化學計量學能給分析儀器帶來什么？

化學計量學能給分析儀器帶來什么？——訪湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室吳海龍教授

　進入20世紀之后，分析化學已經發展成為一門擁有眾多儀器分支的現代分析化學學科和化學信息學科。伴隨著大量現代分析儀器出現帶來的“數據爆炸時代”，化學計量學得以快速發展并已成為現代分析化學中非常活躍的研究領域。

　　近期，儀器信息網編輯采訪了化學傳感器專業委員會主任委員、湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室原主任吳海龍教授，希望借此機會能給大家介紹一下化學計量學的內涵，并同時探討化學計量學在分析儀器研發方面有什么樣的“指導思想”及指導作用。

湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室吳海龍教授

　　Chemometrics(化學計量學)一詞于1971年由瑞典化學家在申請一項基金項目時首次提出，類比生物計量學與經濟計量學，將研究從化學實驗產生的數據中提取相關化學信息的學科分支稱之為化學計量學。
　　吳海龍教授介紹，“化學計量學其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，并通過解析量測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：一方面指化學量測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”。

化學計量學是分析化學中的“高級醫生”

　　談到化學計量學在分析化學領域中的“功效”，吳海龍教授幽默地說：“化學計量學是有難度、有‘水平’的，專門解決較困難的問題，形象的比喻就是化學計量學是分析化學中的‘高級醫生’，專門研究解決復雜對象定性、定量、定結構問題中遇到的‘疑難雜癥’”。
　　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，取得大量量測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量測數據的信息。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，其實其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。
　　吳海龍教授還特別提到，化學計量學擅長解決分析化學中有難度的問題，從簡單體系到復雜體系都有其“用武之地”：
　　(1)復雜體系進樣之后進行全譜掃描，儀器輸出的是復合信號，然后用化學計量學按規律將其分成單個組分信號，進而實現對復雜體系感興趣組分的定性定量分析，這以化學計量學方法結合三維熒光光譜用于系列復雜體系進行直接準確定量分析最為成功；
　　(2)復雜體系經過色譜柱等物理或化學分離系統后，如果分離還不完全，儀器輸出的信號可通過化學計量學方法作進一步的數學分離，進而進行全譜定性定量分析；
　　(3)如果復雜體系所有的組分都被分成單一組分了，那就是化學計量學中相對簡單的問題了。當然還可作進一步的后續分析，如開展化學模式識別進行聚類、判別等或作多維定量構效關系研究以指導定向合成等。

化學計量學對分析儀器研發的啟示

　　吳海龍教授認為：分析方法的建立和分析儀器的發展是緊密相關的，分析儀器的研發過程，不僅僅是單個方法的建立，而是一個系統分析策略的構建過程。我們希望通過化學計量學研究，創新分析化學方法學，設計出“傻瓜”式實用分析儀器，讓醫學、環境、食品安全等用戶得到最大的便利。
　　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，吳海龍教授介紹到，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。
　　吳海龍教授介紹說：通俗地來講，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。吳海龍教授指出，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。
　　“數學分離”一般需要基于三維及以上數陣分析，利用“數學分離”與現代多通道測試手段相結合，可以研發系列新型分析儀器。將化學計量學中多維數陣分析方法與高維分析儀器相結合可以為環境、生命等科學中的復雜問題提供有效的解決方法。吳海龍教授談到：最近十多年來，我們綜合利用現代分離分析技術，在化學計量學前沿基礎研究中已經取得了較系統、深入的創新性成果，打開了現代分析科學中三維數陣分析理論及應用研究的新局面，拓展了化學計量學的研究及應用領域，實現了以“數學分離”部分甚至全部代替“物理和化學分離”，開發了相應儀器裝置及軟件，可用于復雜體系中干擾物共存下多組分同時定量分析(多維校正)和化學動力學過程解析等實際復雜分析難題的解決。這也是我們現階段的努力目標。
　　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
　　吳海龍教授介紹說，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。
　　吳海龍教授介紹到：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。吳海龍教授特別提到，這是俞汝勤院士多年來的殷切企盼。我們的設想就是能設計出“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。
　　吳海龍教授自信地說：我有一個夢想，就是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，吳海龍教授還特別強調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。
　　“這樣來說，作為開拓者，就要花很大的功夫去做，對于我自己來說，非常愿意為民族的分析儀器產業的振興作出自己的應有貢獻。所以在這些方面我們已做了很多的努力”。

　　采訪編輯：葉 建

附錄1：吳海龍教授個人簡歷

　　吳海龍，1961年生，浙江舟山定海人，理學博士、工學博士(日本)。湖南大學化學化工學院、化學生物傳感與計量學國家重點實驗室化學教授、博士生導師，分析化學國家重點學科建設責任人。任化學生物傳感與計量學國家重點實驗室(湖南大學)建設項目主要負責人、常務副主任(2001.10-2005.03, 正處級)、主任(2005.03-2009.12)、顧問(2010.01- )。兼任中國化學會有機分析專業委員會副主任委員、計算機化學專業委員會副主任委員、分析化學學科委員會委員(2006.01-2010.12)；中國儀器儀表學會分析儀器分會常務理事兼化學傳感器專業委員會主任委員、近紅外光譜專業委員會委員；中國機械工程學會理化檢驗分會副主任委員兼化學專業委員會主任委員、湖南省化學化工學會理事兼分析測試專業委員會主任委員等。任《分析化學》等八種學術期刊編委，任多個國家級、部省級重點實驗室學術委員會委員。多次擔任中國化學會年會化學信息學與化學計量學分會共同主席。
　　30年來，一直從事化學計量學、化學生物傳感技術等方面的教學和科研工作，先后主持完成國家自然科學基金面上項目3項、國家973預研項目、教育部優秀青年教師資助計劃項目等課題。目前主持國家教育部創新團隊建設項目、國家自然科學基金面上項目，并協作主持國家973課題等。此外，還參研國家自然科學基金重點項目3項。在液膜pH化學傳感器研制，穩健統計學新應用，多元校正基礎理論及應用，三維數陣分析(秩估計、三線性分解、分解唯一性等)、二階校正和二階標準加入法、化學多維校正及多維標準加入分析法的基礎理論及應用，三維圖像處理、高維聯用儀器數據預處理等方面，取得系列創新性成果。在Journal of Chromatography A、Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems、Journal of Chemometrics、Analytica Chimica Acta等期刊發表學術論文逾180篇，其中SCI論文逾130篇，被引用逾800篇次，正面他引逾600篇次。參編著學術書籍7本中8章節(約17萬字)。指導培養博士研究生畢業11名、在學7名；指導培養碩士研究生畢業22名、在學22名。任俞汝勤院士學術小組組長逾10年。
　　曾應邀在清華大學、中科院長春應化所等單位作學術報告，應邀在IUPAC 2001年國際分析科學大會化學計量學分會(東京)、2004年亞洲化學計量學與生物信息學國際學術研討會(上海)、2009 TRICAP(化學與心理學交叉領域三維數據分析方法國際前沿研討會，西班牙)等國際會議作邀請報告。曾榮獲2002年度湖南省科技進步一等獎和2003年度國家自然科學二等獎(均排名第三)、第四屆湖南十大杰出青年科技創新獎(2006年)等，2007年被列入湖南省新世紀“121人才工程”第一層次人選。

“化學計量學”與我們計量行業的化學不是一個概念。
國際化學計量學學會給化學計量學作出了如下的定義：化學計量學是一門通過統計學或數學方法將對化學體系的測量值與體系的狀態之間建立聯系的學科。化學計量學的研究對象是有關化學量測的基礎理論和方法學。它所研究的內容包括：統計學和統計方法；分析信息理論；采樣；試驗優化與設計；分析校正理論；分析信號檢測和分析信號處理；化學模式識別；圖像分析；構效關系研究；人工智能和專家系統；人工神經元網絡與自適應化學模式識別；庫檢索等。

版主說的極其對


我們華理有個倪力軍老師就是教化學計量學的
但是他教授的是化學量測中的采樣理論與實驗設計、化學數據處理、分析信號解析與分辨、化學分類決策與預報等方面。