计算机在化学实验室自动化方面的应用简1

1、第八章：计算机在化学实验室自动化方面的应用简介8.1概述计算机目前已经深入到生产和科研的各个领域，在各种化学实验室中也不例外，逐步采用了大量的计算机最新技术。计算机的介入程度已经成为各种化学实验室现代化程度高低的标志之一。大量计算机硬件和计算机技术的介入一方面使化学实验室的自动化、集约化和网络化程度越来越高，大大提高了实验工作效率和水平；另一方面对实验室工作人员驾御计算机的能力提出了更高的要求。因此，可以说掌握计算机在实验室的应用技术将是下个世纪每个现代化学实验室工作人员的必备条件，这一点在西方发达国家的实验室中已经得到了验证。在化学实验室中应用的计算机技术多种多样，并且随着计算机技术的发展还

2、将更加多样化。根据目前计算机技术的发展水平和现代化学实验室装备的现状，计算机在各种化学实验室中的应用除了常规的文字处理、网络信息传递和化学计算等应用之外，归纳起来，主要包括以下几个方面：1实验设备与仪器的自动化操作和控制：随着化学一起设备的现代化，当前大多数先进的实验仪器设备都有计算机控制部分，而且不仅那些红外、质谱、核磁共振、能谱等复杂大型仪器如此；而且容量分析、电化学分析和许多物理化学参数测定等小型仪器也都逐渐实现计算机控制。此外很多实验室利用一台计算机（工作站）对实验室的所有仪器或主要仪器进行集约化控制也是当前发展方向。利用实验室局部网络技术可以在实验室范围内实现信息共享和资源的集约化管

3、理。可以看出，掌握这些计算机化仪器的使用和维护技术，学习利用实验室网络控制实验设备是化学工作者的重要任务之一。2实验室仪器设备与材料的自动化管理：指实验室信息的自动化管理。利用一台计算机或小型计算机网络对化学实验室进行信息自动化管理可以大大提高工作效率和管理水平。这方面的应用包括实验室信息管理系统(Laboratory Information Management System, LIMS)、化学药品材料管理系统(Manage Chemical Inventory system, MIS)和仪器设备维护校正管理系统(Instrument Maintenance and Calibration

4、System, IMCS)等。将大量动态的实验室信息集中进行管理。由于计算机硬件和计算机技术的普及，为实验室仪器设备与材料的自动化管理提供了有利条件。3实验数据收集与处理的计算机化：主要指实验数据的在线和离线收集处理。众所周知，从化学实验中获得的数据往往是大量、零散并需要进行复杂数学处理的。对这些从仪器中获得的原始数据进行收集、整理、数学处理往往是相当复杂繁重的任务。目前这类任务已经主要由计算机来完成。其内容主要包括计算机的原始实验数据的收集主要由各种仪器与计算机之间的接口电路等硬件和软件完成，因此实验室技术人员掌握一定的接口技术是必要的。其次是数据的处理系统，指将各种原始数据进行诸如傅立叶变

5、换、小波变换、线性和非线性拟合等数学处理一般需要各种应用软件和硬件的配合。再次是由各种数据库为主组成的存储、检索、鉴定和数据分析系统，帮助实验人员给出科学正确的实验结论。这些数据库由于主要服务于本实验室或本系统，因此在内容上比较专一，其中部分还需要实验人员自己建立，即使那些使用的商业数据库往往是开放性的，即可以由实验人员自己不断扩充进自己的信息。这些数据库包括各种红外、紫外可见、核磁共振、质谱等光谱数据库和气相、液相等色谱数据库，以及分子和原子特征常数数据库。实验数据的智能化分析也属于该领域。计算机技术的飞速发展，大大推动了实验室计算机化的进程，化学实验室的技术设备每时每刻都在发生变化，涵盖内

6、容非常广泛，涉及的学科领域也比较多。一方面，新的技术和设备不断涌现，给人们跟踪这些新技术带来挑战。另一方面，技术和设备的多样化，如不同厂家生产的同样功能设备采用的硬件和技术各不相同，也大大增加了学习的难度。限于篇幅和本书编写的目的及适宜的读者对象，在此仅对某些与化学实验室工作密切相关的内容做简单介绍。关于上述第一方面的内容，由于已经超出了本书的介绍范围，并且各种计算机化仪器设备均有详细的使用与维护说明书，不作为本章的介绍内容。后两方面的内容将作为介绍的重点。8.2 化学实验室仪器设备与材料的自动化管理系统化学实验室仪器设备与材料的自动化管理系统是由计算机应用软件、计算机硬件和一些辅助系统构成的

7、体系。其目的是利用计算机的存储、检索、记忆、计算和提示输出等方面的特点，对化学实验室使用和存储的大量材料、仪器设备和其他信息进行实时、动态和自动化管理。提高实验室的操作和管理水平。如上所述，化学实验室仪器设备与材料的自动化管理系统包括实验室信息管理系统、化学药品材料管理系统和仪器设备维护校正管理系统等三方面内容。上述管理系统的主要部分为应用计算机的智能数据库技术编写的专用管理软件和存储在数据库内部的动态数据。管理系统的功能包括数据的动态输出和输入（开放性数据库），信息的自动化控制等。8.2.1实验室信息自动化管理系统实验室信息自动化管理系统(Laboratory Information Man

8、agement System, LIMS)主要用于化学实验室中人事、设备、材料、任务、数据等信息的自动化管理。如人员组成和责任分工，设备的规格、数量、生产厂家和工作状况，实验室各种试剂材料的储备数量、采购计划和使用处理方案、实验室承担的任务计划和完成情况、实验室研究成果、实验报告和出具鉴定文件等管理工作。这些烦琐复杂的工作经由计算机处理之后，可以减轻实验室工作人员的工作量，提高工作效率和工作的准确性。绝大多数LIMS软件都是用数据库语言编辑成或者说是建立在数据库操作平台上的，如dBase，FoxBASE等。程序编辑过程通过将需要存储处理的信息分类成信息条，根据信息的性质设计词条的长短、属性、格

9、式和精度等，再通过计算、排序和搜索等命令在词条之间建立有机联系，最后通过包装、建立操作界面和确立输出格式等过程构成完整的LIMS应用软件。这类软件一般都具有如下功能：1实验室信息数据的输入输出功能：由于该系统管理的是实验室内部产生的各种信息，信息的及时输入成为系统的首要任务，即可以随时将变化的信息输入到计算机中。完成上述任务要求系统必须具有良好的开放度和方便的输入界面。为了充分利用该系统对实验室工作的知道作用，柔性度高的结果输出功能也是重要的。计算机通过信息间的相互关系，自动将上述变化的输入信息反应在相关信息的变化上。经过计算处理的实验室信息可以随时根据实际需要，按照设定的格式打印或以其他形式

10、输出，用于制作各种报告、报表等。2实验室信息数据的检索功能：及时、准确地了解存储在数据库中的动态信息是实验室信息自动化管理的前提，因此检索实验室信息数据是该系统的必备功能。在LIMS软件的建立过程中，需要通过已知信息与检索信息建立相互关系，由计算机进行对数据库中的数据信息进行搜索查询，有时还要进行加工处理，完成自动检索、计算和查询，给出需要的特定数据信息。目前很多数据库编辑平台都提供建立各种检索方法的功能。良好的信息数据检索功能可以保证实验室工作人员随时了解掌握实验室工作动态。3信息提示和实验室自动化管理功能：为了充分开发利用计算机的交互式功能，提高实验室自动化管理水平，某些LIMS软件具有信

11、息自动提示功能，如某种材料或试剂消耗到临界值以下时，或者某种化学药品存储条件不符合安全规范时，某些材料临近或超过保存期时计算机能及时给予提示警告；当与其他通讯和控制设施相结合时，还可以根据事先设定的程序，在必要时进行实验室的自动化管理，如药品材料的订购、加工处理，实验过程的自动执行、检测和结果打印等。上述各项是对LIMS软件的基本要求。当前适合于化学实验室使用的国内外LIMS专用软件有许多种，有些是各实验室或大学等教学和研究机构自主开发的软件，更多的是由一些化学软件公司开发的商业软件。获取上述软件或软件购置信息可以通过美国化学会的ChemCenter网站（rg）了解。其中通过LabGuide（

12、http:/www. labguidebuyers.ims.ca/search/default.asp）的化学软件检索功能可以链接很多化学软件提供商，提供软件信息或者直接下载共享软件。LabGuide中的软件目录中有专门的实验室信息管理系统(LIMS)部分。根据使用目的和使用环境不同，软件的功能和类型也各种各样。实验室信息管理系统软件、硬件的开发和应用已经引起国际上生产和研究领域的广泛关注，目前国际上每年召开一次LIMS学术讨论会，99年的国际LIMS年会暨软件产品展览会于6月23-25日在瑞士的巴塞尔会展中心举行。其中主要议题包括LIMS与质量标准发布、标准化的关系，LIMS与生产管理系统的

13、结合，LIMS与技术进步和实验室全自动化的关系，LIMS与网络技术，LIMS和无纸化实验室（电子订购和电子化检验报告），LIMS的结构与功能分析等。从内容中可以看出LIMS当前的发展状况和发展趋势。当前比较典型的LIMS软件有Advanced Chemistry Development Inc.公司推出的ACD/SLIMS（带有光谱数据库），Applied Computer Systems公司推出的ACS LIMS, Karl Blome KG公司推出的InfoLAB, Dynamic Databases 公司推出的LabMaster和SYSWARE Healthcare Systems公司的

14、PowerLab软件等。由于各软件的开发环境不同，使用方法也各不相同，加上价格和信息方面的原因，上述软件产品在国内应用的还不普遍。国内使用较多的是一些各大学和研究机构自己开发的LIMS软件，在功能上还有待于进一步提高。总之目前来看还没有一种类型的软件在国内使用中占据较大份额。有关该类软件的使用方法请参阅相关产品的使用说明，或者通过上面介绍的网站上提供的相关信息获取该类软件产品的性能指标。8.2.2 化学药品与材料管理系统在现代化的化学实验室中，包括各种有机和无机合成实验室、分析测试实验室、生物化学实验室等都存储和使用数量极大的各种规格的化学试剂、溶剂和实验材料；同时各种实验室还有大量合成产品和

15、中间产物需要保存、管理和使用，它们不仅数量众多，规格各异，品种繁杂；而且由于性质和稳定性方面的原因，在存储条件、使用范围、安全事项方面有相当大的差别。化学实验室对于上述化学药品和材料的管理是一项要求很高的技术性任务。在化学实验室中利用计算机技术，采用特定的专用应用软件对上述物质进行动态管理可以提高实验室管理水平，具有经济和社会意义。化学药品与材料管理系统(Manage Chemical Inventory system, MIS)是完成上述任务的一类有效软件工具。以ChemSW软件公司出版的CISTM标准版和增强版软件为例，一般这类软件具有的功能包括：1存储相关的化学信息：采用该软件可以将实验

16、室使用的或者关心的相关化学试剂和化学物质的CAS登记号、结构式、物理性状等信息输入计算机储存。上述信息数据供使用者需要时查询。2存储相应试剂与材料的保存和供货信息：在软件中可以输入化学材料的来源信息，包括化学药品和材料的供货商、价格、包装和质量规格等信息。根据上述信息指导化学材料和试剂的购置和补充。3存储安全信息：将化学药品的危险信息和保管方法输入软件，如化学药品的危险等级、危害方式，存储要求及处理方法等。当处理、使用这些化学药品时供使用者参考。4存储化学药品的状态信息：如药品名称、存放地点、质量状态等。根据上述信息随时掌握药品的库存信息。在需要时可以提供多种报告形式，供管理部门使用。5提供多

17、种格式进行数据输入与输出的接口：输入的数据可以从dBase、Text和Paradox格式软件输入，并自动转换成软件需要的标准格式。数据输出也可以用文本方式，或者以表格方式。6提示与警报功能：根据输入的各种信息进行分析判断，软件可以定期提供存量报告，超过存储量和存储期危险提示，定期安全检查提示，泄露报警（配用敏感器）等功能。协助实验室人员进行更为科学的管理。7放射性物质存储信息提示：根据需要，软件可给出放射性物质的名称、半衰期、当前放射性活性值等数据，并根据需要输出相应报告。上述软件当前的价格在700-900美元之间。MIS软件也是数据库类软件，构筑方式和软件结构也与LIMS软件相类似。一般在数

18、据条目的长短、属性、格式和精度等参数设定之后，还要根据化学药品的安全性能、稳定性和实验室使用要求等设定一些阈值，在超过阈值时能够给出提示或报警。同样，在各条目间要建立必要的相互关系，能够动态地反应数据的变化。有些还需要设定检测系统，如有效期记录，泄露检测等。为了方便使用，目前还开发出与计算机系统相连的手持式数据输入收集器、条形码打印和阅读器等，大大提高工作效率。鉴于化学药品和材料安全性是一个相当复杂和重要的内容，目前还有各种专门的软件用于处理化学药品与材料安全管理的任务，如ChemSW软件公司有MSDS(Material Safety Data Sheets) CD-ROM, MSDS Dig

19、ital Filing Cabinet, MSDS Report Manager等专用软件和计算机阅读材料供选购。使用该类软件所包括的工作有实验室化学药品数据的输入，实验室药品相关数据的检索和输出各种格式的报告三个方面。该类软件都是开放性的，给使用者留有较大的开发空间，在很多情况下可以根据使用者的具体需求和实际情况添加和修改某些条目。8.2.3 仪器设备维护校正管理系统目前在各类化学实验室中使用的仪器设备越来越多，越来越复杂，如何使用和维护好这些价值不菲的仪器设备，使其花费最小的代价，发挥最大效益，显然是实验室工作人员的重要职责。计算机辅助仪器设备维护校正系统 (Instrument Main

20、tenance and Calibration System, IMCS) 在这方面可以起到良好作用。这类软件从分类上也属于实验室信息自动化管理系统，其服务对象是那些结构复杂、维护难度大的实验室仪器设备。相当于一个动态的电子化仪器设备维护校正记录本。仍以ChemSW软件公司的产品IMCS Pro 2000为例，该软件是基于WINDOWS操作平台的仪器设备维护跟踪记录软件，供实验室工作人员和设备维护人员记录跟踪仪器设备的使用、维修和维护过程，并给该类人员的仪器设备维护校正工作提供参考数据。该软件能够将一个任何规模实验室的所有不同种类的仪器设备使用状况、维护和维修过程、当前技术参数等记录在一个动态

21、管理软件内。该软件能够保存每一台仪器设备，甚至是一个零部件的详细信息，如产品的系列号、财产登记号、状态描述、型号、生产厂和销售商信息、使用注意事项和仪器设备类型等；而且还可以记录仪器设备的安装和使用位置、目前状态（如良好、带病使用、待修、报废等）、管理单位和使用者姓名、电话、住址，以及使用说明书的存放位置等信息。该软件的功能还包括记录在使用过程中仪器设备出现的任何问题和故障，当需要时可以立刻列出记录的所有存在问题和故障现象，供维修人员参考。当故障排除后利用该软件可以记录诸如维修方法、人员、时间和维修费等内容，并与发生的故障现象相关联，为今后维护与维修提供参考。这些功能对于仪器设备的定期维护、校

22、正和检查是非常有用的信息。该软件还提供自动日历提示功能，提示某仪器设备的定期维护和检查时间。这些功能对于实验室仪器设备的日常管理是非常必要和有效的。当然，该软件能够提供的服务取决于使用者在使用过程中给软件提供的信息是否及时和完整。因此及时将上述信息输入计算机是软件使用过程中最重要一环。特别是软件中的数据进行及时更新是保证软件效能的必要条件。8.3实验数据的计算机化收集处理在各类化学实验室中，都需要使用大量分析测试仪器。在分析测定过程中获得的大量分析数据一般都需要进行收集并加工处理。根据分析测试仪器和分析方法的不同，实验数据也是多种多样的。如化学分析中的重量、容量、色值等，电化学分析中的电导、电

23、压、电流等，光谱分析中的波长、频率、相位等，热分析中的热导、热失重等，色谱分析中的保留时间、峰高和峰面积等，以及各种物理常数测定中的各种信号值。上述实验数据不仅表现形式不同、单位各异，而且有时还受到其他信号的干扰。因此上述信号一般必须经过收集和适当处理才能成为有用的分析数据。处理上述信息的科学被称为化学计量学。实验数据的收集与处理包括手工收集处理、机械收集处理和计算机收集处理三种方式。利用计算机进行实验数据的收集和处理，具有快速、准确和可以自动化的特点。用计算机进行实验数据的收集与处理是分析测试过程计算机化的重要组成部分（另一部分是分析仪器设备的计算机自动控制）。计算机化实验数据的收集处理还可

24、以划分成实时收集处理和分时收集处理，前者表示实验数据的收集与处理同时进行，是当前发展的方向。由于计算机技术的发展，目前不仅能够对诸如色谱、红外、紫外可见、核磁共振、原子吸收和发射光谱、X-光衍射等自动化程度高的分析仪器产生的数据进行实时收集处理，而且对各种湿化学、电化学分析法产生的实验数据也能够进行自动收集和处理。实验数据的计算机化处理系统，是由以专用接口电路硬件和数据处理软件，以及计算机和分析仪器共同构成的综合体系，其中建立接口电路和编写或使用数据收集处理软件一般是属于实验室工作人员的工作内容或其中的主要参与者。根据使用目的不同可以将该系统划分为以下两部分：8.3.1 实验数据的收集和分析利

25、用计算机进行实验数据的收集与分析需要完成以下任务：首先要将仪器设备获得的分析信息完整准确地由连续的模拟信号，如电压、电流、波形等转换成计算机能够识别处理的离散的数字信号；其次是通过电缆和接口电路将数字信号完整准确地传送给计算机。最后是需要对收集到的信号进行识别处理，以区分随机噪音和有用实验信息。将模拟信号转换成数字信号需要一种称为A/D模数转换器的硬件设备，模数转换器的主要功能是将输入的模拟信号VA相对于模拟参考量VR转换成数字化输出量D。一个理想的模数转换器其输入与输出的关系要满足： VA = D VR模数转换器都有集成化的商品电路出售，可以根据需要收集信息的具体要求，如信息传输速度、测量精

26、度、测量范围等进行选择。根据工作方式不同，常用的模数转换器主要有以下四种类型：记数方式A/D模数转换器、逐次逼近方式A/D模数转换器、双积分方式A/D模数转换器和并行转换方式A/D模数转换器。除了那些自身带有计算机的大型分析仪器自身结构中已经带有模数转换装置以外，在实验室中进行数据收集都需要在分析仪器与计算机输入端口之间加入模数转换器，将分析测试得到的连续模拟信号转换成对应的数字信息供给计算机进行处理。为了保证数据收集传输的可靠性，在计算机与分析仪器设备之间还需要一定的含有缓存器、计数器、控制器等电路的电子部件，负责数据的输出输入控制，称为接口电路。根据数据传输方式的不同，有并行输出输入接口(

27、PIO)和串行输出输入接口(SIO)。它们与模数和数摸转换器一起构成分析数据接口设备。目前还有一些新型接口电路在实验数据收集中被采用，如通用串行总线接口(Universal Serial Bus, USB)，可以将多种设备通过星型集线器与计算机连接，不仅连接的仪器数目不受计算机接口数目的限制。而且传输速率比常规串行和并行接口都高。在某些高档和高速数据传输设备中还有采用小型计算机接口系统(small computer system interface, SCSI)，用以提高实验数据的传输速率和可靠性。计算机数据收集处理系统的另一个任务是对干扰信号的排除和分析信号的识别。由于各种各样的原因，从分析

28、仪器得到的信息中总会含有或高或低的噪音信号，干扰分析数据的处理，因此必须要利用信息识别技术，采取措施排除噪音信号，提高有用分析信号的识别率。消除噪音信号的方法主要有两种：一种是利用电子滤波线路进行硬件噪音滤除。一般需要在实验数据被模数转换之前进行。另一种是计算机数值消噪法，是通过计算机软件对信号进行函数运算消除噪音，需要在实验数据被模数转换之后进行。这种方法需要编制特定的计算机程序。根据运算方法不同，函数运算消除噪音法包括平滑法(smoothing)、累加平均法(averaging)，其中平滑法还可以分为移动平均法，代数拟合法、适应平滑法和频率域平滑法等方法。其基本根据是噪音一般都是无规则的和

29、随机出现的突发信号，而分析信号多为有规律的渐变信号。当然，对于那些特殊的分析信号也要采用特殊的方法来进行消噪处理。经过消除噪音处理之后即可进行分析信号识别。分析信号识别就是让计算机将分析信号与噪音信号区别开来。常用的识别方法主要有基线带法和斜率法，其理论依据分别为当信号值大于噪音平均值若干倍时确定为分析信号和当两点间信号斜率大于某个确定值时确定为分析信号。有时，如在色谱数据处理中还采用最小峰面积来区分有效分析数据。分析信号识别在很大程度上是由操作者根据仪器特性和分析的实际样品情况决定的，有一定的主观随意性，选择何种信号识别方法需要操作者对收集得到的化学信号性质有较深刻的理解。随着计算机技术的迅

30、速发展，近年来个人计算机的计算能力已经得到几十倍的提高，而价格则相对下降。因此选择个人计算机进行实验数据的收集与处理已经完全能够胜任。此外，计算机在各个化学实验室的迅速普及，除了那些为了刻意为了降低造价而选择单板机等少数情况外，使用个人计算机担当数据收集和处理任务已经成为趋势。8.3.2 分析数据的计算机化处理对通过上述手段获取的实验数据进行计算机化处理从广义上讲包括两方面的内容：一方面是通过对原始实验数据的测定、计算等处理过程，获取有效分析参数，如色谱分析中通过对色谱图的计算处理得到保留时间、峰高、峰面积、半峰宽等参数。另一方面是对某些不可辨别的原始数据进行某些数学处理，使之成为可以辩读的正

31、常数据，如在傅立叶变换红外分析(FT-IR)中采用傅立叶变换技术处理红外干涉图，将其转换成正常的红外光谱图的过程。前者属于分析数据的后处理过程，目的在于获得有效分析参数。后者则从方法上根本改变分析测试过程。1实验数据的后处理过程：实验数据的后处理过程常常根据采用的实验仪器不同、分析方法不同和分析目的不同而不同，但是最常见的处理过程一般都包括信号强度确定（峰高）、峰位置确定（横坐标位置，包括相对距离）、峰面积计算（曲线横坐标与纵坐标的积分值）、峰宽测定，以及其他参数的计算等。用计算机测定峰位置通常采用的方法包括峰顶法、微分法和二次微分法。其中峰顶法是依据强度（纵坐标）最大时横坐标所在位置确定为峰

32、位置，微分法则利用对曲线求导数时其值为零时确定为峰在横坐标所在位置，二次微分法是根据二次微分曲线最小时所在位置确定峰位。其中二次微分法的抗干扰能力比较强，适合复杂样品的分析。峰高确定方法包括峰顶法、平均峰高法和代数拟合法，分别适应于不同情况。其中代数拟合法适合于重叠峰高的处理。峰面积的处理方法种类更加多样，需要根据实际情况加以选择确定。实验数据的后处理一般都是在信号经过模数转换后通过应用程序来解决。这类应用程序的编制过程包括确定处理方法、给出数学处理过程、编制应用程序这样三个步骤。2实验数据变换方法：上述数据处理方法是在不改变分析测定方法的前提下对实验数据进行处理，求得有用的分析参数或者提高分

33、析精度。然而，采用某些数学方法还可以改变或简化分析过程，提高仪器的性能和工作范围。其中最具典型意义的是傅立叶变换技术在分析化学方面的应用。目前傅立叶变换红外(FT-IR)，傅立叶变换质谱(FT-MS)和傅立叶变换核磁共振(FT-NMR)已经成为该领域高档仪器的主流。以红外波谱仪为例，常规的分析仪器为了得到不同波长下的吸收波谱，需要采用单色器和频率扫描过程，因此获得一个完整的图谱需要较长时间。采用傅立叶变换技术后，分析仪器可以不经过扫描，在一定范围内将电磁波能量同时作用于样品，并将观测到的时间域波形数据，通过傅立叶变换进行快速数学处理，转换成习惯上的频率域图谱。傅立叶变换技术的引进不仅大大简化了

34、分析仪器结构，消除了单色器和扫描过程，而且大大提高分析速度和灵敏度，使之可以与色谱等分离型仪器联用，构成功能强大的复杂体系定性定量分析系统。由于傅立叶变换技术需要在很短时间内进行大量复杂数学计算，因此计算机在其中起着不可替代的作用。傅立叶变换红外光谱是将红外光双光束的干涉图通过计算机进行数学变换，复原为频率域的常见红外图谱。其干涉图谱函数与变换后频率域图谱函数的关系如下： 将实验信号通过上述关系进行变换即称为傅立叶变换技术。由于经过A/D转换后计算机收集得到的数据是离散的，因此在计算方法上与常规方法也有所区别。下面是用BASIC语言编写的Sande-Tukey 快速傅立叶变换算法程序。除了通过

35、该程序了解计算机解决傅立叶变换的数学方法之外，在需要对分析信号进行傅立叶变换处理时该程序具有参考意义。100 DEFINT G-Q:I=0:J=0:K=0:P=0:L=0:H=0:G=0:Q=0110 N=128:M=LOG(N)/LOG(2)120 DIM XR(N),XI(N),S(N/2),C(N/2)130 A=0:B=3.141592*2/N140 FOR I=0 TO N/2150 S(I)=SIN(A):C(I)=COS(A):A=A+B160 NEXT170 ,180 , *FF*190 ,200 L=N:H=1210 FOR G=1 TO M:L=L/2:K=0220 FOR

36、 Q=1 TO H:P=0230 FOR I=K TO L+K-1: J=1+L240 A=XR(I)+XR(J):XI(I)=XI(I)+XI(J)250 XR(I)=XR(I)+XR(J):XI(I)=XI(I)+XI(J)260 IF P=0 THEN XR(J)=A:XI=(J)=B: GOTO 280270 XR(J)=A*C(P)+B*S(P):XI(J)=B*C(P)-A*S(P)280P=P+H:NEXT290K=K+L+L:NEXT Q300 H=H+H:NEXT G310 , BIT-REVERSAL320 J=N/2330 FOR I=1 TO N-1:K=N340 IF

37、 J<I THEN SWAP XR(I), XR(J):SWAP XI(I),XI(J)350 K=K/2:IF J>=K THEN J=J-K:GOTO 350360 J=J+K370 NEXT380 RETURN与傅立叶变换红外光谱法中红外光连续照射不同，在傅立叶变换核磁共振(FT-NMR)中外加射频是短促脉冲，脉冲过后得到样品自旋系统的相应自由感应衰减讯号FID，FID信号经过傅立叶变换后得到正常的核磁共振谱图。傅立叶变换质谱(FT-MS)利用离子回旋共振原理进行质谱分析，FT-MS将离子源、质量分析器和离子接受器合为一体，分子碎片检测用立方体分析池完成。在接受板上得到的离子

38、激发衰减信号(IED)(时间域函数)经傅立叶变换得到频率域的正常质谱图。从上面介绍可以看出，采用了傅立叶变换技术之后，红外光谱仪消除了单色器和波长扫描装置，红外光谱数据可以在一瞬间得到。核磁共振和质谱也可以免除扫描时间的限制，通过傅立叶变换技术直接从瞬时得到的FID或IED信号得到相应的核磁共振图和质谱图。由于测定时间的大大缩短，可以采用多次测定进行信号累加的方式提高仪器的灵敏度。由此可见，傅立叶变换技术不仅提高了分析仪器的性能（灵敏度提高，分析速度加快，可分析范围加大），而且大大简化了分析仪器的结构，利用计算机的计算能力替代了许多硬件功能（如IR的单色器、扫描装置，MS的磁场和电场扫描装置等

39、），甚至能够完成采用常规仪器所无法完成的任务（如多维核磁共振、多次累加、与色谱联用等）。在数据变换技术方面，除了傅立叶变换技术以外，当前还有其他一些数学方法应用到化学分析测试中。其中研究最多，最有应用潜力的是小波变换技术。同样可以将时间域信息转换成频率域信号。对上述内容有兴趣的读者请参阅相关文献和书籍。8.4 化学数据库技术在分析化学实验室中的应用数据库技术是现代化学实验室中重要的技术之一。众所周知，在化学实验室的日常工作中查找相关化学数据耗费了大量时间和精力。常规实验室中为了满足上述需求都备有各种各样的手册供随时查询。对于化学实验室日常产生的大量化学信息，如合成产物和中间体的相关信息，需要精

40、心收集和整理，以备需要时查询。随着计算机技术的发展和普及，采用计算机技术承担数据收集、整理、存储和查询任务成为可能。完成上述任务就需要计算机数据库技术。化学实验室中常用的数据库技术包括数据库的建立和维护技术，化学数据库的使用技术。两者对于化学工作者来说都具有重要意义。数据库的建立和维护技术涉及到计算机编程技术，需要用到许多数据库语言编辑平台或通用数据库平台，如目前比较流行的微软公司产品Excel等。这些软件的使用在大学理工科教学中在计算机应用基础课程中讲授，此外也有大量的专门书籍介绍，虽然这方面的知识对于化学工作者非常重要，在本章中仍不作为重点。数据库的使用技术，特别是化学专用数据库的使用技术

41、是是本节的内容之一。根据用途划分，化学实验室常用的数据库包括化学物质结构信息数据库、物理化学数据库和分析化学用光谱数据库三类。根据数据库中存储的信息来源进行划分还可以分成自建数据库和商业数据库，或者两者兼而有之的开放式商业数据库。8.4.1 化合物信息数据库在化学实验室中经常使用或制备的化合物需要了解其物理化学性质和结构信息，在文献中得到的信息也希望简要地保存下来，自己合成的化合物或者中间产物的相关信息也需要妥善整理保存，与自己感兴趣的研究领域相关的化合物信息也是日常收集的对象。以往这些记录这些信息需要进行手工操作。利用计算机数据库技术可以更好地完成上述工作。目前有许多数据库软件用于上述目的。

42、比较著名的有MDL公司的ISIS/Base和CambridgeSoft公司的ChemFinder Pro。两个软件的基本功能类似，其中ChemFinder 是著名化学软件套装ChemOffice中的一个组件。该软件主要功能是进行化合物信息管理，作为化合物信息管理软件，提供存储化合物结构、物理性质、化学性质、光谱数据等。其作用完全可以替代以往化学工作者的记录卡片。与其他两个组件ChemDraw和Chem3D相结合，可以用ChemDraw绘制分子结构，用Chem3D观察三维空间构型，用ChemFinder 存储相关信息。软件提供存储化学信息表的模板，你可以直接使用它们填入你的数据；你也可以根据需要

43、制作你自己喜欢的数据表，提供相当大的柔性。在查找数据时可以使用你填入的多种信息作为检索因素，包括分子结构、分子式、分子量、关键词、序号，甚至是分子的部分结构。这类数据库中存储的信息主要来源于操作者本人和同事，因此我们称这类数据库为自建数据库。除了自建数据库之外，还有一类内部预先存储大量化合物或化学反应相关信息的化合物信息数据库，一般来说这类数据库的规模更大，存储的信息更多。但是信息中可能会有很大一部分与自己关系不大，因此专一性不强。美国信息科学研究所ISI的产品ChemPrep就是一种以化合物合成信息为对象的数据库。为了弥补这个缺点，也有一些软件公司生产了一些专门存储某一类化合物的专业性数据库

44、，如药用数据库、毒物数据库等。还有一些规模更大的化合物数据库，多数运行在大型计算机上，需要通过计算机网络进行查询，这部分内容已经不属于本章范围。8.4.2 光谱信息数据库这里所指的光谱数据库是以应用与化学实验室的，专门存储化合物光谱（色谱）数据，用于辅助化合物分析鉴定的计算机化数据库。其作用相当于以往红外光谱卡片或手册等。这类数据库也有两种类型，即以收集操作者自己最关心化合物的自建数据库和事先已经存储好信息的通用型数据库。确定有机化合物的分子结构是分析化学中的一项极为重要，而又难度极大的工作，特别是对于复杂分子的结构鉴定往往需要昂贵的仪器设备，并要耗费大量时间和人力。即使这样仍有许多化合物的定

45、性定量分析成为化学实验室难于解决的问题之一。有机化合物的种类繁多，目前已经发现的种类已经超过了两千万种以上。同时，由于有机化合物中碳原子的多价性和四面体构型，使其能够产生相当复杂的空间结构。因此进行有机化合物的结构分析一直是分析化学领域中最具挑战性的工作。有机化合物的分子结构鉴定工作主要依靠以下几种方法：一种是通过与已知结构化合物的物理化学参数对比，测定数据与其完全相同时认为其结构也相同。这种方法需要收集比较全面的物理化学数据，分析测定条件要保持严格一致，对没有收集到详细数据的，或者新发现的化合物无法应用该方法。另一种是通过对测定数据进行分析、解释，推演出分子结构。这种方法几乎适用于所有有机化

46、合物。但是由于当前化学理论还不完善，在实际应用时许多物理化学数据与分子结构之间的关系还不十分明确，还无法保证能够获得完全准确的分子结构信息，目前还不能广泛使用。此外，经典的分析测定与合成、降解反应相结合的方法仍然在使用。由此可见，尽管第一种方法存在着一定局限性，但是仍然是目前最常使用的鉴定方法。积累尽可能全的标准结构参数数据库与建立完善准确的分析解释理论同样是有机化合物结构分析的主要发展方向。本世纪中叶以来，由于红外、紫外可见、核磁共振和质谱等波谱分析方法的创立，给有机化合物的结构鉴定提供了强有力的分析工具，被称为分析化学的“四大光谱”。由于波谱分析方法对有机化合物的结构特征反应灵敏，相关性强

47、，定性准确，已经被广泛应用于有机化合物的结构分析。目前所常说的用于分子结构分析的标准参数数据库主要是指“四大光谱”数据库。经过科学家长期艰苦努力，目前已经建立了多种波谱数据库，收集的标准化合物谱图已经达到几十万到近百万张。虽然庞大的波谱数据库给分子结构鉴定创造了良好条件，但是数量如此庞大的标准数据库也给检索查询带来相当大的困难。采用计算机数据库技术是解决这一问题的最好方法。计算机波谱数据库可以将输入的被测物波谱图与数据库中数量巨大的标准谱图进行一一对照，可以在几分钟，甚至几秒钟的时间内完成对照检索任务，而人工完成同样任务往往需要花费几天的时间。上述带有庞大波谱数据库的计算机系统被称为计算机辅助

48、波谱检索系统。利用计算机进行标准谱图检索和进行未知物谱图与标准谱图的对比分析必须具备以下条件：首先应该拥有包括大量标准分析数据的，具有严格相互关系的，可以由计算机识别检索的计算机化数据库。其次是建立具有智能检索、谱图对比、显示输出等功能的软硬件系统，最后是拥有可以自动或手动输入计算机的样品分析测试数据（通过实验数据收集与处理过程）。建立这样一个系统需要完成以下工作：1数据源的建立：计算机辅助波谱检索系统是依靠数据库中存储的纯化合物标准谱图作为基本信息构成的，并按照设定程序进行检索。数据库检索系统的性能如何首先取决于数据库的质量，而数据库的质量在很大程度上取决于数据源即标准谱图的质量。对数据源一

49、般有两个要求，首先是存储的所有谱图质量必须是可靠的，要求使用的标准化合物纯度要达到一定要求，测定条件必须固定并标准化。所用仪器设备必须进行必要的校正。使用文献或其他来源的数据要格外慎重，最好要经过重测验证。只有通过严格程序得到的数据才能保证数据库的质量。其次是数据库中包含的波谱数据要有一定的量和合理分布。当然，数据库中收集的数据越全越好，这样它的检索定性能力就越高。但是想把所有逾千万的化合物统统收集是不现实的，因此对收集的标准谱图应该有所选择。对于那些一般用途的通用数据库应该包括尽可能多但是没有重复的谱图，但是考虑检索的方便，要进行必要的分类，数量太少将没有实用意义。对于那些具有特定目的的专用数据库，如药物数据库，则需要将本领域的谱图收集完全，而不必要单纯追求数据数量。专业型数据库比较适合各种专业化学实验室使用，也比较适合自己建立和管理。2对收集的谱图进行编码处理：我们知道，计算机只能处理离散的数字信号，对收集的波谱图必须进行编码处理，使之成为计算机可以接受和处理的形式。对波谱数