化學(xué)計(jì)量及其在化學(xué)分析中的應(yīng)用分析

汪愛紅（安徽東風(fēng)機(jī)電科技股份有限公司，安徽合肥230601）

化學(xué)計(jì)量及其在化學(xué)分析中的應(yīng)用分析

汪愛紅（安徽東風(fēng)機(jī)電科技股份有限公司，安徽合肥230601）

化學(xué)計(jì)量在化學(xué)分類決策和預(yù)報(bào)、信號(hào)解析、數(shù)據(jù)處理、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方面都發(fā)揮著極其重要的作用，一些復(fù)雜問題無法使用傳統(tǒng)的化學(xué)研究方法得以解決，但可以通過使用化學(xué)計(jì)量的方式解決此類復(fù)雜問題。本文對(duì)化學(xué)計(jì)量進(jìn)行簡要分析，并對(duì)其在化學(xué)分析中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

化學(xué)分析；化學(xué)計(jì)量；應(yīng)用

引言

化學(xué)計(jì)量學(xué)是一門由化學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)相結(jié)合的一門新興的交叉學(xué)科，其內(nèi)容涵蓋了化學(xué)量測(cè)的整個(gè)過程，包括數(shù)據(jù)分析、單變量信號(hào)處理、多變量信號(hào)處理、選擇實(shí)驗(yàn)條件、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、采樣理論等等；研究內(nèi)容主要包括人工智能、圖書檢索、實(shí)驗(yàn)室組織、合理性分析、過程控制、過程優(yōu)化等。

1 化學(xué)計(jì)量

化學(xué)是研究物質(zhì)的變化規(guī)律、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其組成的科學(xué)，在研究的過程當(dāng)中勢(shì)必會(huì)存在著許多測(cè)量活動(dòng)，從一方面而言，這些測(cè)量活動(dòng)包含在計(jì)量學(xué)的研究范疇當(dāng)中。研究化學(xué)測(cè)量準(zhǔn)確度、測(cè)量方法及其量值的溯源性的學(xué)科就是化學(xué)計(jì)量，通過一系列的連續(xù)比較鏈?zhǔn)沟糜嘘P(guān)的計(jì)量基準(zhǔn)和所測(cè)的計(jì)量結(jié)果相聯(lián)系的特性就是化學(xué)測(cè)量的溯源性。對(duì)各種物理化學(xué)及其化學(xué)成分進(jìn)行量值傳遞也是化學(xué)計(jì)量的內(nèi)容質(zhì)疑，量值傳遞的基本單位的“摩爾”，量值傳遞系統(tǒng)的形式如圖1所示。

2 在化學(xué)分析中化學(xué)計(jì)量的實(shí)際應(yīng)用方法

2.1 量值的傳遞的應(yīng)用

圖1 量值傳遞系統(tǒng)的形式

在化學(xué)分析中廣泛地應(yīng)用化學(xué)計(jì)量，通過化學(xué)計(jì)量來產(chǎn)生定量分析，二者既有區(qū)別又有聯(lián)系。化學(xué)計(jì)量是化學(xué)分析中的使用過程，其目的在于保障量值的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性，提高化學(xué)分析的質(zhì)量。要通過具有法制性和科學(xué)性的量值傳遞系統(tǒng)來保障化學(xué)計(jì)量的獨(dú)立性。一般情況下，主要是通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一般情況下主要是通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量中的量值傳遞。化學(xué)分析過程比較復(fù)雜，容易由于各種原因而打斷溯源鏈，因此很難真正實(shí)現(xiàn)溯源。一般的化學(xué)分析過程主要包括稱樣、處理樣品和測(cè)定，一般通過化學(xué)法來處理樣品，常見的化學(xué)法主要包括離子交換、溶解、萃取分離、蒸發(fā)等。必須對(duì)經(jīng)處理后的樣品和原始樣品溶液二者的關(guān)系進(jìn)行明確，才能建立溯源性。建立溯源性之后，就可以進(jìn)行最后的測(cè)定，使用相對(duì)比較法、滴定法、庫侖法、重量法等方法來測(cè)定。在測(cè)定時(shí)應(yīng)該考慮到在建立標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)可能會(huì)存在誤差，或者是否存在校準(zhǔn)曲線不當(dāng)?shù)那闆r，導(dǎo)致溯源鏈在最后的特定階段被打斷，此時(shí)就應(yīng)該運(yùn)用化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的化學(xué)成分必須非常明確，已經(jīng)通過可靠的方法進(jìn)行了測(cè)定，而且其元素量值和化合物都具有良好的溯源性。在化學(xué)分析中，往往將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為基準(zhǔn)物或者校準(zhǔn)物，因此標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)該具備特性穩(wěn)定均勻、特性良好、準(zhǔn)確度范圍明確的特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在化學(xué)分析中的主要作用在于對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行評(píng)定，對(duì)材料的特性值進(jìn)行確定，對(duì)計(jì)量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)等。

2.2 多元校正分析法的應(yīng)用

其中，加入Ag+溶液的體積及CI-溶液的初始體積就是V和V0；Ag+和CI-的分析濃度即cB和c；Ag+和CI-滴定過程中的平衡濃度即[Ag+]和[CI-]。

某些常數(shù)通常包含在線性滴定法的計(jì)算模型之內(nèi)，如Ksp等，測(cè)定結(jié)果是否準(zhǔn)確無誤也受到該些常數(shù)誤差的極大影響。在特定的條件之下，也可適當(dāng)簡化計(jì)算模式，例如Ag+滴定CI-，當(dāng)?shù)味ㄟ_(dá)到具體的化學(xué)計(jì)量點(diǎn)后，可令Ksp/[Ag+]=0，即得到一個(gè)簡化式，且適用于化學(xué)計(jì)量點(diǎn)后：

按照類似方法，還能夠?qū)С鲆恍┢渌挠?jì)算模型，例如氧化、配位、酸堿還原線性滴定法等。

隨著相關(guān)人員對(duì)多元分析的開發(fā)及其迅速的發(fā)展，分析研究的對(duì)象也越來越具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，這就要求分析工作者必須準(zhǔn)確及時(shí)地給出結(jié)構(gòu)分析、定性分析和定量分析的結(jié)果?，F(xiàn)代的分析儀器正是依靠多元校正分析法則，從而提供大量的可以進(jìn)行解析數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法的測(cè)量數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，相關(guān)人員已經(jīng)研究出了多元分析的多種指標(biāo)，例如準(zhǔn)確性、精密度、檢測(cè)限、信噪比、靈敏度等等指標(biāo)，并優(yōu)化了這些指標(biāo)，從而使得分析儀器的方法和功能具有實(shí)用性和有效性的特點(diǎn)[2]。優(yōu)化析因設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)、因子設(shè)計(jì)、正交設(shè)計(jì)等化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以對(duì)包含多種因素的協(xié)同作用及其影響進(jìn)研究，既可以拓寬其應(yīng)用范圍，又可以使分析選擇性得到有效改善。而且隨著環(huán)境科學(xué)、藥物學(xué)、生命科學(xué)和生物學(xué)的快速發(fā)展，對(duì)分析化學(xué)家的要求也越來越高，分析化學(xué)家需要快速的對(duì)復(fù)雜混合物體系的定量和定性進(jìn)行分析，尤其是復(fù)雜的有機(jī)混合物體系。在電化學(xué)分析中，電位滴定是一個(gè)較為重要的內(nèi)容，該領(lǐng)域?qū)瘜W(xué)計(jì)量學(xué)應(yīng)用較多。求解的方法主要有兩種，分別是非線性回歸和多元線性回歸，求解的內(nèi)容主要包括離解常數(shù)、被測(cè)組分濃度等未知參數(shù)。相關(guān)科學(xué)家在滴定分析中應(yīng)用了多元校正法，計(jì)算機(jī)則不需要對(duì)各組分算進(jìn)行平衡和離解常數(shù)，并且不需要嚴(yán)格校正電極系統(tǒng)，從而使得分析范圍大大拓寬，準(zhǔn)確度也得到了相應(yīng)的提高[3]。

例如采用Ag+滴定CI-的沉淀滴定，通過使用溶液的平衡關(guān)系，能夠的得到具體的計(jì)算模型：

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法的應(yīng)用

生物學(xué)家在現(xiàn)代生物學(xué)研究人腦組織的背景下提出了人工神經(jīng)系統(tǒng)，其主要方式是將許多簡單的處理單元進(jìn)行廣泛的連接，從而組成一個(gè)極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)器，目的是為了模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為及其結(jié)構(gòu)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)數(shù)據(jù)模式進(jìn)行有效的分類和解析，適用于一些非線性測(cè)量數(shù)據(jù)，例如結(jié)果關(guān)系不確定或者是處理原因不確定的情況下。而許多的化學(xué)問題也具有一些不確定性的特點(diǎn)，因此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在許多化學(xué)領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，相關(guān)研究也報(bào)道了不少關(guān)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、藥物分析藥效預(yù)測(cè)、譜圖分析等多方面的應(yīng)用成功案例。在化學(xué)分析中對(duì)于遺傳算法的應(yīng)用也非常廣泛，例如分析生物大分子的構(gòu)象、選擇核磁共振脈沖波形、優(yōu)化校正數(shù)據(jù)、選擇發(fā)射光譜試驗(yàn)條件、選擇多組分分析波長等。比如，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在氟化物結(jié)構(gòu)與Eu（Ⅲ）離子躍遷發(fā)射光譜關(guān)系的分析中，可以實(shí)現(xiàn)98%左右的識(shí)別率，具有非常高的預(yù)測(cè)率；在對(duì)某些物質(zhì)的紫外線光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)很好地解析效果；在對(duì)有機(jī)物異構(gòu)體進(jìn)行尋找的時(shí)候，通過遺傳算法可以得到非常接近實(shí)際結(jié)果的效果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法如圖2所示。

圖2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法

2.4 模式識(shí)別法中的應(yīng)用

根據(jù)化學(xué)量測(cè)數(shù)據(jù)矩陣，按照某種性質(zhì)將樣本集中的樣本進(jìn)行分類并選取特征的方法被被稱為模式識(shí)別法。其可以根據(jù)一定的方式將量測(cè)的參量進(jìn)行區(qū)分，模式識(shí)別法主要有SIMCA法、K-最鄰近法、線性判別分析法等等。模式識(shí)別法主要是為優(yōu)化決策和過程提供一些具有使用價(jià)值的信息，模式識(shí)別法對(duì)于我國的材料化工、石油化工等領(lǐng)域有著極其重要的意義，為此類領(lǐng)域的研究難題的解決提供了新的思路[4]。此外，使用K-鄰近法來對(duì)微分電毛細(xì)管曲線以及電位階伏安波進(jìn)行分類處理，其可以表征有機(jī)化合物之間的各種構(gòu)效關(guān)系。

3 結(jié)語

計(jì)量學(xué)中的化學(xué)計(jì)量是一個(gè)比較年輕的分支，其突破了傳統(tǒng)的純物理量的范疇。對(duì)于化學(xué)計(jì)量的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今社會(huì)設(shè)計(jì)儀器軟件主體化的一個(gè)全新的突破口，為儀器智能化的發(fā)展提供了新的方法和理論。除此之外，化學(xué)計(jì)量與環(huán)境化學(xué)、工業(yè)化學(xué)、醫(yī)藥化學(xué)、農(nóng)業(yè)化學(xué)等學(xué)科將會(huì)連接得更為緊密，化學(xué)計(jì)量的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。

[1]張 霽，金 航，張金渝，王元忠.生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)在藥用植物資源研究中的應(yīng)用[J].中國中藥雜志，2013（01）.

[2]宋彥濤，周道瑋，李 強(qiáng)，王 平，黃迎新.松嫩草地80種草本植物葉片氮磷化學(xué)計(jì)量特征[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2012（03）.

[3]楊惠敏，王冬梅.草-環(huán)境系統(tǒng)植物碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)研究進(jìn)展[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2011（02）.

[4]冼偉光，周 麗，唐洪輝，陳偉光，蘇木榮，盤李軍，張衛(wèi)強(qiáng).不同林齡針闊混交林土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J].廣東林業(yè)科技，2015（01）.

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2016-11-3