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化学计量学怎样解决问题？

化学计量学有什么特点？

化学计量学解决什么问题？

化学计量学化学计量学分析化学的发展分析化学的发展20世纪初，四大溶液平衡理论使分析化世纪初，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学从一门技术发展成一门科学。

20世纪世纪70年代以来，以计算机应用为主年代以来，以计算机应用为主要标志的信息时代的来临，使分析化学要标志的信息时代的来临，使分析化学经历了仪器化、计算机化、智能化、信经历了仪器化、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器制造科学等学科之上的综合性的边缘学科。

学科。

现代分析化学的特征现代分析化学的特征l测试数据的多维化、海量化；测试数据的多维化、海量化；l分析软件固化在分析仪器中，使得分分析软件固化在分析仪器中，使得分析仪器高度智能化，提高了对仪器使析仪器高度智能化，提高了对仪器使用者的要求；用者的要求；l目前分析化学工作者面临的难题是如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。

息以解决相关的实际问题。

化学计量学与分析化学化学计量学与分析化学l化学计量学先驱化学计量学先驱B.R.Kowalski宣称：

宣称：

分分析化学已由单纯地提供数据上升到从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，发展成为工业过程实际问题的解决者，发展成为工业过程控制和生命过程控制的重要组成部分。

控制和生命过程控制的重要组成部分。

l化学计量学中的很多问题是分析化学的化学计量学中的很多问题是分析化学的基础性问题，它基础性问题，它构成分析化学第二层次构成分析化学第二层次的基础理论的重要组成部分的基础理论的重要组成部分。

化学计量学解决什么问题？

化学计量学解决什么问题？

方法选择方法选择预处理预处理实验实验传统化学传统化学数据处理数据处理结果解释结果解释化学计量学化学计量学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）化学计量学怎样解决问题？

化学计量学怎样解决问题？

l利用近代数学理论、统计学方利用近代数学理论、统计学方法建立信息挖掘和数据处理方法建立信息挖掘和数据处理方法；法；l利用计算机技术处理信息；利用计算机技术处理信息；l利用相关的背景知识抽提有用利用相关的背景知识抽提有用的、重要的信息或特征。

的、重要的信息或特征。

化学计量学定义化学计量学定义l化学计量学（chemometrics）是一是一门新的化学分支学科，它应用数门新的化学分支学科，它应用数学、统计学、计算机及其他相关学、统计学、计算机及其他相关学科的理论和方法去优化化学测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。

大限度地获取有用的化学信息。

Brown（1995）指出：

指出：

化学家习惯于将化学家习惯于将99的精力与的精力与资源用在数据的收集上，只余下资源用在数据的收集上，只余下1%用于将数据转化为信息。

用于将数据转化为信息。

这种与信息时代的观念相悖的习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。

惯应通过化学教育加以改变。

（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）实验员实验设计者、问题分析和实验设计者、问题分析和解决者；解决者；（3）有利于作好化学信息的服务；）有利于作好化学信息的服务；（4）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。

（5）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、NIR、电子鼻、电子舌等、电子鼻、电子舌等等）的使用与功能开发。

等）的使用与功能开发。

学习化学计量学的益处学习化学计量学的益处化学计量学发展简史化学计量学发展简史l瑞典瑞典SvantoWold于于1970年首次应用它解决科研年首次应用它解决科研课题；课题；l1974年年Wold与与Kowalski成成立立国国际际化化学学计计量量学学学学会，学会刊物会，学会刊物J.Chem.Inf.&Comput.Sci.；l1978年国际分析学会每两年发表关于年国际分析学会每两年发表关于“Chemometrics”的特别综述；的特别综述；l1987年美国与欧洲同时出现两个国际化学计量学年美国与欧洲同时出现两个国际化学计量学刊物：

刊物：

“J.Chemom”与与“ChemLab”；l国内从国内从80年代初起，以俞汝勤院士为首的分析化年代初起，以俞汝勤院士为首的分析化学工作者开始这方面研究；学工作者开始这方面研究；l化学计量学的方法与理论应用到现代分析仪器化学计量学的方法与理论应用到现代分析仪器。

国内化学计量学研究国内化学计量学研究l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主任吴海龙传感与计量学国家重点实验室主任吴海龙l中南大学中药现代化研究中心粱逸曾中南大学中药现代化研究中心粱逸曾l中国科技大学化学系邵学广中国科技大学化学系邵学广l同济大学化学系李通化同济大学化学系李通化l长春应用化学研究所许禄长春应用化学研究所许禄l兰州大学化学系刘满仓等兰州大学化学系刘满仓等化学计量学内容化学计量学内容化学计量学构成了化学量测的基础与方法学化学计量学的特点化学计量学的特点l多多学科的学科的“接口接口”；l理论与方法高度抽象、而要解理论与方法高度抽象、而要解决的问题是具体的、复杂的且决的问题是具体的、复杂的且涉及到很多学科；涉及到很多学科；l以计算机软件为载体实现其应以计算机软件为载体实现其应用。

用。

化学计量学与现代分析仪器化学计量学与现代分析仪器l红外仪（红外仪（IR）专家智能系统的应用专家智能系统的应用l近红外（近红外（NIR，NearInfrared）校校正理论，模式识别理论的应用正理论，模式识别理论的应用l高效液相色谱（高效液相色谱（HPLC）、）、气相色谱气相色谱化学校正理论的应用化学校正理论的应用NIR分析软件窗口分析软件窗口1定量方法选择定量方法选择分析分析NIR分析软件窗口分析软件窗口2组分、单位及分析限度确定组分、单位及分析限度确定NIR分析软件窗口分析软件窗口3建立校正表建立校正表化学计量学教学及其化学计量学教学及其他他l20世纪世纪80年代，化学计量学从学术研究领年代，化学计量学从学术研究领域发展到进入化学课堂域发展到进入化学课堂l美美DukeDuke大学将采样（土壤中镁的离子交换大学将采样（土壤中镁的离子交换萃取萃取及及AAAA测定）、发现建模及单纯形优测定）、发现建模及单纯形优化（化（NMRNMR及中子活化）、重叠峰去卷积及及中子活化）、重叠峰去卷积及通用秩消去法（通用秩消去法（HPLC-DADHPLC-DAD）与化学模式识与化学模式识别（烷烃及烯烃的别（烷烃及烯烃的GC-MSGC-MS）等列入主修化等列入主修化学的本科实验大纲。

学的本科实验大纲。

本课程的目的本课程的目的l掌掌握握实实验验方方案案的的设设计计、实实验验数数据据处处理理方方法法，确定使目标最优的实验条件；确定使目标最优的实验条件；l了解数据、信息的解析和抽提方法；了解数据、信息的解析和抽提方法；l了解化学校正理论与常用方法；了解化学校正理论与常用方法；l了解模式识别理论与常用方法；了解模式识别理论与常用方法；l具具备备应应用用数数学学理理论论和和计计算算机机技技术术解解决决与与化化学相关问题的能力学相关问题的能力。

本课程的主要内容本课程的主要内容l线性代数、数据统计、回归等数学基线性代数、数据统计、回归等数学基础础l各类试验方案的设计与优化方法各类试验方案的设计与优化方法l实验数据的预处理方法及主成分概念实验数据的预处理方法及主成分概念介绍化学校正理论与主成分分析应用介绍化学校正理论与主成分分析应用模式识别及其应用简介模式识别及其应用简介实验设计要求实验设计要求l学学会会用用正正交交表表、均均匀匀设设计计表表及及均均匀匀设设计使用表安排实验方案；计使用表安排实验方案；l会会用用直直观观分分析析的的方方法法处处理理正正交交实实验验数数据据，了了解解均均匀匀设设计计实实验验数数据据的的回回归归处处理方法和过程。

理方法和过程。

l学学会会用用单单纯纯形形法法优优化化实实验验条条件件并并对对最最优化理论及应用有初步了解和认识。

优化理论及应用有初步了解和认识。

主成分分析要求主成分分析要求l掌掌握握主主成成分分分分析析中中的的基基本本概概念念：

数数据据矩矩阵阵的的预预处处理理（中中心心化化、自自标标度度化化）、协协方方差差矩矩阵阵、相相关关矩矩阵阵、主主成成分分轴轴（载载荷荷轴轴、特特征征向向量量）、主主成成分分方方差差（特征值）、主成分（得分）等。

（特征值）、主成分（得分）等。

l了解主成分的求解过程。

了解主成分的求解过程。

l学学习习运运用用主主成成分分分分析析方方法法解解决决相相关关问问题题。

化学校正理论要求化学校正理论要求l了了解解常常用用的的化化学学校校正正方方法法及及其其在在现现代分析仪器中的运用；代分析仪器中的运用；l掌掌握握其其中中的的基基本本概概念念（校校正正集集、检检验验集集、交交叉叉验验证证、PLS法法、PCR法法、MLR法法等等）及及各各种种方方法法的的特特点点与与适适用范围。

用范围。

模式识别要求模式识别要求l掌掌握握评评价价样样本本间间相相似似程程度度的的距距离离指指标标（绝绝对对距距离离、欧欧式式距距离离、马马氏氏距距离离）、相相似似系系数数（夹夹角角余弦、相关系数）的计算公式；余弦、相关系数）的计算公式；l了了解解判判别别线线性性学学习习机机法法、KNN法法判判别别样样本本归归属属的有监督模式识别法；的有监督模式识别法；l了了解解基基于于主主成成分分分分析析、相相似似度度指指标标进进行行无无监监督督聚类分析的方法；聚类分析的方法；l了了解解常常用用的的特特征征抽抽提提方方法法。

通通过过实实例例理理解解特特征征抽提对于模式识别分析结果准确度的影响。

抽提对于模式识别分析结果准确度的影响。

主要参考书目主要参考书目l刘刘树树深深，易易忠忠胜胜，基基础础化化学学计计量量学学，科科学学出出版版社社，1999l方方开开泰泰，均均匀匀设设计计与与均均匀匀设设计计表表，北北京京：

科科学学出出版版社，社，1994l陈陈德德钊钊编编著著，多多元元数数据据处处理理，北北京京：

化化学学工工业业出出版版社，社，1998l陈陈念念贻贻，许许志志宏宏，刘刘洪洪霖霖，徐徐桦桦，王王乐乐珊珊，计计算算化化学及其应用，上海：

上海科技出版社，学及其应用，上海：

上海科技出版社，1987l梁梁逸逸曾曾，俞俞汝汝勤勤主主编编，分分析析化化学学手手册册第第十十分分册册，化化学计量学，学计量学，2000，195373，392423化学计量学的相关基础化学计量学的相关基础l线性代数线性代数l数理统计与回归分析数理统计与回归分析l计算机编程及应用计算机编程及应用l最优化理论与算法最优化理论与算法数学化学计量学的理论基础数学化学计量学的理论基础l数学将实际问题中的背景省略，抽提其在数学将实际问题中的背景省略，抽提其在数字或几何方面的共性特点进行研究。

数字或几何方面的共性特点进行研究。

l数学虽然抽象但却十分实用：

物品个数的数学虽然抽象但却十分实用：

物品个数的统计可以用数字表示、很多学科中的研究统计可以用数字表示、很多学科中的研究对象可以用向量、矩阵表示。

对象可以用向量、矩阵表示。

l利用数学中抽象的符号及其相关理论可以利用数学中抽象的符号及其相关理论可以建立描述研究对象的数学模型，从而进一建立描述研究对象的数学模型，从而进一步发现其内在规律步发现其内在规律。

数学对化学家有用吗？

数学对化学家有用吗？

l数据的挖掘数据的挖掘l数据的处理数据的处理l从测试数据提取化学信息从测试数据提取化学信