化学计量学第-章2010-1

1、化学计量学及其应用分析化学教研室郑行望第一章、绪第一章、绪 论论1、分析化学的特点和发展现状、分析化学的特点和发展现状2、化学计量学在分析化学中的作用、化学计量学在分析化学中的作用3、化学计量学解决什么样的问题及如何解决问题、化学计量学解决什么样的问题及如何解决问题4、化学计量学的定义和发展历史及国内现状、化学计量学的定义和发展历史及国内现状5、化学计量学的内容和特点、化学计量学的内容和特点6、本课程的目的及主要内容、本课程的目的及主要内容一、分析化学的发展一、分析化学的发展 20世纪初，四大溶液平衡理论使分析化学从一门技术发展成一门科学 。 20世纪70年代以来，以计算机应用为主要标志的信息

2、时代的来临，使分析化学经历了仪器化、计算机化、智能化、信息化等各个阶段，发展成为一门建立在化学、物理学、数学、计算机、精密仪器制造科学等学科之上的综合性的边缘学科。 现代分析化学的特征现代分析化学的特征 测试数据的多维化、海量化； 分析软件固化在分析仪器中，使得分析仪器高度智能化，提高了对仪器使用者的要求； 目前分析化学工作者面临的难题是如何从大量的数据中提取有用的化学信息以解决相关的实际问题。当今仪器分析发展具体表现有以下几个方面：当今仪器分析发展具体表现有以下几个方面： 1. 1.更高的灵敏度（如单分子分析）；更高的灵敏度（如单分子分析）； 2.2.更好的选择性；更好的选择性； 3.3.超

3、微空间（如纳米尺度）更高的准确性；超微空间（如纳米尺度）更高的准确性； 4.4.更快的分析速度；更快的分析速度； 5.5.更高的自动化程度；更高的自动化程度； 6.6.更完善的多元分析能力；更完善的多元分析能力； 7.7.更可信的形态分析；更可信的形态分析； 8.8.实现无损分析；实现无损分析； 9.9.原位原位(in situ),(in situ),活体内活体内(in vivo),(in vivo),实时实时real time)real time)分析；分析；二、化学计量学与分析化学二、化学计量学与分析化学 化学计量学先驱B.R.Kowalski宣称： （1）分析化学已由单纯地提供数据上升到

4、从分）分析化学已由单纯地提供数据上升到从分析数据中获取有用的信息和知识，成为实际问题析数据中获取有用的信息和知识，成为实际问题的解决者，发展成为工业过程控制和生命过程控的解决者，发展成为工业过程控制和生命过程控制的重要组成部分制的重要组成部分。 （2）化学计量学中的很多问题是分析化学的基）化学计量学中的很多问题是分析化学的基础性问题，它础性问题，它构成构成分析化学第二层次的基础理论分析化学第二层次的基础理论的重要组成部分的重要组成部分 。三、化学计量学解决什么问题？三、化学计量学解决什么问题？方法选择 预处理 实验 传统化学 数据处理 结果解释 化学计量学化学计量学研究化学量测过程中的共性问题

5、化学计量学研究化学量测过程中的共性问题(如实验设计、优化；数据分析、信息提取等）如实验设计、优化；数据分析、信息提取等） 形成分析化学系统形成分析化学系统 采样理论采样理论 研究如何获取物质研究如何获取物质量量的代表样；的代表样； 样品的物理样品的物理-化学处理化学处理- 量量从样品到试样的转从样品到试样的转移；移； 分析试验设计分析试验设计研究最佳的分析研究最佳的分析量量的程序和方法；的程序和方法； 信号的检测、识别和处理信号的检测、识别和处理 准确运用准确运用量量产生的信号；产生的信号； 校正理论校正理论-建立建立量量和信号的定量关系；和信号的定量关系； 数据的处理数据的处理-测测量量结果

6、的科学的统计处理；结果的科学的统计处理； 信息的提取信息的提取提供以提供以量量为核心的多维信息。为核心的多维信息。化学计量学怎样解决问题？化学计量学怎样解决问题？ 利用近代数学理论、统计学方法数学理论、统计学方法建立信息挖掘和信息挖掘和数据处理方法数据处理方法； 利用计算机技术处理信息处理信息； 利用相关的背景知识抽提有用的、重要的信息或信息或特征特征。 四、化学计量学定义和发展历史四、化学计量学定义和发展历史 化学计量化学计量学学(chemometrics)是一门新的化是一门新的化学分支学科，它应用数学、统计学、计算学分支学科，它应用数学、统计学、计算机及其他相关学科的理论和方法，去优化机及

7、其他相关学科的理论和方法，去优化化学测量过程，并从化学量测数据中最大化学测量过程，并从化学量测数据中最大限度地获取有用的化学信息。限度地获取有用的化学信息。 Brown（1995）指出： 化学家习惯于将99的精力与资源用在数据的收集上，只余下1%用于将数据转化为信息。 这种与信息时代的观念相悖的习惯应通过化学教育加以改变。化学计量学发展简史化学计量学发展简史 瑞典Svanto Wold于1970年首次应用它解决科研课题； 1974年Wold与Kowalski成立国际化学计量学学会，学会刊物J. Chem. Inf. & Comput. Sci.； 1978年国际分析学会每两年发表关于“

8、Chemometrics”的特别综述； 1987年美国与欧洲同时出现两个国际化学计量学刊物：“J. Chemom”与“ChemLab”； 国内从80年代初起，以俞汝勤院士为首的分析化学工作者开始这方面研究； 化学计量学的方法与理论应用到现代分析仪器。 湖南大学（俞汝勤院士湖南大学（俞汝勤院士湖南大学化学生物湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室）传感与计量学国家重点实验室） 中南工业大学中药现代化研究中心（粱逸中南工业大学中药现代化研究中心（粱逸曾教授）曾教授） 南开大学（化学系邵学广教授）南开大学（化学系邵学广教授） 同济大学（化学系李通化教授）同济大学（化学系李通化教授） 长春应用化学

9、研究所（许禄研究员）长春应用化学研究所（许禄研究员） 兰州大学（化学系刘满仓教授）兰州大学（化学系刘满仓教授）（1）化学计量学带来思维方式的革命；）化学计量学带来思维方式的革命；（2）实验员、实验设计者、问题分析和解者；）实验员、实验设计者、问题分析和解者；（3）有助于发展出新的分析方法（）有助于发展出新的分析方法（Imaging）；）；（4）有助于提高解决复杂问题能力（癌症检测）；）有助于提高解决复杂问题能力（癌症检测）；（5）为智能分析仪器的设计提供新的思路；）为智能分析仪器的设计提供新的思路；（6）便于快速理解、掌握现代分析仪器（如）便于快速理解、掌握现代分析仪器（如GC、HPLC、IR

10、、NIR）。）。学习化学计量学的益处学习化学计量学的益处 五、化学计量学内容和特点五、化学计量学内容和特点化学计量学构成了化学量测化学计量学构成了化学量测的基础与方法学的基础与方法学 化学计量学的特点 多学科的“接口”； 理论与方法高度抽象、而要解决的问题是具体的、复杂的且涉及到很多学科； 以计算机软件为载体实现其应用。 化学计量学与现代分析仪器 红外仪（IR）专家智能系统的应用 近红外（NIR，Near Infrared ）校正理论，模式识别理论的应用 高效液相色谱（HPLC）、气相色谱化学校正理论的应用 本课程的目的 掌握实验方案的设计、实验数据处理方法，确定使目标最优的实验条件； 了解数据、信息的解析和抽提方法； 了解化学校正理论与常用方法； 了解模式识别理论与常用方法； 具备应用数学理论和计算机技术解决与具备应用数学理论和计算机技术解决与化学相关问题的能力化学相关问题的能力。本课程的主要内容 第一章 绪论 第二章 误差及实验数据数理统计基础 第三章 各类试验方案的设计与优化方法 第四章 多元校正（化学校正理论与主成分分析应用） 第五章 模式识别及其应用简介思考题 如何选择合适的化学计量学方法以及如何使用这些方法解释所获得的这些结果。主要参考书目 刘树深，易忠胜，基础化学计量学，科学出版社，1999 方开泰，均匀设计与均匀设计表，北京：