1、第第1 1頁頁/ /共共66頁頁化學計量學化學計量學第一章第一章 概論概論第第2 2頁頁/ /共共66頁頁化學計量學化學計量學 Chemometrics is a new chemical discipline Chemometrics is a new chemical discipline that uses the theory and methods from mathematics, that uses the theory and methods from mathematics, statistics, computer science and other related sta

2、tistics, computer science and other related disciplines to optimize the procedure of chemical disciplines to optimize the procedure of chemical measurement, and to extract chemical information measurement, and to extract chemical information as much as possible from chemical data. as much as possibl

3、e from chemical data. Chemometrics could be defined as a discipline of Chemometrics could be defined as a discipline of fundamental theory and methodology of chemical fundamental theory and methodology of chemical measuring.measuring. 化學計量學運用數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機科學、以及化學計量學運用數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機科學、以及其他相關學科的理論與方法，優(yōu)化化學量測過程

4、，并從化其他相關學科的理論與方法，優(yōu)化化學量測過程，并從化學量測數(shù)據(jù)中最大限度地獲取有用的化學信息，可以說是學量測數(shù)據(jù)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。一門化學量測的基礎理論與方法學。第第3 3頁頁/ /共共66頁頁為什么為什么 科學的發(fā)展與技術的進步使得化學量測工作儀科學的發(fā)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?，F(xiàn)代分析儀器能迅器化、自動化和計算機化?，F(xiàn)代分析儀器能迅速、準確地為人們提供大量可靠的量測數(shù)據(jù)。速、準確地為人們提供大量可靠的量測數(shù)據(jù)?；瘜W工作者面臨著如何選擇合適的實驗方法和化學工作者面臨著如何選擇合適的實驗方法和最優(yōu)量測過程

5、，對原始量測數(shù)據(jù)進行再加工，最優(yōu)量測過程，對原始量測數(shù)據(jù)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。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(shù)學和統(tǒng)計學方法在化隨著計算機科學、應用數(shù)學和統(tǒng)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。分支學科誕生了。第第4 4頁頁/ /共共66頁頁相關儀器相關儀器 光譜與波譜分析儀器光譜與波譜分析儀器( (原子光譜、分子光譜、核磁、質譜原子光譜、分子光譜、核磁、質譜) ) 電化學分析儀器電化學分析儀器( (電導、電位、電解、極譜、伏安電導、電位、電解、極譜、伏安) )

6、 色譜分析儀器色譜分析儀器( (氣相、液相、離子、毛細管電泳氣相、液相、離子、毛細管電泳) ) 流動注射分析儀器流動注射分析儀器 熱分析儀器熱分析儀器 儀器聯(lián)用儀器聯(lián)用第第5 5頁頁/ /共共66頁頁儀器聯(lián)用儀器聯(lián)用 高校液相色譜高校液相色譜- -二極管陣列（二極管陣列（HPLC-DADHPLC-DAD） 氣相色譜氣相色譜- -質譜（質譜（GC-MSGC-MS） 氣相色譜氣相色譜- -質譜質譜- -質譜（質譜（GC-MS-MSGC-MS-MS） 毛細管電泳毛細管電泳- -二極管陣列（二極管陣列（CE-DADCE-DAD） 液相色譜液相色譜- -質譜（質譜（LC-MSLC-MS） 液相色譜液相色

7、譜- -核磁共振譜（核磁共振譜（LC-NMRLC-NMR）復雜分析體系分析、大量的化學信息分析，儀器的發(fā)展、分析方法的發(fā)展復雜分析體系分析、大量的化學信息分析，儀器的發(fā)展、分析方法的發(fā)展第第6 6頁頁/ /共共66頁頁分析化學的發(fā)展分析化學的發(fā)展 分析化學是發(fā)展和應用各種方法、儀器和分析化學是發(fā)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人們提供物質的結構信息和物質

8、的化學組成、含量等信息。成、含量等信息。第第7 7頁頁/ /共共66頁頁分析化學第三次變革分析化學第三次變革（1 1）計算機控制的分析數(shù)據(jù)采集與處理：）計算機控制的分析數(shù)據(jù)采集與處理：實現(xiàn)分析過程的連續(xù)、快速、實時、智能；實現(xiàn)分析過程的連續(xù)、快速、實時、智能；促進化學計量學的建立。促進化學計量學的建立。（2 2）化學計量學：利用數(shù)學、統(tǒng)計學的方法化學計量學：利用數(shù)學、統(tǒng)計學的方法設計選擇最佳分析條件，獲得最大程度的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。化學信息學：化學信息處理、查詢、挖掘、優(yōu)化等?；瘜W信息學：化學信息處理、查詢、挖掘、優(yōu)化等。（3 3）以計算機為基礎的新儀器的

9、出現(xiàn)：）以計算機為基礎的新儀器的出現(xiàn)：傅里葉變換紅外；色傅里葉變換紅外；色- -質聯(lián)用儀。質聯(lián)用儀。大量科學家因發(fā)明新技術、新儀器而獲得諾貝爾化學獎！大量科學家因發(fā)明新技術、新儀器而獲得諾貝爾化學獎！第第8 8頁頁/ /共共66頁頁 化學計量學是數(shù)學和統(tǒng)計學、化學及計算機科學化學計量學是數(shù)學和統(tǒng)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。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（按照國際化學計量學學會（ICSICS）的定義：化學計）的定義：化學計量學是化學的一門

10、分支學科。它應用數(shù)學和統(tǒng)計學方法，量學是化學的一門分支學科。它應用數(shù)學和統(tǒng)計學方法，設計或選擇最優(yōu)量測程序和實驗方法，并通過解析化學設計或選擇最優(yōu)量測程序和實驗方法，并通過解析化學量測數(shù)據(jù)而獲取最大限度的信息。量測數(shù)據(jù)而獲取最大限度的信息。第第9 9頁頁/ /共共66頁頁分析化學與分析科學分析化學與分析科學 1 1、分析科學是分析化學發(fā)展新時期。分析化學、分析科學是分析化學發(fā)展新時期。分析化學= =分析科學。分析科學。 2 2、“分析科學分析科學”這個名稱，標志著這個名稱，標志著 分析化學的內(nèi)涵和分析化學的內(nèi)涵和外延有了跨越式發(fā)展，其特色包括外延有了跨越式發(fā)展，其特色包括“過程分析過程分析”、

11、“智能分析智能分析儀器儀器”、“活體分析活體分析活體分析活體分析”以及更多的聯(lián)用技術等；以及更多的聯(lián)用技術等； 分析化學工作者的角色已經(jīng)從分析化學工作者的角色已經(jīng)從數(shù)據(jù)的提供者數(shù)據(jù)的提供者躍居為躍居為問題的解決問題的解決者者； 分析化學將成為一門立足化學學科，與多學科廣泛交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(fā)展自己的獨特理叉、為多學科服務的一門學科，逐漸完善和發(fā)展自己的獨特理論體系的科學分支。論體系的科學分支。 3 3、“分析科學分析科學”時代將帶來生產(chǎn)和教學模式的革新。時代將帶來生產(chǎn)和教學模式的革新。第第1010頁頁/ /共共66頁頁 高鴻先

12、生高鴻先生3030多年前就預言：多年前就預言：“數(shù)學在分析化學中的數(shù)學在分析化學中的應用日益重要，如果說應用日益重要，如果說6060年代是分析化學與電子學年代是分析化學與電子學結合的時代，結合的時代，7070年代是分析化學與電子計算機結合年代是分析化學與電子計算機結合的時代，的時代，8080年代就可以看成分析化學與統(tǒng)計學和應年代就可以看成分析化學與統(tǒng)計學和應用數(shù)學結合的時代。用數(shù)學結合的時代。” 美國分析化學雜志美國分析化學雜志Analytical ChemistryAnalytical Chemistry將化將化學計量學作為一個分支領域，每兩年進行一次發(fā)展學計量學作為一個分支領域，每兩年進行

13、一次發(fā)展總結綜述?？偨Y綜述。第第1111頁頁/ /共共66頁頁 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化學量測的基礎理論基礎理論和和方法學方法學。其內(nèi)容涉及到統(tǒng)計學與統(tǒng)。其內(nèi)容涉及到統(tǒng)計學與統(tǒng)計方法、實驗設計與優(yōu)化、分析信號處理、多元校正、化計方法、實驗設計與優(yōu)化、分析信號處理、多元校正、化學模式識別、定量構效關系學模式識別、定量構效關系(QSAR)(QSAR)、數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)。、數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)。在我國的發(fā)展已經(jīng)有在我國的發(fā)展已經(jīng)有2020多年的歷史，為化學各分支學科特多年的歷史，為化學各分支學科特別是分析化學、環(huán)境化學、

14、藥物化學、有機化學、化學工別是分析化學、環(huán)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。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研究對象第第1212頁頁/ /共共66頁頁化學計量學的任務化學計量學的任務 其任務是研究有關化學測量的理論與方法學，應用數(shù)學、統(tǒng)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化學實驗，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物質的定性定性、定量定量、形態(tài)、結構等信息。 第第1313頁頁/ /共共66頁頁采樣采樣安排實驗安排實驗量測

15、方法量測方法定性、定量定性、定量分析分析信息提取信息提取得出結果得出結果分析采樣分析采樣理論理論實驗設計實驗設計理論理論信號處理信號處理理論理論校正與分辨校正與分辨理論理論 化學模式化學模式識別與識別與分子模擬分子模擬理論理論 人工智能與人工智能與專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)化學信息獲取過程：分析化學的實現(xiàn)化學信息獲取過程：分析化學的實現(xiàn)化學信息處理的理論化學信息處理的理論: :化學計量學的組成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?；瘜W計量學是化學信息獲取與處理的基礎理論與方法學。第第1414頁頁/ /共共66頁頁Contents in chemometrics第第1515頁頁

16、/ /共共66頁頁分析采樣理論和方法分析采樣理論和方法 (Analytical Sampling Theory and Methods)化學試驗設計與優(yōu)化方法化學試驗設計與優(yōu)化方法 (Chemical Experiment Design and Optimization Method)分析檢測理論與信號處理方法分析檢測理論與信號處理方法 (Analytical Detection Theory and Signal Treatment Method)多元校正與多元分辯多元校正與多元分辯 ( M u l t i v a r i a t e C a l i b r a t i o n a n d

17、Multivariate Resolution)第第1616頁頁/ /共共66頁頁化學模式識別化學模式識別 (Chemical Pattern Recognition) 計算機數(shù)字模擬法計算機數(shù)字模擬法(Computer Numerical Simulation) 化學構效關系和分子設計化學構效關系和分子設計( QSAR/QSPR) 人工智能與化學專家系統(tǒng)人工智能與化學專家系統(tǒng) (Artificial Intelligent and Chemical Expert Systems)第第1717頁頁/ /共共66頁頁化學知識數(shù)據(jù)庫化學知識數(shù)據(jù)庫representation and compute

18、r-based representation and computer-based searching of chemical databasessearching of chemical databases計算機輔助分子設計計算機輔助分子設計computer-aided molecular design computer-aided molecular design 化學軟件中新方法、新算法化學軟件中新方法、新算法development of new computational methods development of new computational methods or effic

19、ient algorithms for chemical or efficient algorithms for chemical softwaresoftware生物制藥化學中生物活性分析藥物開發(fā)生物制藥化學中生物活性分析藥物開發(fā)biopharmaceutical chemistry including biopharmaceutical chemistry including analyses of biological activity and other analyses of biological activity and other issues related to drug d

20、iscovery. issues related to drug discovery. 第第1818頁頁/ /共共66頁頁 20 20世紀世紀5050年代以來，化學信年代以來，化學信息的獲取技術的不斷進步，分析儀器息的獲取技術的不斷進步，分析儀器的發(fā)展，的發(fā)展，使得化學信息的產(chǎn)生與累積使得化學信息的產(chǎn)生與累積達到了空前的程度達到了空前的程度，化學家們從直接，化學家們從直接的化學信息獲取過程已經(jīng)不能獲得量的化學信息獲取過程已經(jīng)不能獲得量測對象相關的化學信息，信息的處理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與解析成為化學問題解決的瓶頸瓶頸！化學計量學是化學與分析化學家面臨化學計量

21、學是化學與分析化學家面臨“數(shù)據(jù)爆炸數(shù)據(jù)爆炸”解決問題的手段。解決問題的手段。 化學計量學與信息提取化學計量學與信息提取* * * *第第1919頁頁/ /共共66頁頁數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)DataData信息信息InformationInformation知識知識KnowledgeKnowledge解釋應用解釋應用UnderstandingUnderstanding化學信息處理化學信息處理信息提?。盒畔⑻崛。簲?shù)據(jù)處理過程數(shù)據(jù)處理過程第第2020頁頁/ /共共66頁頁2121世紀以來，基因組、蛋白組計劃，大量生物化學信息的世紀以來，基因組、蛋白組計劃，大量生物化學信息的累計，累計，生物信息的處理生物信息的處理

22、成為化學計量學研究的成為化學計量學研究的新生長點新生長點。2020世紀世紀7070年代，年代，化學計量學建立與發(fā)展早期化學計量學建立與發(fā)展早期，化學家們在，化學家們在計算機上實現(xiàn)了越來越多的數(shù)學、統(tǒng)計學方法。計算機上實現(xiàn)了越來越多的數(shù)學、統(tǒng)計學方法?；瘜W計量學的歷史發(fā)展：化學計量學的歷史發(fā)展：2020世紀世紀7070年代之前年代之前, ,分析化學中的分析化學中的數(shù)理統(tǒng)計方法和定量構數(shù)理統(tǒng)計方法和定量構效關系效關系研究。研究。2020世紀世紀8080年代，許多大學開始講授化學計量學，化學計量年代，許多大學開始講授化學計量學，化學計量學成為學成為大學化學課程大學化學課程。2020世紀世紀9090年

23、代，化學計量學成為許多年代，化學計量學成為許多化學實驗室的日常方化學實驗室的日常方法法，化學計量學方法也成為各種分析儀器的組成部分，是，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。智能化、自動化分析儀器的主要模塊。第第2121頁頁/ /共共66頁頁什么是化學計量學？什么是化學計量學？ 化學計量學運用數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機化學計量學運用數(shù)學、統(tǒng)計學、計算機科學、以及其它相關學科的理論與方法，優(yōu)科學、以及其它相關學科的理論與方法，優(yōu)化化學量測過程，并從化學量測數(shù)據(jù)中最大化化學量測過程，并從化學量測數(shù)據(jù)中最大限度地獲取有用的化學信息，可以說是一門限度地獲取有用的化學

24、信息，可以說是一門化學量測的基礎理論與方法學化學量測的基礎理論與方法學 “ “化學計量學化學計量學”（chemometricschemometrics）生物計量學生物計量學(biometrics)(biometrics)經(jīng)濟計量學經(jīng)濟計量學(econometrics)(econometrics)2020世紀世紀7070年代年代 瑞典瑞典WoldWold第第2222頁頁/ /共共66頁頁1. 發(fā)展化學數(shù)據(jù)解析的新理論和方法發(fā)展化學數(shù)據(jù)解析的新理論和方法計算機科學、統(tǒng)計學、應用數(shù)學及信息科學計算機科學、統(tǒng)計學、應用數(shù)學及信息科學的發(fā)展為化學計量學注入了新鮮血液的發(fā)展為化學計量學注入了新鮮血液經(jīng)典的

25、多元校正和多元分辨及化學模式識別在經(jīng)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(fā)展。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)絡新技術人工神經(jīng)網(wǎng)絡新技術模擬退火和遺傳算法模擬退火和遺傳算法小波分析及圖象分析小波分析及圖象分析統(tǒng)計學中的穩(wěn)健方法統(tǒng)計學中的穩(wěn)健方法化學計量學新方法化學計量學新方法偏最小二乘法、偏最小二乘法、 SIMICASIMICA、漸近因子分析方法、漸近因子分析方法、秩消失因子分析法秩消失因子分析法化學計量學的發(fā)展表現(xiàn)在兩方面：化學計量學的發(fā)展表現(xiàn)在兩方面：第第2323頁頁/ /共共66頁頁2. 化學計量學在近紅外光譜分析中的應用化學計量學在近紅外光

26、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 建模定性定量分析第第2424頁頁/ /共共66頁頁光譜預處理方法光譜預處理方法 光譜平滑、求導 多元信號校正(Multiple Signal Correction, MSC) 正交信號校正(Orthogonal Signal Correction, OSC)第第2525頁頁/ /共共66頁頁建模分析方法建模分析方法 偏最小二乘(Partial Least Squares, PLS) 主成分回歸(Principal Component Regression, PCR) 多元線性回歸(Multiple Linear Regress

27、ion, MLR) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(Artificial Neural Network, ANN)第第2626頁頁/ /共共66頁頁3. 多元分辨方法解決復雜組分色譜重疊峰問題多元分辨方法解決復雜組分色譜重疊峰問題 漸進因子分析法漸進因子分析法(Evolving Factor Analysis, EFA) 窗口因子分析法窗口因子分析法(Window Factor Analysis, WFA) 直觀推導式演進特征投影法直觀推導式演進特征投影法(Heuristic Evolving Latent Projections, HELP) 正交投影分辨法正交投影分辨法(Orthogonal Project

28、ion Resolution, OPR) 子窗口因子分析法子窗口因子分析法(Subwindow Factor Analysis, SFA)第第2727頁頁/ /共共66頁頁4. 定量構效關系及其在藥物設計中的應用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(Quantiative Structure Activity Relationship, QSAR) 定量結構性質關系(Quantiative Structure Property Relationship, QSPR)第第2828頁頁/ /共共66頁頁藥物開發(fā)藥物開發(fā) 藥物分子設計藥物分子設計 開發(fā)的過程漫長開發(fā)的過程漫長(10-

29、20(10-20年年) )、昂貴、昂貴(3-5(3-5億億$)$)和艱難和艱難 篩選法成功率約為篩選法成功率約為1:150001:15000SelectivityPhysicalpropertiesAbsorptionDistributionMetabolismExcretionToxicityPotency排泄代謝毒性分布 潛能 選擇 物化性能 吸收 第第2929頁頁/ /共共66頁頁ChemometricsChemometrics opens the door for obtaining useful chemical opens the door for obtaining useful

30、 chemical information from the measurement data given by modern information from the measurement data given by modern analytical instrumentationanalytical instrumentation化學計量學為解決各類復雜化學問題提供了有用的手段化學計量學為解決各類復雜化學問題提供了有用的手段是藥物設計、材料設計、化是藥物設計、材料設計、化合物環(huán)境毒性評估等有用的工具。合物環(huán)境毒性評估等有用的工具。還可用于產(chǎn)品品質還可用于產(chǎn)品品質評估、商品檢驗、毒品偵揖

31、、疾評估、商品檢驗、毒品偵揖、疾病診斷、人工嗅覺模擬等諸多方病診斷、人工嗅覺模擬等諸多方面。面。探查污染源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化學計量學解析方法在各個化學分支學科的新應用第第3030頁頁/ /共共66頁頁復雜體系復雜體系 直接對復雜體系就行分析直接對復雜體系就行分析 獲得大量的相關數(shù)據(jù)獲得大量的相關數(shù)據(jù) 需對數(shù)據(jù)進行復雜處理才能獲得信息需對數(shù)據(jù)進行復雜處理才能獲得信息 對復雜體系過程的直接控制對復雜體系過程的直接控制第第3131頁頁/ /共共66頁頁復雜信號舉例復雜信號舉例(1)(1)煙葉部分成分的煙葉部分成分的GC-MSGC-MS譜圖譜圖第第3232頁頁/

32、/共共66頁頁復雜信號舉例復雜信號舉例(2)(2)煙草樣品的近紅外光譜煙草樣品的近紅外光譜4000500060007000800090000.00.40.5wavenumber / cm-1煙葉的組成 4,000種化合物。煙氣的組成 6,000種化合物。第第3333頁頁/ /共共66頁頁復雜信號舉例復雜信號舉例(3)(3)卷煙煙氣的二維色譜圖卷煙煙氣的二維色譜圖( (大連化物所，許國旺大連化物所，許國旺) )第第3434頁頁/ /共共66頁頁實際體系分析實際體系分析食品食品環(huán)境環(huán)境中藥中藥煙草煙草石油石油組學數(shù)據(jù)組學數(shù)據(jù)實際樣品實際樣品u 傳統(tǒng)分析方法：傳統(tǒng)分析方法： 分離分

33、離 + + 分析分析u 化學計量學方法：化學計量學方法：解析解析(“(“數(shù)學分離數(shù)學分離”) ) 建模建模 + + 預測預測第第3535頁頁/ /共共66頁頁化學計量學-化學量測的基礎理論與方法學 1. 1. 發(fā)展化學數(shù)據(jù)解析的新理論和方法發(fā)展化學數(shù)據(jù)解析的新理論和方法2. 2. 化學計量學解析方法在各個化學分化學計量學解析方法在各個化學分支學科的新應用研究支學科的新應用研究第第3636頁頁/ /共共66頁頁現(xiàn)代分析化學與化學計量學現(xiàn)代分析化學與化學計量學現(xiàn)代分析化學面臨的機遇與挑戰(zhàn)現(xiàn)代分析化學面臨的機遇與挑戰(zhàn) 分析化學學科正經(jīng)歷著巨大變革，由于近年來物理和電子分析化學學科正經(jīng)歷著巨大變革，由

34、于近年來物理和電子學的發(fā)展，各種新型儀器相繼問世，昔日以化學分析為主的經(jīng)學的發(fā)展，各種新型儀器相繼問世，昔日以化學分析為主的經(jīng)典分析化學已發(fā)展成為一門包括眾多儀器分析（色譜分析，電典分析化學已發(fā)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(xiàn)代分析化學。隨著分析手段的不斷析，表面分析等）為主的現(xiàn)代分析化學。隨著分析手段的不斷發(fā)展，廣大分析化學家們亦感到以發(fā)展，廣大分析化學家們亦感到以“溶液平衡溶液平衡”為基礎的經(jīng)典為基礎的經(jīng)典分析化學已很難滿足現(xiàn)代分析化學學科發(fā)展的需求，

35、致使分析化學已很難滿足現(xiàn)代分析化學學科發(fā)展的需求，致使LeihaiskyLeihaisky的的“不管你喜歡不喜歡，化學正在走出分析化學不管你喜歡不喜歡，化學正在走出分析化學”，“化學仍留在分析化學化學仍留在分析化學”和所謂和所謂“分析物理分析物理”，“分析科學分析科學”的熱烈議論。的熱烈議論。19851985年年1111月和月和19891989年年1010月在維也納還分別召開了月在維也納還分別召開了第一次和第二次第一次和第二次“國際分析化學的哲學和歷史會議國際分析化學的哲學和歷史會議”，探討了，探討了分析化學哲學的某些基本問題，這些現(xiàn)象雄辯地告訴人們，分分析化學哲學的某些基本問題，這些現(xiàn)象雄辯

36、地告訴人們，分析化學學科正處在急劇分化的告訴發(fā)展時期。析化學學科正處在急劇分化的告訴發(fā)展時期。第第3737頁頁/ /共共66頁頁 無論這種分析手段的分化發(fā)展如何迅猛，有一點十分明確，即作為分析無論這種分析手段的分化發(fā)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仍然十分明白和準確，無論是

37、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(shù)據(jù)解析研究工作，都得與化學樣本打交道，通過對化學試樣進行測量和數(shù)據(jù)解析來獲取其化學組成（包括不同形態(tài)）和結構定性定量信息，從這一角度看，來獲取其化學組成（包括不同形態(tài)）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

38、整個分析過程中，卻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與目標，這種情況正如美國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分析化學的主編的主編MurrayMurray在題為在題為“化學量測科學化學量測科學”一文中指出的那樣：一文中指出的那樣：“用拓展的眼光來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(fā)展已使之成為看待今天的分析化學是有益和有幫助的，它的發(fā)展已使之成為一門創(chuàng)造和應用新概念，新原理和儀器的策略來測量化學體系一門創(chuàng)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及其

39、組分的學科，簡言之，分析化學已成為一門化學量測科學學”。第第3838頁頁/ /共共66頁頁 如果遵循如果遵循“分析化學是一門化學量測科學分析化學是一門化學量測科學”的思路，的思路，就可發(fā)現(xiàn)，分析化學學科的變革不是就可發(fā)現(xiàn)，分析化學學科的變革不是“化學正在走出分析化學正在走出分析化學化學”，而是，而是“新儀器和基于物理新成果的量測方法正在新儀器和基于物理新成果的量測方法正在走進分析化學走進分析化學”，使分析化學家手中擁有更多的進行量測，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

40、結構的信息，當是目前分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。析化學家急需解決的一個新問題。第第3939頁頁/ /共共66頁頁 在所有的量測手段中，紅外光譜及成象（包括近在所有的量測手段中，紅外光譜及成象（包括近紅外）（紅外）（infrared spectroscopy and imaging),infrared spectroscopy and imaging),超超聲波成象聲波成象(ultrasonic imaging)(ultrasonic imaging)，拉曼光譜及拉曼成，拉曼光譜及拉曼成象象(Raman Spectroscopy and Ra

41、man Imaging)(Raman Spectroscopy and Raman Imaging)和磁共和磁共振成象振成象(Magnetic Resonance Imaging,MRI)(Magnetic Resonance Imaging,MRI)等有可能等有可能使傳統(tǒng)量測技術向能提供更多使傳統(tǒng)量測技術向能提供更多“相關相關”信息量測方法信息量測方法的轉變，的轉變，“相關相關”信息能支持產(chǎn)品開發(fā)和過程控制，信息能支持產(chǎn)品開發(fā)和過程控制，因此，成為過程量測科學中活躍的研究領域之一。因此，成為過程量測科學中活躍的研究領域之一。 量測科學量測科學(process measurement scie

42、nce)(process measurement science)色譜、光譜和波譜學及成象技術等是過程量測科學的學色譜、光譜和波譜學及成象技術等是過程量測科學的學科基礎科基礎 第第4040頁頁/ /共共66頁頁 傳感器陣列（傳感器陣列（sensor arraysensor array） 隨著芯片技術的發(fā)展，可以使傳感器微型化并與隨著芯片技術的發(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，從而導致智能化微處理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(zhí)行器集成于一個芯片構成微系統(tǒng)，也

43、可處理器和微執(zhí)行器集成于一個芯片構成微系統(tǒng)，也可以將多個傳感器集成于同一探頭，組成傳感器陣列以將多個傳感器集成于同一探頭，組成傳感器陣列（sensor arraysensor array）, ,進行多組分的量測，化學計量學進行多組分的量測，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，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(yōu)化，進一步提高傳感器的選擇性和靈并可用來進行優(yōu)化，進一步提高傳感器的選擇性和靈敏度。敏度。 第第4141頁頁/ /共共66頁頁 儀器分析與多組分復雜體系儀器分析與多組分復雜體系 現(xiàn)代分析化學作為一門化學量測科學，當有其自己的基現(xiàn)代分析化學作為一

44、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(fā)展戰(zhàn)略本特征，正如國家自然科學基金委員會組織的學科發(fā)展戰(zhàn)略調研報告中指出那樣，現(xiàn)代分析化學學科在當今變革中具有調研報告中指出那樣，現(xiàn)代分析化學學科在當今變革中具有如下兩個基本特點：（如下兩個基本特點：（1）“從采用的手段看，分析化學是從采用的手段看，分析化學是采用光、電、磁、熱、聲等物理現(xiàn)象基礎上進一步采用數(shù)學，采用光、電、磁、熱、聲等物理現(xiàn)象基礎上進一步采用數(shù)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學”；（；（2）“從解決的任務看，現(xiàn)代分析化學已發(fā)

45、展成為從解決的任務看，現(xiàn)代分析化學已發(fā)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，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進一步認識和改造自然的科學”。簡言之，分析手段的儀器。簡言之，分析手段的儀器化和化學體系的復雜化已成為現(xiàn)代分析化學學科的兩大重要化和化學體系的復雜化已成為現(xiàn)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(fā)展的真正原因。來得以迅速發(fā)展的真正原因。第第4242頁頁/ /共共66頁頁 首先考察一下現(xiàn)代分析化學的儀器分析之基本特征。首先

46、考察一下現(xiàn)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）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，可都是為我們提供個供個譜（多變量數(shù)據(jù)）譜（多變量數(shù)據(jù)），且這個譜包含有關分析化學樣本的，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(shù)學語言說，分析儀器提供定性（含結構）與定量信息。用數(shù)學語言說，分析儀器提供的是矢量類型的數(shù)據(jù)。的是矢量類型的數(shù)據(jù)。隨著分析儀器的不斷進化和聯(lián)用技術隨著分析儀器的不斷進化和聯(lián)用技術的采用，有些儀器還可產(chǎn)生矩陣（或

47、張量）類型的數(shù)據(jù)信息的采用，有些儀器還可產(chǎn)生矩陣（或張量）類型的數(shù)據(jù)信息（如（如GC-MSGC-MS、GC-IRGC-IR、HPLC-DADHPLC-DAD、熒光激發(fā)發(fā)射光譜、多維核、熒光激發(fā)發(fā)射光譜、多維核磁共振譜等）。經(jīng)典分析化學的校正方法只以單點數(shù)據(jù)（標磁共振譜等）。經(jīng)典分析化學的校正方法只以單點數(shù)據(jù)（標量）為基點，如光譜以最大吸收點，色譜以面積等來解析儀量）為基點，如光譜以最大吸收點，色譜以面積等來解析儀器數(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，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)典分析化學更是無能為力。這向分析化學工作者提出了一經(jīng)典分析化學更是無能為力

48、。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(shù)據(jù)中，是否能抽取出個新問題，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數(shù)據(jù)更多，而對分析化學來說又是十分重要的信息呢？比單點數(shù)據(jù)更多，而對分析化學來說又是十分重要的信息呢？ 第第4343頁頁/ /共共66頁頁 另一方面，我們來考察一下在分析化學家的研究目標另一方面，我們來考察一下在分析化學家的研究目標形形色色的樣本之重要特征。由于生物學、生命科學、藥形形色色的樣本之重要特征。由于生物學、生命科學、藥物學、環(huán)境科學、材料科學等學科的迅猛發(fā)展，對分析化學物學、環(huán)境科學、材料科學等學科的迅猛發(fā)展，對分析化學亦提出了較高要求，即對復雜

49、混合物體系，特別是復雜有機亦提出了較高要求，即對復雜混合物體系，特別是復雜有機混合物體系給出快速定性定量分析，正是這一要求，使得色混合物體系給出快速定性定量分析，正是這一要求，使得色譜分析得到飛速發(fā)展?？梢赃@樣認為，純品的分析對現(xiàn)代分譜分析得到飛速發(fā)展?？梢赃@樣認為，純品的分析對現(xiàn)代分析化學已不構成特殊困難，困難在于混合物體系的直接快速析化學已不構成特殊困難，困難在于混合物體系的直接快速分析，這樣形形色色的多組分體系是否也存在某種特征，針分析，這樣形形色色的多組分體系是否也存在某種特征，針對這些特征，分析化學家是否有相應策略與之對應？對這些特征，分析化學家是否有相應策略與之對應？第第4444頁

50、頁/ /共共66頁頁化學計量學化學計量學 當代化學與分析化學的重要發(fā)展前沿當代化學與分析化學的重要發(fā)展前沿1 1 國家自然科學基金委員會國家自然科學基金委員會, , 自然科學發(fā)展戰(zhàn)略調研報告自然科學發(fā)展戰(zhàn)略調研報告分析化學分析化學, , 北京：科學出版社，北京：科學出版社，1993.1993.2 2 汪爾康主編汪爾康主編, 21, 21世紀的分析化學世紀的分析化學, , 北京：科學出版社，北京：科學出版社，1999, 1-22.1999, 1-22.化學計量學發(fā)展的推動力：化學計量學發(fā)展的推動力：（1 1）能容易地獲得大量化學量測數(shù)據(jù)的）能容易地獲得大量化學量測數(shù)據(jù)的現(xiàn)代分析儀器的涌現(xiàn)；現(xiàn)代分

51、析儀器的涌現(xiàn)；（2 2）對這些化學量測數(shù)據(jù)進行適當處理）對這些化學量測數(shù)據(jù)進行適當處理并從中最大限度地提取有用化學信息的需并從中最大限度地提取有用化學信息的需要要。第第4545頁頁/ /共共66頁頁現(xiàn)代分析儀器現(xiàn)代分析儀器 EX-EM: EX-EM: 二維激發(fā)發(fā)射熒光儀二維激發(fā)發(fā)射熒光儀 HPLC-DAD: HPLC-DAD: 帶光二極管陣列檢測器的高效液相色譜儀帶光二極管陣列檢測器的高效液相色譜儀 CE-DAD: CE-DAD: 帶光二極管陣列檢測器的毛細管電泳儀帶光二極管陣列檢測器的毛細管電泳儀 GC-MS: GC-MS: 氣相色譜質譜聯(lián)用儀氣相色譜質譜聯(lián)用儀 LC-MS: LC-MS:

52、液相色譜質譜聯(lián)用儀等液相色譜質譜聯(lián)用儀等l高維響應數(shù)據(jù)：高維響應數(shù)據(jù)： 矩陣（矩陣（MatrixMatrix）類型）類型 立體陣立體陣 (Three-way data array)(Three-way data array)類型類型第第4646頁頁/ /共共66頁頁Hyphenated Instrument (Hyphenated Instrument (聯(lián)用儀器聯(lián)用儀器) )Most modern and advanced analytical instrument.e.g. HPLC-DAD, GC-MS, CE-DAD, etc.Combination of two or more in

53、strumentse.g. HPLC DAD (diode-array detector)GC MS (Mass-spectrometer)Separation InstrumentSignalInstrument第第4747頁頁/ /共共66頁頁Get more data/informationHPLC -DAD10020030040050060070080000.511.522.533.544.5x 106R etentiontim e(s)IntensityA B 3D chromatogramHPLC chromatogram of nuclueside of Cordyceps Si

54、nensis (冬蟲草冬蟲草) at one wavelengthHyphenated Instrument (Hyphenated Instrument (聯(lián)用儀器聯(lián)用儀器) )第第4848頁頁/ /共共66頁頁Hyphenated Instrument (Hyphenated Instrument (聯(lián)用儀器聯(lián)用儀器) )GC instrumentGC chromatogram of peptic powder (平胃散平胃散)Mass spectrum taken at retention time 10.2 minutes第第4949頁頁/ /共共66頁頁Hyphenated Inst

55、rument (Hyphenated Instrument (聯(lián)用儀器聯(lián)用儀器) )Advantages : More data is obtained at a retention time. More spectral information acquired to give three dimensional (3D) data. Much more information available to analyze complicated system like TCM.第第5050頁頁/ /共共66頁頁Hyphenated Instrument (Hyphenated Instrume

56、nt (聯(lián)用儀器聯(lián)用儀器) )Disadvantages :Huge amount of 3D data is obtained.Need data processing methods for information extraction, pattern recognition, etc.Computer power was poor before. Usual practice : Use a few data obtained from HPLC-DAD/GC-MS to find marker components or active ingredients. Now, everyt

57、hing becomes possible with high tech.! 第第5151頁頁/ /共共66頁頁化學計量學算法和程序化學計量學算法和程序 化學計量學的精髓主要體現(xiàn)在處理數(shù)化學計量學的精髓主要體現(xiàn)在處理數(shù)據(jù)的諸多算法。根據(jù)算法寫出具體的計算據(jù)的諸多算法。根據(jù)算法寫出具體的計算機程序。理論上說任何高級計算機語言都機程序。理論上說任何高級計算機語言都可以編寫計量學程序。如可以編寫計量學程序。如C語言、語言、Fortran語言、語言、Matlab等。等。第第5252頁頁/ /共共66頁頁主要的化學計量學的方法主要的化學計量學的方法 多元線性回歸多元線性回歸 主成分回歸主成分回歸 偏最小

58、二乘法偏最小二乘法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡 遺傳算法遺傳算法 支持向量機算法支持向量機算法 第第5353頁頁/ /共共66頁頁多元線性回歸多元線性回歸 在傳統(tǒng)二維構效關系研究中，多元線性回歸在傳統(tǒng)二維構效關系研究中，多元線性回歸(Multiple Linear Regression(Multiple Linear Regression，MLR)MLR)是最為常見的統(tǒng)計是最為常見的統(tǒng)計方法。一個分子可以用很多分子參數(shù)來表達，但在建立線方法。一個分子可以用很多分子參數(shù)來表達，但在建立線性回歸模型的時候，為了避免過擬合性回歸模型的時候，為了避免過擬合(over-fitting)(over-fitt

59、ing)，只，只能從這些物理化學參數(shù)中選擇一部分參數(shù)來建立回歸模型。能從這些物理化學參數(shù)中選擇一部分參數(shù)來建立回歸模型。一般來講，化合物的數(shù)目和所選取參數(shù)的數(shù)目比應大于一般來講，化合物的數(shù)目和所選取參數(shù)的數(shù)目比應大于n n2 2(n(n表示選取的參數(shù)個數(shù)表示選取的參數(shù)個數(shù)) )，也有人提出應大于，也有人提出應大于35(35(樣本樣本數(shù)目較大時顯然不合適數(shù)目較大時顯然不合適) )，怎樣選擇合適的參數(shù)一直是定，怎樣選擇合適的參數(shù)一直是定量構象關系研究中的一個難題。而且對于線性回歸來講，量構象關系研究中的一個難題。而且對于線性回歸來講，當體系噪聲較強或干擾嚴重時，有可能導致所得的模型失當體系噪聲較強

60、或干擾嚴重時，有可能導致所得的模型失真。真。第第5454頁頁/ /共共66頁頁主成分回歸主成分回歸 主成分回歸主成分回歸(Principle Component (Principle Component Regression)Regression)方法首先采用主成分分析方法首先采用主成分分析(Principle Component Analysis(Principle Component Analysis，PCA)PCA)方法選方法選取重要的因子，然后采用常規(guī)的回歸方法建立數(shù)取重要的因子，然后采用常規(guī)的回歸方法建立數(shù)學模型，從而實現(xiàn)對原來數(shù)據(jù)的降維處理。所謂學模型，從而實現(xiàn)對原來數(shù)據(jù)的降維處理