化學計量學發展論文

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摘要評述了化學計量學在我國近年來的發展，包括多元校正與分辨、穩健方法、化學模式識別、化學定量構效關系、分子模擬與優化、化學專家系統與數據庫等主要分支，其中特別對近年來得到飛速發展的新技術如高維數據解析方法、人工神經網絡、小波變換給出了較詳細的介紹。

關鍵詞化學計量學發展中國

化學計量學(Chemometrics)在我國發展已有20多年的歷史，是一門化學與統計學、數學、計算機科學交叉所產生的新興的化學學科分支。它運用數學、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提取有用的化學信息［1］。它與基于量子化學的計算化學(ComputationalChemistry)的不同之點只在于化學計量學是以化學量測量為其基點，實質上是化學量測的基礎理論與方法學［2］。

由于“十年動亂”的影響，使我國在化學計量學的發展方面略遲于歐美，但在化學界前輩的積極倡導和國家自然科學基金委的支持下，80年代以來，我國的化學計量學研究得到了飛速發展，到現在已發展成為一門在國際上有一定影響的獨立的化學學科分支，已出版了多本化學計量學方面的專著和相應的教材［3］，并在中國科學院的多個研究所和國內多個知名大專院校建立了隊伍穩定的化學計量學研究小組，取得了一批具有國際先進水平的成果。8年前，我們曾在第二屆斯堪的那維亞國際化學計量學大會上對我國的化學計量學發展主要成果進行過一次綜論［4］，在此，僅就近10年來化學計量學在我國的發展情況作出簡要介紹。

化學計量學為化學量測提供理論和方法，為各類波譜及化學量測數據的解析，為化學化工過程的機理研究和優化提供新途徑，它涵蓋了化學量測的全過程，包括采樣理論與方法、試驗設計與化學化工過程優化控制、化學信號處理、分析信號的校正與分辨、化學模式識別、化學過程和化學量測過程的計算機模擬、化學定量構效關系、化學數據庫、人工智能與化學專家系統等，是一門內涵相當豐富的化學學科分支。化學計量學的發展為化學各分支學科、其中特別是分析化學、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。

化學計量學發展成為化學與分析化學學科的一個獨特分支。兩個重要的條件與因素推動了這方面的發展。首先，化學與分析化學中大量涌現的現代化學量測儀器，使化學與分析化學家比以往任何時侯都更容易獲得大量化學量測數據。這種情況，在過去是難以想象的。到20世紀80年代，在分析測試或化學量測中，人們第一次發現，取得數據甚至大量數據已不是最困難的一步。最難解決的瓶頸問題是這些數據的解析及如何從中提取所需的有用化學信息。化學家與分析化學家首次遇到類似行為科學家或經濟學家所遇到的大量數據如何處理的問題。化學家與分析化學家比較幸運。因為大量現代分析測試儀器出現帶來“數據爆炸時代”，也正是計算機普及的時代。這就構成了化學計量學發展的第二個條件。為了對極為復雜的化學量測數據（其中負載著在分子水平上表征物質世界的信息）進行解析，化學家、分析化學家利用可在計算機上實現的許多強有力的數學方法，包括一些相關學科發展的數據與信號處理新方法，從多維化學量測數據中提取有用的相關化學信息。如果說經典分析化學是得首先依賴費時而麻煩的化學或物理的方法來對很多復雜化學體系進行純組分分離，即采用單變量校正方法進行定性定量分析的話，那么，現代分析化學家面對的則是各種將分析分離技術集于一體的高維儀器所產生的巨量分析信號，藉化學計量學發展的新型分析信號的多元校正與分辨方法［5］來進行復雜多組分體系的定性定量解析，高維數據解析的化學計量學方法現已進入可用來解決分析化學中實際難題的程度，將這些方法用于復雜環境樣本、中草藥中單位藥及復方分析等［6］，取得了很多令人振奮的結果。繼續進行高維數據、特別是針對可產生三維數據的新型儀器的化學計量學算法的研究現仍是一個研究的熱點，我國的化學計量學研究在此方面取得了居于國際先進水平的成果［7］。多元校正與分辨一直就是分析化學計量學研究的主要內容，在此方面，中國科技大學、清華大學、石油化工科學研究院、沈陽藥科大學、中國藥科大學、同濟大學、天津大學、廈門大學、蘭州大學、江西大學、西北大學、華中理工大學、湖南大學等單位做了大量的研究工作［8］。將化學計量學方法固化于新設計的分析儀器之中，以構建新型智能分析儀器，是一個值得繼續研究的方向。另一方面，由于近年來計算機科學及信息科學的長足發展，它們的發展也為化學計量學注入了新鮮血液，我國在分析信號處理新方法，其中特別是小波分析(waveletanalysis)的引入，為分析信號的壓縮、去噪、分辨及背景消除等帶來新思路和新方法，從對近年來在此方面的綜述來看，可以說，我國在小波分析用于分析信號處理研究的方面是處于國際先進水平的，中國科技大學、中山大學、香港理工大學等單位的化學計量學研究小組在此方面作出了大量有水平的研究［9］。另外，有關人工神經網絡(artificialneuralnetworks，ANN)［10］新技術、基于自然計算的全局最優算法如模擬退火(simulatedannealing,SA)和遺傳算法(geneticalgorithm,GA)［11］，信息科學中的圖象分析(imageanalysis,IA)方法，統計學中研究熱烈的穩健方法(robustmethods,RM)［12］等新型化學計量學方法的引入也取得很多可喜的成果。采樣理論這一重要的化學計量學研究分支，過去未引起必要的重視，近期有關研究小組如南開大學等單位倡導開展了這方面研究［13］。

化學模式識別的研究提供的是對決策和過程優化很有實用價值的信息，為我國石油化工、材料化學等帶來了解決研究難題的新思路，人工神經網絡的新方法，為化學模式識別提供了研究的新機遇。無論在化學模式識別的方法和應用方面，我國都取得了不少優秀成果，中國科學院上海冶金研究所的化學計量學研究小組先后用化學模式識別的方法成功地解決了50多個石油化工過程優化、材料設計等方面中的實際難題。化學模式識別方法用于分析化學、物理化學、無機化學、藥物化學、食品化學、農業化學、醫藥化學和環境化學等學科的研究在我國也取得了不少成果，浙江大學、中國科技大學、沈陽藥科大學、中國藥科大學、同濟大學、中國科學院長春應用化學研究所、湖南大學等單位在此方面做了大量工作［14］。

化學定量構效關系（QSAR）的研究，是一個涉及到化學學科的一個帶根本性的問題，即如何從物質的化學成分與結構來定量預測其化學特性，也可以說是理論化學研究中的一個最重要目標。目前，由于藥學發展的需要，將基于量子化學計算的分子模擬與QSAR研究結合起來，為尋求有生物和藥理活性的先導化合物提供了一個新途徑，我國在這方面也已取得引人注目的成就［15］。將全局最優算法如模擬退火和遺傳算法的引入分子力學的尋優，以指導最佳先導化合物的尋找，是化學計量學家的貢獻，現已在QSAR的研究中得到了廣泛的應用。QSAR通過直接研究可量測化學量及某些量化參數與化合物的某些已知化學特性之間的已知數據，采用統計回歸（多元校正）和模式識別的方法來建立一種模式，從而達到預測化合物特性的目的,建立起某些化學結構與性能的關系來指導進一步的實驗研究。目前，用ANN來進行QSAR研究頗引人注目，在模式分類與定量構效關系研究中展現了很好的應用前景。在QSAR的研究中，南開大學、北京大學、中國科學院上海藥物研究所、中國科學院化工冶金研究所、中國科學院長春應用化學研究所的化學計量學研究小組將分子模擬與QSAR研究相結合，并直接用于指導實際的藥物合成，取得了很好的研究成果［16］。在QSAR研究中，化合物結構的拓樸表征是另一個重要的課題，如何采用圖論和數值方法來表征各種化合物分子，并將所得數值結果與實際量測的化合物的物理、化學和生物學特性連接起來，也是目前化學計量學研究的一個重要問題。我國的化學計量學研究工作者在此方面也做了不少有意義的工作［17］。

波譜化學是分析化學與有機化學家都十分關注的一個領域，怎樣利用現存波譜數據庫，如質譜、紅外光譜、核磁共振譜、色譜的保留時間庫以及吸收與發射光譜等為復雜分析體系進行快速定性定量分析，一直是分析化學家們努力的目標；而如何利用上述各種波譜為新合成的有機化合物定結構，則是有機化學家們手中必不可少的解析手段。計算機技術，其中特別是智能數據庫與化學專家系統技術為此提供了進行上述解析的新途徑。我國的化學計量學工作者在此方面也做了大量富有成果的工作。中國科學院上海有機化學研究所、中國科學院大連化學物理研究所、中國科學院長春應用化學研究所、中國科學院化工冶金研究所，南開大學、南京大學、東北師范大學、廈門大學、湖南大學等單位都先后建立了多種波譜的數據庫和專家系統［18］，如13CNMR譜圖數據庫和結構解析專家系統（ESESOC）、高效液相色譜專家系統、紅外、質譜數據庫與專家系統、ICP發射光譜專家系統等，他們用計算機進行各類波譜（包括核磁共振譜、質譜、紅外光譜等）模擬，并用聯合波譜庫和專家系統進行結構自動解析與推導，選擇各類儀器（色譜與光譜）的最佳量測和分離條件、進行各類波譜數據庫的知識開發，并在各類數據庫的網絡化上也做了大量工作［19］。

1997年，在國家自然科學基金委的全力支持下，由湖南大學與挪威Bergen大學合作，在張家界舉行了我國的第一次國際化學計量學會議，與會代表120多人，其中來自歐美及亞洲各地14個國家的境外代表60多人，會議的議題幾乎覆蓋了前述化學計量學研究的各個領域，還特別為化學計量學在工業中的應用開辟了一個專門議題。該會議已在國際化學計量學刊物“ChemometricsandIntelligentLaboratorySystems”出版了會議論文專輯［20］，收集了44篇會議，其中我國作者占了28篇，第一次較系統地向國際化學計量學界展示了我國的化學計量學研究的實力，說明我國的化學計量學研究已與國際接軌。

化學計量學誕生至今，已有近30年歷史，其發展前景亦是一個令人關注的問題。從分析化學與化學計量學的關系可以看出，化學計量學的發展將對分析化學產生深刻影響，已構成分析化學第二層次基礎理論和方法學的重要組成部分，特別值得提出的是，化學計量學的發展還將為分析儀器的智能化提供新理論和新方法，為新型高維聯用儀器的構建提供新思路和新方法，是21世紀分析儀器軟件主體化發展的新突破口。此外，隨著微型計算機和網絡技術的飛速發展，對于化學波譜庫的建立與檢索方法以及化學人工智能和專家系統的研究也將取得長足進步。在采用計算機網絡技術將多種波譜儀器連接的基礎上，將數值化計算技術（近年來化學計量學方法學發展的主體）與傳統的基于經驗的邏輯推理方法的有機結合，可望解決化合物結構自動解析的難題，并使得長期困擾分析化學家的混合物波譜同時定性定量解析成為可能。在分析化學領域中，化學計量學的發展前景十分誘人。另外，化學計量學與其他化學學科分支，如環境化學、食品化學、農業化學、醫藥化學、化學工程等學科，將產生更密切的聯系，得到更廣泛的應用。隨著各化學分支學科的發展，可以預期，化學計量學也將繼續得到更蓬勃的發展。

參考文獻

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