化學計量學推進分析儀器的高速發展

【摘 要】 本文主要介紹了什么是化學計量學，以及化學計量學在分析化學領域的應用和在未來分析儀器領域前景的展望。

【關鍵詞】 化學計量學 分析化學 分析儀器

化學計量學的任務是研究有關化學測量的理論與方法學，它應用數學、統計學、計算機科學等理論、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。其主要研究內容包括面向化學研究對象的統計學與統計方法、實驗設計與優化方法、信號處理、模型構建和參數估計、化學多維多元校正、化學模式識別、多維定量構效關系、人工智能與專家系統、軟件以及庫檢索等。目前，化學計量學的研究范疇包括兩方面的內容：一方面指化學測量過程的基礎理論和方法學；另一方面就是化學計量學在分析化學及其它相關領域中的應用基礎研究。

1 化學計量學是分析化學中的“高級醫生”

化學世界是一個極為復雜的多維世界，隨著越來越多新型分析儀器的問世，取得大量測量數據已不是最困難的一步，最難解決的“瓶頸”問題卻是這些數據的解析以及如何從中提取所需的有用信息等。例如，經典分析化學方法，往往只利用儀器光譜中最大吸收波長處對應的吸光度來作定量分析，不僅丟失很多其它有用信息，而且應用很有限，因為它只利用了單點測量數據的信息。我們應該亦必須應用各類最優化的策略、方法及技術，迅速而有效地從所獲得的多維響應數據中提取盡可能多的有關被測物質的化學成分、結構和生物化學活性等方面的信息。化學計量學就是基于這種使命而發展起來的一門化學分支學科。

化學計量學看似深奧，其實涉及的很多問題都是分析化學的基礎性問題，可以說是復雜體系解析的強有力和有效的工具。例如，在藥物混合物的分析中，主導藥物及其衍生物以及基體背景和其它干擾物都可能有較靈敏的熒光等響應，但它們相互重疊，而在常規分析過程中樣品分離又比較復雜。這種情況下如果采用化學計量學中化學多維多元校正的辦法就可以獲得較好的分析結果，甚至可以實現性質相似干擾物共存下的感興趣多組分的直接快速同時定性定量分析；這樣可使復雜體系的分析獲得綠色、經濟、在線、近實時等優勢。

隨著計算機技術及其應用的發展，作為化學計量學核心策略的主成分分析（PCA）方法在實際儀器分析中的應用越來越廣泛。例如，PCA與近紅外光譜相結合的應用研究較多，在不丟失主要光譜信息的前提下選擇為數較少的新變量來代替原來較多的變量，解決了由于譜帶的重疊而無法分析的困難。另外，在生物科學方面，蛋白質的立體結構理論預測一直是生物信息學研究的難題，近來，應用化學計量學的氨基酸主成分分析法克服了原始數據中可能的實驗誤差和分類上的模糊性帶來的不確定因素，從而提高了預測的準確率。

2 化學計量學對分析儀器研發的啟示

化學計量學中的“數學分離”思想可在一定程度、一定范圍內代替“物理或化學分離”。

分析化學的發展本身就和分析儀器緊密相連，分析化學如果只是單純發展方法的話，不會有現在這么大的影響力。一個分析方法建立之后，可以用儀器的方式將其固定下來，并且可以將方法標準中的很多步驟簡略掉，最終形成一個簡便、完整的解決方案。如何完成這樣一個過程，這里面就存在一個發展分析戰略的問題，也就是方法學。

通俗地講，化學計量學的“功效”就是它可以解決長期以來傳統儀器及分析方法難以解決的共存物質基體干擾及“分離”問題。物質分離的過程是從復雜體系到單一組分，但是復雜體系包含的物質成分往往很多，分離體系本身的容量又很有限，所以經常有相當一部分組分分不開，最后從儀器上獲得的信號是重疊的、復雜的，化學計量學在怎樣分開這些組分方面就表現出了很重要的應用價值。

化學計量學的一個基本功能是“數學分離”。所謂“數學分離”，是指利用數學方法處理復雜體系的復合響應信號，可以根據物質之間的相關性、相互作用或線性加和性等，將復雜體系通過計算機快速“數學分離”成單組分，然后進一步進行各組分定性和定量分析，從而達到與先分離后分析相同的效果。這一過程，又可稱作“數學分離”過程。分析儀器的發展需要方法學上的思路創新，“數學分離”可以成為研發分析儀器的創新點。

3 化學計量學注重分析策略的研究，“傻瓜”式分析量測儀器有望面市

在分析儀器的研發設計時，獲得單變量響應值的儀器相對簡單些，獲得多維響應數陣的分析儀器或聯用儀器相對復雜些。威力強大的復雜儀器一方面要根據分析方法的思路來設計，另一方面，其產生的數據相對來說信息量豐富，當然同時也是很復雜的，要用化學計量學方法將其進一步細化，然后簡單化、信息化。

化學計量學的側重點在于分析策略的研究，如果分析策略沒想明白，即使其中具體的個別環節很好解決了，最后整體來看還是沒什么用的。采樣、樣品的預處理以及之后的分析檢測等整個過程就是一個系統工程，所需的全程控制就涉及系統分析策略問題。

用化學計量學的思路來研發儀器，可以省錢、省勞力、提高效益，同時可以使用戶得到最大的便利。儀器公司單靠生產傳統的儀器獲利畢竟有限，他們必須清晰地知道分析儀器的用途，儀器之間、儀器與方法之間如何緊密結合才能達到好的分析效果，了解這些之后研發的儀器才能得到用戶的“青睞”。 所以，儀器研制人員都應該來了解一下化學計量學的原理及解決問題的思路。例如，通過化學計量學可以最大限度地獲取光譜數據中的有用信息。在儀器的研發過程中將化學計量學和分析儀器如三維熒光等結合在一起，就可以解決很多實際問題，同時也可以使儀器本身迅速增值很多。

分析儀器的智能化將是21世紀分析化學發展的重要趨勢。化學計量學方法是新一代分析儀器智能化的關鍵構件，應予充分重視。設想可以設計出“傻瓜”式分析儀器，如同“傻瓜”相機一樣。只要儀器足夠方便、足夠智能，作為用戶不一定要知道其中的原理及數學分離過程，只要按照操作步驟操作就可以實現復雜分析對象直接快速的定量分析了。

分析儀器能獲得一個什么樣的復雜信號（電磁波），我們就可以解決該體系相關的復雜分析問題。不過，要達成這樣的目標，在儀器的研發方面就需要有很大的突破。首先，加快化學計量學的發展及應用可以帶動分析儀器的研發。化學計量學的前沿研究需要多維響應信號，就必須改進量測儀器裝置，完善儀器的配置；其次，分析儀器靈敏度是首先要解決的問題。由于靈敏度是整個儀器系統決定的，尤其是檢測器。所以在儀器的研發時，對檢測器靈敏度的要求是比較高的。

最后，化學計量學與分析儀器相結合在產業化方面目前也存在一定的困難：一方面是國家標準的問題，目前，國家標準中指定的分析儀器往往很難改變；另一方面，儀器的生產廠商大都安于已有分析模式，對于新穎的分析儀器的應用前景往往“心有余悸”，所以儀器公司一般不太愿意去進行相應新穎分析儀器的研發。

參考文獻：

[1]杜一平，潘鐵英，張玉蘭.化學計量學應用.化學工業出版社，2008.5.1