分析化學(xué)中化學(xué)計量學(xué)應(yīng)用探究

摘 要：隨著東西方科學(xué)技術(shù)的交流，中國的化學(xué)學(xué)科也學(xué)習(xí)西方進(jìn)行了更加詳細(xì)的分支，其中作為新興學(xué)科的化學(xué)計量學(xué)屬于起步較晚的科目，同時牽涉的科目也更廣泛，具體有數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和計算機應(yīng)用技術(shù)、計算機基礎(chǔ)、編程等等相關(guān)學(xué)科，因而學(xué)好化學(xué)計量學(xué)意味著同時學(xué)好多門學(xué)科，進(jìn)行交叉性學(xué)習(xí)知識。化學(xué)計量學(xué)涉及化學(xué)測量的全部過程，樣本分析、實驗設(shè)計、調(diào)整與提升、因變量和自變量的處理優(yōu)化和數(shù)據(jù)研究都包含在化學(xué)計量學(xué)中。化學(xué)計量學(xué)的主要任務(wù)是對化學(xué)測量得到的數(shù)據(jù)和樣本進(jìn)行分析和處理，按照化學(xué)計量的流程操作，在運用計算機技術(shù)篩選后選擇最合適的結(jié)果。化學(xué)計量學(xué)的興起解決了傳統(tǒng)化學(xué)中很多難以解決的問題，也衍生出了化學(xué)應(yīng)用探究的新方向。本文將從引入化學(xué)計量學(xué)的六個領(lǐng)域或方面進(jìn)行研究和探討。

關(guān)鍵詞：分析化學(xué);化學(xué)計量學(xué);應(yīng)用探究

引言：

隨著時代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和信息化數(shù)字化結(jié)合的化學(xué)計量法引入了分析化學(xué)的研究分析領(lǐng)域。在此之前化學(xué)定量一直是研究者必須深入思考分析的重點。作為化學(xué)研究中最重要的化學(xué)定量，其主要分化的研究方向有三個方面：物質(zhì)的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在分析過程中，化學(xué)計量學(xué)的應(yīng)用為化學(xué)研究增添了新鮮血液，在傳統(tǒng)使用圖形和數(shù)值分析的手段基礎(chǔ)上引入了新的手段。

一、引入化學(xué)計量法后的化學(xué)測量更加現(xiàn)代化數(shù)字化

傳統(tǒng)化學(xué)測量在研究過程中難免出現(xiàn)誤差或者錯誤，但是隨著時代發(fā)展，計算機技術(shù)引入實驗室，這也推動了化學(xué)測量領(lǐng)域走向先進(jìn)化。然而化學(xué)設(shè)備雖然能夠使實驗得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但篩選數(shù)據(jù)仍然是一個難題，化學(xué)計量學(xué)的出現(xiàn)就解決了這個問題。為了成功實現(xiàn)化學(xué)測量的探索，可以借助化學(xué)計量法已經(jīng)成熟的分離解析技術(shù)，通過高維儀器對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行調(diào)整以及校對。通過這一技術(shù)，無論最后得到了多么龐大的數(shù)據(jù)，都可以充分運用化學(xué)計量學(xué)的手段，做好化學(xué)測量，進(jìn)行方便地篩選。

二、以學(xué)科交叉和多層次傳播為代表的化學(xué)計量學(xué)在化學(xué)定量構(gòu)效關(guān)系中的運用

所有研究化學(xué)的化學(xué)家以及實驗者都在開始之前必須確定研究方法，防止研究方向出現(xiàn)偏移。隨著化學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展和開拓，只借助傳統(tǒng)畫圖和數(shù)值研究的手段已經(jīng)不能得到更加詳細(xì)和精確的物質(zhì)化學(xué)成分和組成結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)將得到的數(shù)據(jù)和推測與物理、生物、科學(xué)的相關(guān)知識聯(lián)系起來，充分利用多學(xué)科之間相互聯(lián)系融合的原理，借助學(xué)科交叉和多學(xué)科融合的思想進(jìn)行全方面的研究。在分析化學(xué)中，全局最優(yōu)算法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如利用多層次傳播模型中的誤差反向傳播來測驗苯酚衍生物的活性就是交叉運用多學(xué)科知識的化學(xué)計量學(xué)的體現(xiàn)。

三、推廣模式辨別方法的化學(xué)計量法部分在分析化學(xué)中的應(yīng)用

模式識別法指的是根據(jù)化學(xué)量測數(shù)據(jù)矩陣，將樣本按照樣本的不同性質(zhì)進(jìn)行分類和特征選取的方法。從作為訓(xùn)練點的原始數(shù)據(jù)出發(fā)，進(jìn)行特征抽取選擇，或者直接從未知樣板本出發(fā)，在訓(xùn)練和分類后，尋找恰當(dāng)?shù)呐袛嘁罁?jù)后，進(jìn)行預(yù)報。由于在多維模式空間中的相對位置中，數(shù)據(jù)的分布并不相同，根據(jù)量測參量抓取其中不同的數(shù)據(jù)組，都是模式識別的方法。而模式識別法的研究在決策和過程優(yōu)化中提供了具有高實用價值的信息，為我國化學(xué)化工、石油開發(fā)、材料化學(xué)、油田研究等等領(lǐng)域難題提供了研究新思維[1]。其中K-最鄰近法以及線性學(xué)習(xí)機的運用具有重大的影響。SIMCA法也是化學(xué)計量學(xué)中不可缺失的一大部分。SIMCA的步驟為首先輸入原始數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，進(jìn)行無監(jiān)督的主成分分類，再進(jìn)入循環(huán)階段，對變量進(jìn)行加權(quán)處理后，選擇主成分建模主成分?jǐn)?shù)目，討論是否存在異常點，如果有，那么從主成分建模開始再循環(huán)，如果沒有異常點，那么再分析是否還有其他類，如果有，那么重復(fù)上述步驟，如果沒有就可以進(jìn)行分析評價，最后再討論是否重新建模，如果需要再重復(fù)上述的步驟，如果不需要就可以根據(jù)之前的固有模板去判斷未知樣本。SIMCA法的實際應(yīng)用領(lǐng)域涉及范圍廣，已經(jīng)包括經(jīng)濟(jì)、教育、科研等等方面[]。

四、以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的生物化學(xué)領(lǐng)域中化學(xué)計量學(xué)的充分表現(xiàn)

化學(xué)計量學(xué)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的運用起到了開創(chuàng)先例的作用。那么人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是什么？人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬動物或者人類的思維方式進(jìn)行的神經(jīng)元和神經(jīng)脈沖行為，采取分層處理篩選選擇數(shù)據(jù)的計算機數(shù)學(xué)模型。通過借助網(wǎng)絡(luò)手段和錯綜復(fù)雜的信息網(wǎng)絡(luò)，不斷根據(jù)科研需要改變程序設(shè)定過程中預(yù)留的可調(diào)節(jié)關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)，進(jìn)而使信息得到充分地利用，并在演算過程中自主具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)的能力[3]。利用網(wǎng)絡(luò)，可以完善很多數(shù)據(jù)處理和分析工作，幫助解決很多非線性的數(shù)據(jù)，例如很多數(shù)據(jù)在篩選之后傳統(tǒng)手段并不具有將數(shù)據(jù)模擬人腦的思考方式來分析解決的能力。在遺傳算法中，在對之前實驗中的數(shù)據(jù)分析后會得到一定的規(guī)律，就可以有選擇地設(shè)置波長波形，對人腦的思維進(jìn)行盡可能地模擬，引入化學(xué)計量法還能實現(xiàn)多臺操作儀器的互聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域包括分析基因譜圖、完善補充圖庫、分析預(yù)測藥物和新型化合物化學(xué)物質(zhì)以及化工產(chǎn)品的效果，預(yù)測研究變質(zhì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

五、以化學(xué)計量學(xué)為主要代表的先進(jìn)體系在波普化學(xué)領(lǐng)域的廣泛運用

波普化學(xué)離不開波譜分析。波譜分析的應(yīng)用范圍廣泛，例如光譜和質(zhì)譜的分析方法就是波譜分析的體現(xiàn)。化學(xué)計量學(xué)的出現(xiàn)為研究波普化學(xué)提供了新思路和新方向，增加了科技手段。借助化學(xué)計量學(xué)，可以充分實現(xiàn)濾波，平滑，交換，卷積等等以往較難實現(xiàn)的任務(wù)要求，這樣不但能夠分析本學(xué)科化學(xué)的研究，還能綜合運用其他科目的知識，實現(xiàn)學(xué)科交叉的最終目的，為解決不同物種如何共存、相同物種如何保持?jǐn)?shù)量等等一系列難題提供了更加科學(xué)和體系化的手段。

六、化學(xué)多元校正分析法中化學(xué)計量學(xué)的應(yīng)用

多元分析法隨著時代的發(fā)展已經(jīng)成為了化學(xué)研究的一種潮流，主要表現(xiàn)方面有，研究對象和研究目標(biāo)的多元化[4]。但是對于化學(xué)研究者來說，卻增加了更大的難題。化學(xué)研究者必須在短時間內(nèi)進(jìn)行精確而清晰的定位和定量，這樣才能不錯過最佳實驗和數(shù)據(jù)總結(jié)時間。因此在這樣的大環(huán)境中，多元校正法應(yīng)運而生，化學(xué)計量法也得到了更大范圍的推廣。因此從總體來看，多元校正法扮演的是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的統(tǒng)計數(shù)據(jù)法。多元統(tǒng)計法有著明顯的優(yōu)勢，對研究的敏感性、檢測度、精密程度都提出了更高水平的要求。在化學(xué)實驗中，化學(xué)計量法的運用完善了實驗，也為多元校正法帶來更大的發(fā)展空間。

七、結(jié)束語

化學(xué)計量法的出現(xiàn)為分析化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新機遇新思路，但是也帶來了新挑戰(zhàn)，因此在大力推廣化學(xué)計量法運用的同時，要不斷完善實驗過程，開發(fā)新技術(shù)，申請國家專項資金，積極引入國內(nèi)外先進(jìn)科技設(shè)備，與國際接軌，推動分析化學(xué)邁上新臺階。

參考文獻(xiàn)：

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[2]周統(tǒng)武，蔡娟.化學(xué)計量學(xué)的學(xué)科現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].中國科技信息， 2019（03）.

[3]周南.關(guān)于“分析化學(xué)中的計量學(xué)與質(zhì)量保證”的國際研討會[J].理化 檢驗（化學(xué)分冊），2020（03）.

[4]房靖.化學(xué)計量學(xué)在分析化學(xué)中的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].科技資訊，2018 （21）.

作者簡介：

曹遠(yuǎn)理1986/06/20，性別：男，民族：漢，籍貫：江西九江，

職務(wù)/職稱：熱工理化計量主管，學(xué)歷：大專，研究方向：化學(xué)計量

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