化学计量学能给分析仪器带来什么？——访湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室吴海龙教授

　　进入20世纪之后，分析化学已经发展成为一门拥有众多仪器分支的现代分析化学学科和化学信息学科。伴随着大量现代分析仪器出现带来的“数据爆炸时代”，化学计量学得以快速发展并已成为现代分析化学中非常活跃的研究领域。

　　近期，仪器信息网编辑采访了化学传感器专业委员会主任委员、湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室原主任吴海龙教授，希望借此机会能给大家介绍一下化学计量学的内涵，并同时探讨化学计量学在分析仪器研发方面有什么样的“指导思想”及指导作用。

湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室吴海龙教授

　　Chemometrics(化学计量学)一词于1971年由瑞典化学家在申请一项基金项目时首次提出，类比生物计量学与经济计量学，将研究从化学实验产生的数据中提取相关化学信息的学科分支称之为化学计量学。

　　吴海龙教授介绍，“化学计量学其任务是研究有关化学测量的理论与方法学，它应用数学、统计学、计算机科学等理论、方法和手段，科学地设计化学实验，选择最优的测量方法，最有效地获取体系有用的特征数据，并通过解析量测数据最大限度地从中提取有关物质的定性、定量、形态、结构等信息。其主要研究内容包括面向化学研究对象的统计学与统计方法、实验设计与优化方法、信号处理、模型构建和参数估计、化学多维多元校正、化学模式识别、多维定量构效关系、人工智能与专家系统、软件以及库检索等。目前，化学计量学的研究范畴包括两方面的内容：一方面指化学量测过程的基础理论和方法学；另一方面就是化学计量学在分析化学及其它相关领域中的应用基础研究”。

化学计量学是分析化学中的“高级医生”

　　谈到化学计量学在分析化学领域中的“功效”，吴海龙教授幽默地说：“化学计量学是有难度、有‘水平’的，专门解决较困难的问题，形象的比喻就是化学计量学是分析化学中的‘高级医生’，专门研究解决复杂对象定性、定量、定结构问题中遇到的‘疑难杂症’”。

　　化学世界是一个极为复杂的多维世界，随着越来越多新型分析仪器的问世，取得大量量测数据已不是最困难的一步，最难解决的“瓶颈”问题却是这些数据的解析以及如何从中提取所需的有用信息等。例如，经典分析化学方法，往往只利用仪器光谱中最大吸收波长处对应的吸光度来作定量分析，不仅丢失很多其它有用信息，而且应用很有限，因为它只利用了单点量测数据的信息。我们应该亦必须应用各类最优化的策略、方法及技术迅速而有效地从所获得的多维响应数据中提取尽可能多的有关被测物质的化学成分、结构和生物化学活性等方面的信息。化学计量学就是基于这种使命而发展起来的一门化学分支学科。

　　化学计量学看似深奥，其实其涉及的很多问题都是分析化学的基础性问题，可以说是复杂体系解析的强有力和有效的工具。例如，在药物混合物的分析中，主导药物及其衍生物以及基体背景和其它干扰物都可能有较灵敏的荧光等响应，但它们相互重叠，而在常规分析过程中样品分离又比较复杂。这种情况下如果采用化学计量学中化学多维多元校正的办法就可以获得较好的分析结果，甚至可以实现性质相似干扰物共存下的感兴趣多组分的直接快速同时定性定量分析；这样可使复杂体系的分析获得“绿色”、经济、在线、近实时等优势。

　　随着计算机技术及其应用的发展，作为化学计量学核心策略的主成分分析(PCA)方法在实际仪器分析中的应用越来越广泛。例如，PCA 与近红外光谱相结合的应用研究较多,在不丢失主要光谱信息的前提下选择为数较少的新变量来代替原来较多的变量，解决了由于谱带的重叠而无法分析的困难。另外，在生物科学方面，蛋白质的立体结构理论预测一直是生物信息学研究的难题，近来，应用化学计量学的氨基酸主成分分析法克服了原始数据中可能的实验误差和分类上的模糊性带来的不确定因素, 从而提高了预测的准确率。

　　吴海龙教授还特别提到，化学计量学擅长解决分析化学中有难度的问题，从简单体系到复杂体系都有其“用武之地”：

　　(1)复杂体系进样之后进行全谱扫描，仪器输出的是复合信号，然后用化学计量学按规律将其分成单个组分信号，进而实现对复杂体系感兴趣组分的定性定量分析，这以化学计量学方法结合三维荧光光谱用于系列复杂体系进行直接准确定量分析最为成功；

　　(2)复杂体系经过色谱柱等物理或化学分离系统后，如果分离还不完全，仪器输出的信号可通过化学计量学方法作进一步的数学分离，进而进行全谱定性定量分析；

　　(3)如果复杂体系所有的组分都被分成单一组分了，那就是化学计量学中相对简单的问题了。当然还可作进一步的后续分析，如开展化学模式识别进行聚类、判别等或作多维定量构效关系研究以指导定向合成等。

化学计量学对分析仪器研发的启示

　　吴海龙教授认为：分析方法的建立和分析仪器的发展是紧密相关的，分析仪器的研发过程，不仅仅是单个方法的建立，而是一个系统分析策略的构建过程。我们希望通过化学计量学研究，创新分析化学方法学，设计出“傻瓜”式实用分析仪器，让医学、环境、食品安全等用户得到最大的便利。

　　化学计量学中的“数学分离”思想可在一定程度、一定范围内代替“物理或化学分离”

　　分析化学的发展本身就和分析仪器紧密相连，吴海龙教授介绍到，分析化学如果只是单纯发展方法的话，不会有现在这么大的影响力。一个分析方法建立之后，可以用仪器的方式将其固定下来，并且可以将方法标准中的很多步骤简略掉，最终形成一个简便、完整的解决方案。如何完成这样一个过程，这里面就存在一个发展分析战略的问题，也就是方法学。

　　吴海龙教授介绍说：通俗地来讲，化学计量学的“功效”就是它可以解决长期以来传统仪器及分析方法难以解决的共存物质基体干扰及“分离”问题。物质分离的过程是从复杂体系到单一组分，但是复杂体系包含的物质成分往往很多，分离体系本身的容量又很有限，所以经常有相当一部分组分分不开，最后从仪器上获得的信号是重叠的、复杂的，化学计量学在怎样分开这些组分方面就表现出了很重要的应用价值。

　　化学计量学的一个基本功能是“数学分离”。所谓“数学分离”，是指利用数学方法处理复杂体系的复合响应信号，可以根据物质之间的相关性、相互作用或线性加和性等，将复杂体系通过计算机快速“数学分离”成单组分，然后进一步进行各组分定性和定量分析，从而达到与先分离后分析相同的效果。这一过程，又可称作“数学分离”过程。吴海龙教授指出，分析仪器的发展需要方法学上的思路创新，“数学分离”可以成为研发分析仪器的创新点。

　　“数学分离”一般需要基于三维及以上数阵分析，利用“数学分离”与现代多通道测试手段相结合，可以研发系列新型分析仪器。将化学计量学中多维数阵分析方法与高维分析仪器相结合可以为环境、生命等科学中的复杂问题提供有效的解决方法。吴海龙教授谈到：最近十多年来，我们综合利用现代分离分析技术，在化学计量学前沿基础研究中已经取得了较系统、深入的创新性成果，打开了现代分析科学中三维数阵分析理论及应用研究的新局面，拓展了化学计量学的研究及应用领域，实现了以“数学分离”部分甚至全部代替“物理和化学分离”，开发了相应仪器装置及软件，可用于复杂体系中干扰物共存下多组分同时定量分析(多维校正)和化学动力学过程解析等实际复杂分析难题的解决。这也是我们现阶段的努力目标。

　　化学计量学注重分析策略的研究，“傻瓜”式分析量测仪器有望面市

　　吴海龙教授介绍说，在分析仪器的研发设计时，获得单变量响应值的仪器相对简单些，获得多维响应数阵的分析仪器或联用仪器相对复杂些。威力强大的复杂仪器一方面要根据分析方法的思路来设计，另一方面，其产生的数据相对来说信息量丰富，当然同时也是很复杂的，要用化学计量学方法将其进一步细化，然后简单化、信息化。

　　化学计量学的侧重点在于分析策略的研究，如果分析策略没想明白，即使其中具体的个别环节很好解决了，最后整体来看还是没什么用的。采样、样品的预处理以及之后的分析检测等整个过程就是一个系统工程，所需的全程控制就涉及系统分析策略问题。

　　吴海龙教授介绍到：用化学计量学的思路来研发仪器，可以省钱、省劳力、提高效益，同时可以使用户得到最大的便利。仪器公司单靠生产传统的仪器获利毕竟有限，他们必须清晰地知道分析仪器的用途，仪器之间、仪器与方法之间如何紧密结合才能达到好的分析效果，了解这些之后研发的仪器才能得到用户的“青睐”。 所以，仪器研制人员都应该来了解一下化学计量学的原理及解决问题的思路。例如，通过化学计量学可以最大限度地获取光谱数据中的有用信息。在仪器的研发过程中将化学计量学和分析仪器如三维荧光等结合在一起，就可以解决很多实际问题，同时也可以使仪器本身迅速增值很多。

　　分析仪器的智能化将是21世纪分析化学发展的重要趋势。化学计量学方法是新一代分析仪器智能化的关键构件，应予充分重视。吴海龙教授特别提到，这是俞汝勤院士多年来的殷切企盼。我们的设想就是能设计出“傻瓜”式分析仪器，如同“傻瓜”相机一样。只要仪器足够方便、足够智能，作为用户不一定要知道其中的原理及数学分离过程，只要按照操作步骤操作就可以实现复杂分析对象直接快速的定量分析了。

　　吴海龙教授自信地说：我有一个梦想，就是分析仪器能获得一个什么样的复杂信号(电磁波)，我们就可以解决该体系相关的复杂分析问题。不过，要达成这样的目标，在仪器的研发方面就需要有很大的突破。首先，加快化学计量学的发展及应用可以带动分析仪器的研发。化学计量学的前沿研究需要多维响应信号，就必须改进量测仪器装置，完善仪器的配置；其次，分析仪器灵敏度是首先要解决的问题。由于灵敏度是整个仪器系统决定的，尤其是检测器。所以在仪器的研发时，对检测器灵敏度的要求是比较高的。

　　最后，吴海龙教授还特别强调化学计量学与分析仪器相结合在产业化方面目前也存在一定的困难：

　　一方面是国家标准的问题，目前，国家标准中指定的分析仪器往往很难改变；另一方面，仪器的生产厂商大都安于已有分析模式，对于新颖的分析仪器的应用前景往往“心有余悸”，所以仪器公司一般不太愿意去进行相应新颖分析仪器的研发。

　　“这样来说，作为开拓者，就要花很大的功夫去做，对于我自己来说，非常愿意为民族的分析仪器产业的振兴作出自己的应有贡献。所以在这些方面我们已做了很多的努力”。

　　采访编辑：叶 建

　　附录1：吴海龙教授个人简历

　　吴海龙，1961年生，浙江舟山定海人，理学博士、工学博士(日本)。湖南大学化学化工学院、化学生物传感与计量学国家重点实验室化学教授、博士生导师，分析化学国家重点学科建设责任人。任化学生物传感与计量学国家重点实验室(湖南大学)建设项目主要负责人、常务副主任(2001.10-2005.03, 正处级)、主任(2005.03-2009.12)、顾问(2010.01- )。兼任中国化学会有机分析专业委员会副主任委员、计算机化学专业委员会副主任委员、分析化学学科委员会委员(2006.01-2010.12)；中国仪器仪表学会分析仪器分会常务理事兼化学传感器专业委员会主任委员、近红外光谱专业委员会委员；中国机械工程学会理化检验分会副主任委员兼化学专业委员会主任委员、湖南省化学化工学会理事兼分析测试专业委员会主任委员等。任《分析化学》等八种学术期刊编委，任多个国家级、部省级重点实验室学术委员会委员。多次担任中国化学会年会化学信息学与化学计量学分会共同主席。

　　30年来，一直从事化学计量学、化学生物传感技术等方面的教学和科研工作，先后主持完成国家自然科学基金面上项目3项、国家973预研项目、教育部优秀青年教师资助计划项目等课题。目前主持国家教育部创新团队建设项目、国家自然科学基金面上项目，并协作主持国家973课题等。此外，还参研国家自然科学基金重点项目3项。在液膜pH化学传感器研制，稳健统计学新应用，多元校正基础理论及应用，三维数阵分析(秩估计、三线性分解、分解唯一性等)、二阶校正和二阶标准加入法、化学多维校正及多维标准加入分析法的基础理论及应用，三维图像处理、高维联用仪器数据预处理等方面，取得系列创新性成果。在Journal of Chromatography A、Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems、Journal of Chemometrics、Analytica Chimica Acta等期刊发表学术论文逾180篇，其中SCI论文逾130篇，被引用逾800篇次，正面他引逾600篇次。参编著学术书籍7本中8章节(约17万字)。指导培养博士研究生毕业11名、在学7名；指导培养硕士研究生毕业22名、在学22名。任俞汝勤院士学术小组组长逾10年。

　　曾应邀在清华大学、中科院长春应化所等单位作学术报告，应邀在IUPAC 2001年国际分析科学大会化学计量学分会(东京)、2004年亚洲化学计量学与生物信息学国际学术研讨会(上海)、2009 TRICAP(化学与心理学交叉领域三维数据分析方法国际前沿研讨会，西班牙)等国际会议作邀请报告。曾荣获2002年度湖南省科技进步一等奖和2003年度国家自然科学二等奖(均排名第三)、第四届湖南十大杰出青年科技创新奖(2006年)等，2007年被列入湖南省新世纪“121人才工程”第一层次人选。

　　附录2: 湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室

      http://cbsc.hnu.cn/

全国人大常委会副委员长路甬祥院士视察湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室