。化學計量學的研究對象：化學計量學的研究對象是有關化學量測的基礎理論和方法學。其內容涉及到統計學與統計方法、實驗設計與優化、分析信號處理、多元校正、化學模式識別、定量構效關系(QSAR)、數據庫及專家系統。在我國的發展已經有20多年的歷史，為化學各分支學科特別是分析化學、環境化學、藥物化學、有機化學、化學工程等提供了不少解決問題的新思路、新途徑和新方法。化學計量學的研究對象化學計量學的任務其任務是研究有關化學測量的理論與方法學，應用數學、統計學與信息理論、計算機科學的方法和手段，科學地設計化學實驗，選擇最優的測量方法，最有效地獲取體系有用的特征數據，并通過解析測量數據最大限度地從中提取有關物質的定性、定量、形態、結構等信息。采樣安排實驗量測方法定性、定量分析信息提取得出結果分析采樣理論實驗設計理論信號處理理論校正與分辨理論

化學模式識別與分子模擬理論

人工智能與專家系統化學信息獲取過程：分析化學的實現化學信息處理的理論:化學計量學的組成化學計量學是化學信息獲取與處理的基礎理論與方法學。分析化學是化學量測與表征的科學，是化學信息科學。Contentsinchemometrics分析采樣理論和方法

(AnalyticalSamplingTheoryandMethods)

化學試驗設計與優化方法

(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)化學模式識別(ChemicalPatternRecognition)

計算機數字模擬法(ComputerNumericalSimulation)

化學構效關系和分子設計(QSAR/QSPR)

人工智能與化學專家系統(ArtificialIntelligentandChemicalExpertSystems)化學知識數據庫representationandcomputer-basedsearchingofchemicaldatabases計算機輔助分子設計computer-aidedmoleculardesign化學軟件中新方法、新算法developmentofnewcomputationalmethodsorefficientalgorithmsforchemicalsoftware生物制藥化學中生物活性分析藥物開發biopharmaceuticalchemistryincludinganalysesofbiologicalactivityandotherissuesrelatedtodrugdiscovery.20世紀50年代以來，化學信息的獲取技術的不斷進步，分析儀器的發展，使得化學信息的產生與累積達到了空前的程度，化學家們從直接的化學信息獲取過程已經不能獲得量測對象相關的化學信息，信息的處理與解析成為化學問題解決的瓶頸！化學計量學是化學與分析化學家面臨“數據爆炸”解決問題的手段。“數據爆炸”化學計量學與信息提取***數據Data信息Information知識Knowledge解釋應用Understanding化學信息處理信息提取：數據處理過程21世紀以來，基因組、蛋白組計劃，大量生物化學信息的累計，生物信息的處理成為化學計量學研究的新生長點。20世紀70年代，化學計量學建立與發展早期，化學家們在計算機上實現了越來越多的數學、統計學方法。化學計量學的歷史發展：20世紀70年代之前,分析化學中的數理統計方法和定量構效關系研究。20世紀80年代，許多大學開始講授化學計量學，化學計量學成為大學化學課程。20世紀90年代，化學計量學成為許多化學實驗室的日常方法，化學計量學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。什么是化學計量學？化學計量學運用數學、統計學、計算機科學、以及其它相關學科的理論與方法，優化化學量測過程，并從化學量測數據中最大限度地獲取有用的化學信息，可以說是一門化學量測的基礎理論與方法學。“化學計量學”（chemometrics）生物計量學(biometrics)經濟計量學(econometrics)20世紀70年代瑞典Wold1.發展化學數據解析的新理論和方法計算機科學、統計學、應用數學及信息科學的發展為化學計量學注入了新鮮血液經典的多元校正和多元分辨及化學模式識別在的理論和算法研究上也得到了長足發展。人工神經網絡新技術模擬退火和遺傳算法小波分析及圖象分析統計學中的穩健方法化學計量學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計量學的發展表現在兩方面：2.化學計量學在近紅外光譜分析中的應用光譜預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處理方法光譜平滑、求導多元信號校正(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)人工神經網絡(ArtificialNeuralNetwork,ANN)3.多元分辨方法解決復雜組分色譜重疊峰問題漸進因子分析法(EvolvingFactorAnalysis,EFA)窗口因子分析法(WindowFactorAnalysis,WFA)直觀推導式演進特征投影法(HeuristicEvolvingLatentProjections,HELP)正交投影分辨法(OrthogonalProjectionResolution,OPR)子窗口因子分析法(SubwindowFactorAnalysis,SFA)4.定量構效關系及其在藥物設計中的應用定量結構活性關系(QuantiativeStructureActivityRelationship,QSAR)定量結構性質關系(QuantiativeStructurePropertyRelationship,QSPR)藥物開發藥物分子設計開發的過程漫長(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化學計量學為解決各類復雜化學問題提供了有用的手段QSAR是藥物設計、材料設計、化合物環境毒性評估等有用的工具。化學模式識別還可用于產品品質評估、商品檢驗、毒品偵揖、疾病診斷、人工嗅覺模擬等諸多方面。目標轉換因子分析探查污染源化學計量學解析方法在各個化學分支學科的新應用復雜體系直接對復雜體系就行分析獲得大量的相關數據需對數據進行復雜處理才能獲得信息對復雜體系過程的直接控制復雜信號舉例(1)

——煙葉部分成分的GC-MS譜圖復雜信號舉例(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)實際體系分析食品環境中藥煙草石油組學數據實際樣品傳統分析方法：分離+分析化學計量學方法：解析(“數學分離”)建模+預測化學計量學---化學量測的基礎理論與方法學

1.

發展化學數據解析的新理論和方法

2.化學計量學解析方法在各個化學分支學科的新應用研究現代分析化學與化學計量學

現代分析化學面臨的機遇與挑戰

分析化學學科正經歷著巨大變革，由于近年來物理和電子學的發展，各種新型儀器相繼問世，昔日以化學分析為主的經典分析化學已發展成為一門包括眾多儀器分析（色譜分析，電化學分析，光譜分析，波譜分析，質譜分析，熱分析，放射分析，表面分析等）為主的現代分析化學。隨著分析手段的不斷發展，廣大分析化學家們亦感到以“溶液平衡”為基礎的經典分析化學已很難滿足現代分析化學學科發展的需求，致使Leihaisky的“不管你喜歡不喜歡，化學正在走出分析化學”，“化學仍留在分析化學”和所謂“分析物理”，“分析科學”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“國際分析化學的哲學和歷史會議”，探討了分析化學哲學的某些基本問題，這些現象雄辯地告訴人們，分析化學學科正處在急劇分化的告訴發展時期。

無論這種分析手段的分化發展如何迅猛，有一點十分明確，即作為分析化學所研究的對象（化學樣本）及研究目的（結構定性，組分定量）始終未變，其原始定義“分析化學是人們獲得物質化學組成和結構信息的科學”仍然十分明白和準確，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，都得與化學樣本打交道，通過對化學試樣進行測量和數據解析來獲取其化學組成（包括不同形態）和結構定性定量信息，從這一角度看，分析化學作為化學分枝學科仍為一完整整體，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與目標，這種情況正如美國《分析化學》的主編Murray在題為“化學量測科學”一文中指出的那樣：“用拓展的眼光來看待今天的分析化學是有益和有幫助的，它的發展已使之成為一門創造和應用新概念，新原理和儀器的策略來測量化學體系及其組分的學科，簡言之，分析化學已成為一門化學量測科學”。如果遵循“分析化學是一門化學量測科學”的思路，就可發現，分析化學學科的變革不是“化學正在走出分析化學”，而是“新儀器和基于物理新成果的量測方法正在走進分析化學”，使分析化學家手中擁有更多的進行量測的工具和手段，怎樣有效地從這些新化學量測工具和手段中獲取化學家所需的化學組成和結構的信息，當是目前分析化學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)等有可能使傳統量測技術向能提供更多“相關”信息量測方法的轉變，“相關”信息能支持產品開發和過程控制，因此，成為過程量測科學中活躍的研究領域之一。

量測科學(processmeasurementscience)

色譜、光譜和波譜學及成象技術等是過程量測科學的學科基礎

傳感器陣列（sensorarray）隨著芯片技術的發展，可以使傳感器微型化并與微處理器集成在一個芯片上，從而導致智能化微處理器的問世。目前，用芯片技術還可以將微傳感器、微處理器和微執行器集成于一個芯片構成微系統，也可以將多個傳感器集成于同一探頭，組成傳感器陣列（sensorarray）,進行多組分的量測，化學計量學方法可用于從復雜混合信號中提取單個組分的信息，并可用來進行優化，進一步提高傳感器的選擇性和靈敏度。儀器分析與多組分復雜體系

現代分析化學作為一門化學量測科學，當有其自己的基本特征，正如國家自然科學基金委員會組織的學科發展戰略調研報告中指出那樣，現代分析化學學科在當今變革中具有如下兩個基本特點：（1）“從采用的手段看，分析化學是采用光、電、磁、熱、聲等物理現象基礎上進一步采用數學，計算機科學及生物學等新成就對物質做全面的縱深分析的科學”；（2）“從解決的任務看，現代分析化學已發展成為獲取形形色色物質盡可能多和盡可能全面的結構與成分信息，進一步認識和改造自然的科學”。簡言之，分析手段的儀器化和化學體系的復雜化已成為現代分析化學學科的兩大重要特征。這正是本文以研討的核心，亦是分析化學計量學近年來得以迅速發展的真正原因。首先考察一下現代分析化學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，盡管其具體內容存在多種差別，可都是為我們提供個譜（多變量數據），且這個譜包含有關分析化學樣本的定性（含結構）與定量信息。用數學語言說，分析儀器提供的是矢量類型的數據。隨著分析儀器的不斷進化和聯用技術的采用，有些儀器還可產生矩陣（或張量）類型的數據信息（如GC-MS、GC-IR、HPLC-DAD、熒光激發發射光譜、多維核磁共振譜等）。經典分析化學的校正方法只以單點數據（標量）為基點，如光譜以最大吸收點，色譜以面積等來解析儀器數據，勢必丟失有用信息，對于產生矩陣類型數據的儀器，經典分析化學更是無能為力。這向分析化學工作者提出了一個新問題，從這些矢量或矩陣形式的數據中，是否能抽取出比單點數據更多，而對分析化學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家的研究目標——形形色色