計算機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室自動化方面的應(yīng)用簡1

1、第八章：計算機(jī)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室自動化方面的應(yīng)用簡介8.1概述計算機(jī)目前已經(jīng)深入到生產(chǎn)和科研的各個領(lǐng)域，在各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中也不例外，逐步采用了大量的計算機(jī)最新技術(shù)。計算機(jī)的介入程度已經(jīng)成為各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代化程度高低的標(biāo)志之一。大量計算機(jī)硬件和計算機(jī)技術(shù)的介入一方面使化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的自動化、集約化和網(wǎng)絡(luò)化程度越來越高，大大提高了實(shí)驗(yàn)工作效率和水平；另一方面對實(shí)驗(yàn)室工作人員駕御計算機(jī)的能力提出了更高的要求。因此，可以說掌握計算機(jī)在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用技術(shù)將是下個世紀(jì)每個現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作人員的必備條件，這一點(diǎn)在西方發(fā)達(dá)國家的實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用的計算機(jī)技術(shù)多種多樣，并且隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展還

2、將更加多樣化。根據(jù)目前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平和現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室裝備的現(xiàn)狀，計算機(jī)在各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用除了常規(guī)的文字處理、網(wǎng)絡(luò)信息傳遞和化學(xué)計算等應(yīng)用之外，歸納起來，主要包括以下幾個方面：1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器的自動化操作和控制：隨著化學(xué)一起設(shè)備的現(xiàn)代化，當(dāng)前大多數(shù)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備都有計算機(jī)控制部分，而且不僅那些紅外、質(zhì)譜、核磁共振、能譜等復(fù)雜大型儀器如此；而且容量分析、電化學(xué)分析和許多物理化學(xué)參數(shù)測定等小型儀器也都逐漸實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制。此外很多實(shí)驗(yàn)室利用一臺計算機(jī)（工作站）對實(shí)驗(yàn)室的所有儀器或主要儀器進(jìn)行集約化控制也是當(dāng)前發(fā)展方向。利用實(shí)驗(yàn)室局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息共享和資源的集約化管

3、理?？梢钥闯?，掌握這些計算機(jī)化儀器的使用和維護(hù)技術(shù)，學(xué)習(xí)利用實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備是化學(xué)工作者的重要任務(wù)之一。2實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與材料的自動化管理：指實(shí)驗(yàn)室信息的自動化管理。利用一臺計算機(jī)或小型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信息自動化管理可以大大提高工作效率和管理水平。這方面的應(yīng)用包括實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(Laboratory Information Management System, LIMS)、化學(xué)藥品材料管理系統(tǒng)(Manage Chemical Inventory system, MIS)和儀器設(shè)備維護(hù)校正管理系統(tǒng)(Instrument Maintenance and Calibration

4、System, IMCS)等。將大量動態(tài)的實(shí)驗(yàn)室信息集中進(jìn)行管理。由于計算機(jī)硬件和計算機(jī)技術(shù)的普及，為實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與材料的自動化管理提供了有利條件。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集與處理的計算機(jī)化：主要指實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的在線和離線收集處理。眾所周知，從化學(xué)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)往往是大量、零散并需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)處理的。對這些從儀器中獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、數(shù)學(xué)處理往往是相當(dāng)復(fù)雜繁重的任務(wù)。目前這類任務(wù)已經(jīng)主要由計算機(jī)來完成。其內(nèi)容主要包括計算機(jī)的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集主要由各種儀器與計算機(jī)之間的接口電路等硬件和軟件完成，因此實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員掌握一定的接口技術(shù)是必要的。其次是數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)，指將各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行諸如傅立葉變

5、換、小波變換、線性和非線性擬合等數(shù)學(xué)處理一般需要各種應(yīng)用軟件和硬件的配合。再次是由各種數(shù)據(jù)庫為主組成的存儲、檢索、鑒定和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，幫助實(shí)驗(yàn)人員給出科學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這些數(shù)據(jù)庫由于主要服務(wù)于本實(shí)驗(yàn)室或本系統(tǒng)，因此在內(nèi)容上比較專一，其中部分還需要實(shí)驗(yàn)人員自己建立，即使那些使用的商業(yè)數(shù)據(jù)庫往往是開放性的，即可以由實(shí)驗(yàn)人員自己不斷擴(kuò)充進(jìn)自己的信息。這些數(shù)據(jù)庫包括各種紅外、紫外可見、核磁共振、質(zhì)譜等光譜數(shù)據(jù)庫和氣相、液相等色譜數(shù)據(jù)庫，以及分子和原子特征常數(shù)數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的智能化分析也屬于該領(lǐng)域。計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，大大推動了實(shí)驗(yàn)室計算機(jī)化的進(jìn)程，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)設(shè)備每時每刻都在發(fā)生變化，涵蓋內(nèi)

6、容非常廣泛，涉及的學(xué)科領(lǐng)域也比較多。一方面，新的技術(shù)和設(shè)備不斷涌現(xiàn)，給人們跟蹤這些新技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。另一方面，技術(shù)和設(shè)備的多樣化，如不同廠家生產(chǎn)的同樣功能設(shè)備采用的硬件和技術(shù)各不相同，也大大增加了學(xué)習(xí)的難度。限于篇幅和本書編寫的目的及適宜的讀者對象，在此僅對某些與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作密切相關(guān)的內(nèi)容做簡單介紹。關(guān)于上述第一方面的內(nèi)容，由于已經(jīng)超出了本書的介紹范圍，并且各種計算機(jī)化儀器設(shè)備均有詳細(xì)的使用與維護(hù)說明書，不作為本章的介紹內(nèi)容。后兩方面的內(nèi)容將作為介紹的重點(diǎn)。8.2 化學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與材料的自動化管理系統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與材料的自動化管理系統(tǒng)是由計算機(jī)應(yīng)用軟件、計算機(jī)硬件和一些輔助系統(tǒng)構(gòu)成的

7、體系。其目的是利用計算機(jī)的存儲、檢索、記憶、計算和提示輸出等方面的特點(diǎn)，對化學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用和存儲的大量材料、儀器設(shè)備和其他信息進(jìn)行實(shí)時、動態(tài)和自動化管理。提高實(shí)驗(yàn)室的操作和管理水平。如上所述，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備與材料的自動化管理系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)、化學(xué)藥品材料管理系統(tǒng)和儀器設(shè)備維護(hù)校正管理系統(tǒng)等三方面內(nèi)容。上述管理系統(tǒng)的主要部分為應(yīng)用計算機(jī)的智能數(shù)據(jù)庫技術(shù)編寫的專用管理軟件和存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的動態(tài)數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)的功能包括數(shù)據(jù)的動態(tài)輸出和輸入（開放性數(shù)據(jù)庫），信息的自動化控制等。8.2.1實(shí)驗(yàn)室信息自動化管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室信息自動化管理系統(tǒng)(Laboratory Information Man

8、agement System, LIMS)主要用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中人事、設(shè)備、材料、任務(wù)、數(shù)據(jù)等信息的自動化管理。如人員組成和責(zé)任分工，設(shè)備的規(guī)格、數(shù)量、生產(chǎn)廠家和工作狀況，實(shí)驗(yàn)室各種試劑材料的儲備數(shù)量、采購計劃和使用處理方案、實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的任務(wù)計劃和完成情況、實(shí)驗(yàn)室研究成果、實(shí)驗(yàn)報告和出具鑒定文件等管理工作。這些煩瑣復(fù)雜的工作經(jīng)由計算機(jī)處理之后，可以減輕實(shí)驗(yàn)室工作人員的工作量，提高工作效率和工作的準(zhǔn)確性。絕大多數(shù)LIMS軟件都是用數(shù)據(jù)庫語言編輯成或者說是建立在數(shù)據(jù)庫操作平臺上的，如dBase，F(xiàn)oxBASE等。程序編輯過程通過將需要存儲處理的信息分類成信息條，根據(jù)信息的性質(zhì)設(shè)計詞條的長短、屬性、格

9、式和精度等，再通過計算、排序和搜索等命令在詞條之間建立有機(jī)聯(lián)系，最后通過包裝、建立操作界面和確立輸出格式等過程構(gòu)成完整的LIMS應(yīng)用軟件。這類軟件一般都具有如下功能：1實(shí)驗(yàn)室信息數(shù)據(jù)的輸入輸出功能：由于該系統(tǒng)管理的是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部產(chǎn)生的各種信息，信息的及時輸入成為系統(tǒng)的首要任務(wù)，即可以隨時將變化的信息輸入到計算機(jī)中。完成上述任務(wù)要求系統(tǒng)必須具有良好的開放度和方便的輸入界面。為了充分利用該系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)室工作的知道作用，柔性度高的結(jié)果輸出功能也是重要的。計算機(jī)通過信息間的相互關(guān)系，自動將上述變化的輸入信息反應(yīng)在相關(guān)信息的變化上。經(jīng)過計算處理的實(shí)驗(yàn)室信息可以隨時根據(jù)實(shí)際需要，按照設(shè)定的格式打印或以其他形式

10、輸出，用于制作各種報告、報表等。2實(shí)驗(yàn)室信息數(shù)據(jù)的檢索功能：及時、準(zhǔn)確地了解存儲在數(shù)據(jù)庫中的動態(tài)信息是實(shí)驗(yàn)室信息自動化管理的前提，因此檢索實(shí)驗(yàn)室信息數(shù)據(jù)是該系統(tǒng)的必備功能。在LIMS軟件的建立過程中，需要通過已知信息與檢索信息建立相互關(guān)系，由計算機(jī)進(jìn)行對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行搜索查詢，有時還要進(jìn)行加工處理，完成自動檢索、計算和查詢，給出需要的特定數(shù)據(jù)信息。目前很多數(shù)據(jù)庫編輯平臺都提供建立各種檢索方法的功能。良好的信息數(shù)據(jù)檢索功能可以保證實(shí)驗(yàn)室工作人員隨時了解掌握實(shí)驗(yàn)室工作動態(tài)。3信息提示和實(shí)驗(yàn)室自動化管理功能：為了充分開發(fā)利用計算機(jī)的交互式功能，提高實(shí)驗(yàn)室自動化管理水平，某些LIMS軟件具有信

11、息自動提示功能，如某種材料或試劑消耗到臨界值以下時，或者某種化學(xué)藥品存儲條件不符合安全規(guī)范時，某些材料臨近或超過保存期時計算機(jī)能及時給予提示警告；當(dāng)與其他通訊和控制設(shè)施相結(jié)合時，還可以根據(jù)事先設(shè)定的程序，在必要時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的自動化管理，如藥品材料的訂購、加工處理，實(shí)驗(yàn)過程的自動執(zhí)行、檢測和結(jié)果打印等。上述各項是對LIMS軟件的基本要求。當(dāng)前適合于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的國內(nèi)外LIMS專用軟件有許多種，有些是各實(shí)驗(yàn)室或大學(xué)等教學(xué)和研究機(jī)構(gòu)自主開發(fā)的軟件，更多的是由一些化學(xué)軟件公司開發(fā)的商業(yè)軟件。獲取上述軟件或軟件購置信息可以通過美國化學(xué)會的ChemCenter網(wǎng)站（rg）了解。其中通過LabGuide（

12、http:/www. labguidebuyers.ims.ca/search/default.asp）的化學(xué)軟件檢索功能可以鏈接很多化學(xué)軟件提供商，提供軟件信息或者直接下載共享軟件。LabGuide中的軟件目錄中有專門的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LIMS)部分。根據(jù)使用目的和使用環(huán)境不同，軟件的功能和類型也各種各樣。實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)軟件、硬件的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)引起國際上生產(chǎn)和研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，目前國際上每年召開一次LIMS學(xué)術(shù)討論會，99年的國際LIMS年會暨軟件產(chǎn)品展覽會于6月23-25日在瑞士的巴塞爾會展中心舉行。其中主要議題包括LIMS與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布、標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)系，LIMS與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的

13、結(jié)合，LIMS與技術(shù)進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)室全自動化的關(guān)系，LIMS與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，LIMS和無紙化實(shí)驗(yàn)室（電子訂購和電子化檢驗(yàn)報告），LIMS的結(jié)構(gòu)與功能分析等。從內(nèi)容中可以看出LIMS當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢。當(dāng)前比較典型的LIMS軟件有Advanced Chemistry Development Inc.公司推出的ACD/SLIMS（帶有光譜數(shù)據(jù)庫），Applied Computer Systems公司推出的ACS LIMS, Karl Blome KG公司推出的InfoLAB, Dynamic Databases 公司推出的LabMaster和SYSWARE Healthcare Systems公司的

14、PowerLab軟件等。由于各軟件的開發(fā)環(huán)境不同，使用方法也各不相同，加上價格和信息方面的原因，上述軟件產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用的還不普遍。國內(nèi)使用較多的是一些各大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)自己開發(fā)的LIMS軟件，在功能上還有待于進(jìn)一步提高?？傊壳皝砜催€沒有一種類型的軟件在國內(nèi)使用中占據(jù)較大份額。有關(guān)該類軟件的使用方法請參閱相關(guān)產(chǎn)品的使用說明，或者通過上面介紹的網(wǎng)站上提供的相關(guān)信息獲取該類軟件產(chǎn)品的性能指標(biāo)。8.2.2 化學(xué)藥品與材料管理系統(tǒng)在現(xiàn)代化的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，包括各種有機(jī)和無機(jī)合成實(shí)驗(yàn)室、分析測試實(shí)驗(yàn)室、生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等都存儲和使用數(shù)量極大的各種規(guī)格的化學(xué)試劑、溶劑和實(shí)驗(yàn)材料；同時各種實(shí)驗(yàn)室還有大量合成產(chǎn)品和

15、中間產(chǎn)物需要保存、管理和使用，它們不僅數(shù)量眾多，規(guī)格各異，品種繁雜；而且由于性質(zhì)和穩(wěn)定性方面的原因，在存儲條件、使用范圍、安全事項方面有相當(dāng)大的差別?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室對于上述化學(xué)藥品和材料的管理是一項要求很高的技術(shù)性任務(wù)。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中利用計算機(jī)技術(shù)，采用特定的專用應(yīng)用軟件對上述物質(zhì)進(jìn)行動態(tài)管理可以提高實(shí)驗(yàn)室管理水平，具有經(jīng)濟(jì)和社會意義?；瘜W(xué)藥品與材料管理系統(tǒng)(Manage Chemical Inventory system, MIS)是完成上述任務(wù)的一類有效軟件工具。以ChemSW軟件公司出版的CISTM標(biāo)準(zhǔn)版和增強(qiáng)版軟件為例，一般這類軟件具有的功能包括：1存儲相關(guān)的化學(xué)信息：采用該軟件可以將實(shí)驗(yàn)

16、室使用的或者關(guān)心的相關(guān)化學(xué)試劑和化學(xué)物質(zhì)的CAS登記號、結(jié)構(gòu)式、物理性狀等信息輸入計算機(jī)儲存。上述信息數(shù)據(jù)供使用者需要時查詢。2存儲相應(yīng)試劑與材料的保存和供貨信息：在軟件中可以輸入化學(xué)材料的來源信息，包括化學(xué)藥品和材料的供貨商、價格、包裝和質(zhì)量規(guī)格等信息。根據(jù)上述信息指導(dǎo)化學(xué)材料和試劑的購置和補(bǔ)充。3存儲安全信息：將化學(xué)藥品的危險信息和保管方法輸入軟件，如化學(xué)藥品的危險等級、危害方式，存儲要求及處理方法等。當(dāng)處理、使用這些化學(xué)藥品時供使用者參考。4存儲化學(xué)藥品的狀態(tài)信息：如藥品名稱、存放地點(diǎn)、質(zhì)量狀態(tài)等。根據(jù)上述信息隨時掌握藥品的庫存信息。在需要時可以提供多種報告形式，供管理部門使用。5提供多

17、種格式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入與輸出的接口：輸入的數(shù)據(jù)可以從dBase、Text和Paradox格式軟件輸入，并自動轉(zhuǎn)換成軟件需要的標(biāo)準(zhǔn)格式。數(shù)據(jù)輸出也可以用文本方式，或者以表格方式。6提示與警報功能：根據(jù)輸入的各種信息進(jìn)行分析判斷，軟件可以定期提供存量報告，超過存儲量和存儲期危險提示，定期安全檢查提示，泄露報警（配用敏感器）等功能。協(xié)助實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)行更為科學(xué)的管理。7放射性物質(zhì)存儲信息提示：根據(jù)需要，軟件可給出放射性物質(zhì)的名稱、半衰期、當(dāng)前放射性活性值等數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要輸出相應(yīng)報告。上述軟件當(dāng)前的價格在700-900美元之間。MIS軟件也是數(shù)據(jù)庫類軟件，構(gòu)筑方式和軟件結(jié)構(gòu)也與LIMS軟件相類似。一般在數(shù)

18、據(jù)條目的長短、屬性、格式和精度等參數(shù)設(shè)定之后，還要根據(jù)化學(xué)藥品的安全性能、穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)室使用要求等設(shè)定一些閾值，在超過閾值時能夠給出提示或報警。同樣，在各條目間要建立必要的相互關(guān)系，能夠動態(tài)地反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化。有些還需要設(shè)定檢測系統(tǒng)，如有效期記錄，泄露檢測等。為了方便使用，目前還開發(fā)出與計算機(jī)系統(tǒng)相連的手持式數(shù)據(jù)輸入收集器、條形碼打印和閱讀器等，大大提高工作效率。鑒于化學(xué)藥品和材料安全性是一個相當(dāng)復(fù)雜和重要的內(nèi)容，目前還有各種專門的軟件用于處理化學(xué)藥品與材料安全管理的任務(wù)，如ChemSW軟件公司有MSDS(Material Safety Data Sheets) CD-ROM, MSDS Dig

19、ital Filing Cabinet, MSDS Report Manager等專用軟件和計算機(jī)閱讀材料供選購。使用該類軟件所包括的工作有實(shí)驗(yàn)室化學(xué)藥品數(shù)據(jù)的輸入，實(shí)驗(yàn)室藥品相關(guān)數(shù)據(jù)的檢索和輸出各種格式的報告三個方面。該類軟件都是開放性的，給使用者留有較大的開發(fā)空間，在很多情況下可以根據(jù)使用者的具體需求和實(shí)際情況添加和修改某些條目。8.2.3 儀器設(shè)備維護(hù)校正管理系統(tǒng)目前在各類化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的儀器設(shè)備越來越多，越來越復(fù)雜，如何使用和維護(hù)好這些價值不菲的儀器設(shè)備，使其花費(fèi)最小的代價，發(fā)揮最大效益，顯然是實(shí)驗(yàn)室工作人員的重要職責(zé)。計算機(jī)輔助儀器設(shè)備維護(hù)校正系統(tǒng) (Instrument Main

20、tenance and Calibration System, IMCS) 在這方面可以起到良好作用。這類軟件從分類上也屬于實(shí)驗(yàn)室信息自動化管理系統(tǒng)，其服務(wù)對象是那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)難度大的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備。相當(dāng)于一個動態(tài)的電子化儀器設(shè)備維護(hù)校正記錄本。仍以ChemSW軟件公司的產(chǎn)品IMCS Pro 2000為例，該軟件是基于WINDOWS操作平臺的儀器設(shè)備維護(hù)跟蹤記錄軟件，供實(shí)驗(yàn)室工作人員和設(shè)備維護(hù)人員記錄跟蹤儀器設(shè)備的使用、維修和維護(hù)過程，并給該類人員的儀器設(shè)備維護(hù)校正工作提供參考數(shù)據(jù)。該軟件能夠?qū)⒁粋€任何規(guī)模實(shí)驗(yàn)室的所有不同種類的儀器設(shè)備使用狀況、維護(hù)和維修過程、當(dāng)前技術(shù)參數(shù)等記錄在一個動態(tài)

21、管理軟件內(nèi)。該軟件能夠保存每一臺儀器設(shè)備，甚至是一個零部件的詳細(xì)信息，如產(chǎn)品的系列號、財產(chǎn)登記號、狀態(tài)描述、型號、生產(chǎn)廠和銷售商信息、使用注意事項和儀器設(shè)備類型等；而且還可以記錄儀器設(shè)備的安裝和使用位置、目前狀態(tài)（如良好、帶病使用、待修、報廢等）、管理單位和使用者姓名、電話、住址，以及使用說明書的存放位置等信息。該軟件的功能還包括記錄在使用過程中儀器設(shè)備出現(xiàn)的任何問題和故障，當(dāng)需要時可以立刻列出記錄的所有存在問題和故障現(xiàn)象，供維修人員參考。當(dāng)故障排除后利用該軟件可以記錄諸如維修方法、人員、時間和維修費(fèi)等內(nèi)容，并與發(fā)生的故障現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)，為今后維護(hù)與維修提供參考。這些功能對于儀器設(shè)備的定期維護(hù)、校

22、正和檢查是非常有用的信息。該軟件還提供自動日歷提示功能，提示某儀器設(shè)備的定期維護(hù)和檢查時間。這些功能對于實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的日常管理是非常必要和有效的。當(dāng)然，該軟件能夠提供的服務(wù)取決于使用者在使用過程中給軟件提供的信息是否及時和完整。因此及時將上述信息輸入計算機(jī)是軟件使用過程中最重要一環(huán)。特別是軟件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時更新是保證軟件效能的必要條件。8.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計算機(jī)化收集處理在各類化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，都需要使用大量分析測試儀器。在分析測定過程中獲得的大量分析數(shù)據(jù)一般都需要進(jìn)行收集并加工處理。根據(jù)分析測試儀器和分析方法的不同，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是多種多樣的。如化學(xué)分析中的重量、容量、色值等，電化學(xué)分析中的電導(dǎo)、電

23、壓、電流等，光譜分析中的波長、頻率、相位等，熱分析中的熱導(dǎo)、熱失重等，色譜分析中的保留時間、峰高和峰面積等，以及各種物理常數(shù)測定中的各種信號值。上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅表現(xiàn)形式不同、單位各異，而且有時還受到其他信號的干擾。因此上述信號一般必須經(jīng)過收集和適當(dāng)處理才能成為有用的分析數(shù)據(jù)。處理上述信息的科學(xué)被稱為化學(xué)計量學(xué)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理包括手工收集處理、機(jī)械收集處理和計算機(jī)收集處理三種方式。利用計算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和處理，具有快速、準(zhǔn)確和可以自動化的特點(diǎn)。用計算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理是分析測試過程計算機(jī)化的重要組成部分（另一部分是分析儀器設(shè)備的計算機(jī)自動控制）。計算機(jī)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集處理還可

24、以劃分成實(shí)時收集處理和分時收集處理，前者表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理同時進(jìn)行，是當(dāng)前發(fā)展的方向。由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前不僅能夠?qū)χT如色譜、紅外、紫外可見、核磁共振、原子吸收和發(fā)射光譜、X-光衍射等自動化程度高的分析儀器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時收集處理，而且對各種濕化學(xué)、電化學(xué)分析法產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也能夠進(jìn)行自動收集和處理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計算機(jī)化處理系統(tǒng)，是由以專用接口電路硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，以及計算機(jī)和分析儀器共同構(gòu)成的綜合體系，其中建立接口電路和編寫或使用數(shù)據(jù)收集處理軟件一般是屬于實(shí)驗(yàn)室工作人員的工作內(nèi)容或其中的主要參與者。根據(jù)使用目的不同可以將該系統(tǒng)劃分為以下兩部分：8.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和分析利

25、用計算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與分析需要完成以下任務(wù)：首先要將儀器設(shè)備獲得的分析信息完整準(zhǔn)確地由連續(xù)的模擬信號，如電壓、電流、波形等轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別處理的離散的數(shù)字信號；其次是通過電纜和接口電路將數(shù)字信號完整準(zhǔn)確地傳送給計算機(jī)。最后是需要對收集到的信號進(jìn)行識別處理，以區(qū)分隨機(jī)噪音和有用實(shí)驗(yàn)信息。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一種稱為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)備，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要功能是將輸入的模擬信號VA相對于模擬參考量VR轉(zhuǎn)換成數(shù)字化輸出量D。一個理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器其輸入與輸出的關(guān)系要滿足： VA = D VR模數(shù)轉(zhuǎn)換器都有集成化的商品電路出售，可以根據(jù)需要收集信息的具體要求，如信息傳輸速度、測量精

26、度、測量范圍等進(jìn)行選擇。根據(jù)工作方式不同，常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要有以下四種類型：記數(shù)方式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、逐次逼近方式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、雙積分方式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和并行轉(zhuǎn)換方式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。除了那些自身帶有計算機(jī)的大型分析儀器自身結(jié)構(gòu)中已經(jīng)帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置以外，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行數(shù)據(jù)收集都需要在分析儀器與計算機(jī)輸入端口之間加入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將分析測試得到的連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信息供給計算機(jī)進(jìn)行處理。為了保證數(shù)據(jù)收集傳輸?shù)目煽啃?，在計算機(jī)與分析儀器設(shè)備之間還需要一定的含有緩存器、計數(shù)器、控制器等電路的電子部件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸出輸入控制，稱為接口電路。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，有并行輸出輸入接口(

27、PIO)和串行輸出輸入接口(SIO)。它們與模數(shù)和數(shù)摸轉(zhuǎn)換器一起構(gòu)成分析數(shù)據(jù)接口設(shè)備。目前還有一些新型接口電路在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集中被采用，如通用串行總線接口(Universal Serial Bus, USB)，可以將多種設(shè)備通過星型集線器與計算機(jī)連接，不僅連接的儀器數(shù)目不受計算機(jī)接口數(shù)目的限制。而且傳輸速率比常規(guī)串行和并行接口都高。在某些高檔和高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備中還有采用小型計算機(jī)接口系統(tǒng)(small computer system interface, SCSI)，用以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性。計算機(jī)數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)的另一個任務(wù)是對干擾信號的排除和分析信號的識別。由于各種各樣的原因，從分析

28、儀器得到的信息中總會含有或高或低的噪音信號，干擾分析數(shù)據(jù)的處理，因此必須要利用信息識別技術(shù)，采取措施排除噪音信號，提高有用分析信號的識別率。消除噪音信號的方法主要有兩種：一種是利用電子濾波線路進(jìn)行硬件噪音濾除。一般需要在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被模數(shù)轉(zhuǎn)換之前進(jìn)行。另一種是計算機(jī)數(shù)值消噪法，是通過計算機(jī)軟件對信號進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算消除噪音，需要在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被模數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行。這種方法需要編制特定的計算機(jī)程序。根據(jù)運(yùn)算方法不同，函數(shù)運(yùn)算消除噪音法包括平滑法(smoothing)、累加平均法(averaging)，其中平滑法還可以分為移動平均法，代數(shù)擬合法、適應(yīng)平滑法和頻率域平滑法等方法。其基本根據(jù)是噪音一般都是無規(guī)則的和

29、隨機(jī)出現(xiàn)的突發(fā)信號，而分析信號多為有規(guī)律的漸變信號。當(dāng)然，對于那些特殊的分析信號也要采用特殊的方法來進(jìn)行消噪處理。經(jīng)過消除噪音處理之后即可進(jìn)行分析信號識別。分析信號識別就是讓計算機(jī)將分析信號與噪音信號區(qū)別開來。常用的識別方法主要有基線帶法和斜率法，其理論依據(jù)分別為當(dāng)信號值大于噪音平均值若干倍時確定為分析信號和當(dāng)兩點(diǎn)間信號斜率大于某個確定值時確定為分析信號。有時，如在色譜數(shù)據(jù)處理中還采用最小峰面積來區(qū)分有效分析數(shù)據(jù)。分析信號識別在很大程度上是由操作者根據(jù)儀器特性和分析的實(shí)際樣品情況決定的，有一定的主觀隨意性，選擇何種信號識別方法需要操作者對收集得到的化學(xué)信號性質(zhì)有較深刻的理解。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅

30、速發(fā)展，近年來個人計算機(jī)的計算能力已經(jīng)得到幾十倍的提高，而價格則相對下降。因此選擇個人計算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集與處理已經(jīng)完全能夠勝任。此外，計算機(jī)在各個化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的迅速普及，除了那些為了刻意為了降低造價而選擇單板機(jī)等少數(shù)情況外，使用個人計算機(jī)擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)收集和處理任務(wù)已經(jīng)成為趨勢。8.3.2 分析數(shù)據(jù)的計算機(jī)化處理對通過上述手段獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)化處理從廣義上講包括兩方面的內(nèi)容：一方面是通過對原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測定、計算等處理過程，獲取有效分析參數(shù)，如色譜分析中通過對色譜圖的計算處理得到保留時間、峰高、峰面積、半峰寬等參數(shù)。另一方面是對某些不可辨別的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理，使之成為可以辯讀的正

31、常數(shù)據(jù)，如在傅立葉變換紅外分析(FT-IR)中采用傅立葉變換技術(shù)處理紅外干涉圖，將其轉(zhuǎn)換成正常的紅外光譜圖的過程。前者屬于分析數(shù)據(jù)的后處理過程，目的在于獲得有效分析參數(shù)。后者則從方法上根本改變分析測試過程。1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的后處理過程：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的后處理過程常常根據(jù)采用的實(shí)驗(yàn)儀器不同、分析方法不同和分析目的不同而不同，但是最常見的處理過程一般都包括信號強(qiáng)度確定（峰高）、峰位置確定（橫坐標(biāo)位置，包括相對距離）、峰面積計算（曲線橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的積分值）、峰寬測定，以及其他參數(shù)的計算等。用計算機(jī)測定峰位置通常采用的方法包括峰頂法、微分法和二次微分法。其中峰頂法是依據(jù)強(qiáng)度（縱坐標(biāo)）最大時橫坐標(biāo)所在位置確定為峰

32、位置，微分法則利用對曲線求導(dǎo)數(shù)時其值為零時確定為峰在橫坐標(biāo)所在位置，二次微分法是根據(jù)二次微分曲線最小時所在位置確定峰位。其中二次微分法的抗干擾能力比較強(qiáng)，適合復(fù)雜樣品的分析。峰高確定方法包括峰頂法、平均峰高法和代數(shù)擬合法，分別適應(yīng)于不同情況。其中代數(shù)擬合法適合于重疊峰高的處理。峰面積的處理方法種類更加多樣，需要根據(jù)實(shí)際情況加以選擇確定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的后處理一般都是在信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過應(yīng)用程序來解決。這類應(yīng)用程序的編制過程包括確定處理方法、給出數(shù)學(xué)處理過程、編制應(yīng)用程序這樣三個步驟。2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變換方法：上述數(shù)據(jù)處理方法是在不改變分析測定方法的前提下對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得有用的分析參數(shù)或者提高分

33、析精度。然而，采用某些數(shù)學(xué)方法還可以改變或簡化分析過程，提高儀器的性能和工作范圍。其中最具典型意義的是傅立葉變換技術(shù)在分析化學(xué)方面的應(yīng)用。目前傅立葉變換紅外(FT-IR)，傅立葉變換質(zhì)譜(FT-MS)和傅立葉變換核磁共振(FT-NMR)已經(jīng)成為該領(lǐng)域高檔儀器的主流。以紅外波譜儀為例，常規(guī)的分析儀器為了得到不同波長下的吸收波譜，需要采用單色器和頻率掃描過程，因此獲得一個完整的圖譜需要較長時間。采用傅立葉變換技術(shù)后，分析儀器可以不經(jīng)過掃描，在一定范圍內(nèi)將電磁波能量同時作用于樣品，并將觀測到的時間域波形數(shù)據(jù)，通過傅立葉變換進(jìn)行快速數(shù)學(xué)處理，轉(zhuǎn)換成習(xí)慣上的頻率域圖譜。傅立葉變換技術(shù)的引進(jìn)不僅大大簡化了

34、分析儀器結(jié)構(gòu)，消除了單色器和掃描過程，而且大大提高分析速度和靈敏度，使之可以與色譜等分離型儀器聯(lián)用，構(gòu)成功能強(qiáng)大的復(fù)雜體系定性定量分析系統(tǒng)。由于傅立葉變換技術(shù)需要在很短時間內(nèi)進(jìn)行大量復(fù)雜數(shù)學(xué)計算，因此計算機(jī)在其中起著不可替代的作用。傅立葉變換紅外光譜是將紅外光雙光束的干涉圖通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，復(fù)原為頻率域的常見紅外圖譜。其干涉圖譜函數(shù)與變換后頻率域圖譜函數(shù)的關(guān)系如下： 將實(shí)驗(yàn)信號通過上述關(guān)系進(jìn)行變換即稱為傅立葉變換技術(shù)。由于經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后計算機(jī)收集得到的數(shù)據(jù)是離散的，因此在計算方法上與常規(guī)方法也有所區(qū)別。下面是用BASIC語言編寫的Sande-Tukey 快速傅立葉變換算法程序。除了通過

35、該程序了解計算機(jī)解決傅立葉變換的數(shù)學(xué)方法之外，在需要對分析信號進(jìn)行傅立葉變換處理時該程序具有參考意義。100 DEFINT G-Q:I=0:J=0:K=0:P=0:L=0:H=0:G=0:Q=0110 N=128:M=LOG(N)/LOG(2)120 DIM XR(N),XI(N),S(N/2),C(N/2)130 A=0:B=3.141592*2/N140 FOR I=0 TO N/2150 S(I)=SIN(A):C(I)=COS(A):A=A+B160 NEXT170 ,180 , *FF*190 ,200 L=N:H=1210 FOR G=1 TO M:L=L/2:K=0220 FOR

36、 Q=1 TO H:P=0230 FOR I=K TO L+K-1: J=1+L240 A=XR(I)+XR(J):XI(I)=XI(I)+XI(J)250 XR(I)=XR(I)+XR(J):XI(I)=XI(I)+XI(J)260 IF P=0 THEN XR(J)=A:XI=(J)=B: GOTO 280270 XR(J)=A*C(P)+B*S(P):XI(J)=B*C(P)-A*S(P)280P=P+H:NEXT290K=K+L+L:NEXT Q300 H=H+H:NEXT G310 , BIT-REVERSAL320 J=N/2330 FOR I=1 TO N-1:K=N340 IF

37、 J<I THEN SWAP XR(I), XR(J):SWAP XI(I),XI(J)350 K=K/2:IF J>=K THEN J=J-K:GOTO 350360 J=J+K370 NEXT380 RETURN與傅立葉變換紅外光譜法中紅外光連續(xù)照射不同，在傅立葉變換核磁共振(FT-NMR)中外加射頻是短促脈沖，脈沖過后得到樣品自旋系統(tǒng)的相應(yīng)自由感應(yīng)衰減訊號FID，F(xiàn)ID信號經(jīng)過傅立葉變換后得到正常的核磁共振譜圖。傅立葉變換質(zhì)譜(FT-MS)利用離子回旋共振原理進(jìn)行質(zhì)譜分析，F(xiàn)T-MS將離子源、質(zhì)量分析器和離子接受器合為一體，分子碎片檢測用立方體分析池完成。在接受板上得到的離子

38、激發(fā)衰減信號(IED)(時間域函數(shù))經(jīng)傅立葉變換得到頻率域的正常質(zhì)譜圖。從上面介紹可以看出，采用了傅立葉變換技術(shù)之后，紅外光譜儀消除了單色器和波長掃描裝置，紅外光譜數(shù)據(jù)可以在一瞬間得到。核磁共振和質(zhì)譜也可以免除掃描時間的限制，通過傅立葉變換技術(shù)直接從瞬時得到的FID或IED信號得到相應(yīng)的核磁共振圖和質(zhì)譜圖。由于測定時間的大大縮短，可以采用多次測定進(jìn)行信號累加的方式提高儀器的靈敏度。由此可見，傅立葉變換技術(shù)不僅提高了分析儀器的性能（靈敏度提高，分析速度加快，可分析范圍加大），而且大大簡化了分析儀器的結(jié)構(gòu)，利用計算機(jī)的計算能力替代了許多硬件功能（如IR的單色器、掃描裝置，MS的磁場和電場掃描裝置等

39、），甚至能夠完成采用常規(guī)儀器所無法完成的任務(wù)（如多維核磁共振、多次累加、與色譜聯(lián)用等）。在數(shù)據(jù)變換技術(shù)方面，除了傅立葉變換技術(shù)以外，當(dāng)前還有其他一些數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到化學(xué)分析測試中。其中研究最多，最有應(yīng)用潛力的是小波變換技術(shù)。同樣可以將時間域信息轉(zhuǎn)換成頻率域信號。對上述內(nèi)容有興趣的讀者請參閱相關(guān)文獻(xiàn)和書籍。8.4 化學(xué)數(shù)據(jù)庫技術(shù)在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)是現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中重要的技術(shù)之一。眾所周知，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的日常工作中查找相關(guān)化學(xué)數(shù)據(jù)耗費(fèi)了大量時間和精力。常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中為了滿足上述需求都備有各種各樣的手冊供隨時查詢。對于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室日常產(chǎn)生的大量化學(xué)信息，如合成產(chǎn)物和中間體的相關(guān)信息，需要精

40、心收集和整理，以備需要時查詢。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，采用計算機(jī)技術(shù)承擔(dān)數(shù)據(jù)收集、整理、存儲和查詢?nèi)蝿?wù)成為可能。完成上述任務(wù)就需要計算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室中常用的數(shù)據(jù)庫技術(shù)包括數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)技術(shù)，化學(xué)數(shù)據(jù)庫的使用技術(shù)。兩者對于化學(xué)工作者來說都具有重要意義。數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)技術(shù)涉及到計算機(jī)編程技術(shù)，需要用到許多數(shù)據(jù)庫語言編輯平臺或通用數(shù)據(jù)庫平臺，如目前比較流行的微軟公司產(chǎn)品Excel等。這些軟件的使用在大學(xué)理工科教學(xué)中在計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程中講授，此外也有大量的專門書籍介紹，雖然這方面的知識對于化學(xué)工作者非常重要，在本章中仍不作為重點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫的使用技術(shù)，特別是化學(xué)專用數(shù)據(jù)庫的使用技術(shù)

41、是是本節(jié)的內(nèi)容之一。根據(jù)用途劃分，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的數(shù)據(jù)庫包括化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫、物理化學(xué)數(shù)據(jù)庫和分析化學(xué)用光譜數(shù)據(jù)庫三類。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的信息來源進(jìn)行劃分還可以分成自建數(shù)據(jù)庫和商業(yè)數(shù)據(jù)庫，或者兩者兼而有之的開放式商業(yè)數(shù)據(jù)庫。8.4.1 化合物信息數(shù)據(jù)庫在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用或制備的化合物需要了解其物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)信息，在文獻(xiàn)中得到的信息也希望簡要地保存下來，自己合成的化合物或者中間產(chǎn)物的相關(guān)信息也需要妥善整理保存，與自己感興趣的研究領(lǐng)域相關(guān)的化合物信息也是日常收集的對象。以往這些記錄這些信息需要進(jìn)行手工操作。利用計算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以更好地完成上述工作。目前有許多數(shù)據(jù)庫軟件用于上述目的。

42、比較著名的有MDL公司的ISIS/Base和CambridgeSoft公司的ChemFinder Pro。兩個軟件的基本功能類似，其中ChemFinder 是著名化學(xué)軟件套裝ChemOffice中的一個組件。該軟件主要功能是進(jìn)行化合物信息管理，作為化合物信息管理軟件，提供存儲化合物結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、光譜數(shù)據(jù)等。其作用完全可以替代以往化學(xué)工作者的記錄卡片。與其他兩個組件ChemDraw和Chem3D相結(jié)合，可以用ChemDraw繪制分子結(jié)構(gòu)，用Chem3D觀察三維空間構(gòu)型，用ChemFinder 存儲相關(guān)信息。軟件提供存儲化學(xué)信息表的模板，你可以直接使用它們填入你的數(shù)據(jù)；你也可以根據(jù)需要

43、制作你自己喜歡的數(shù)據(jù)表，提供相當(dāng)大的柔性。在查找數(shù)據(jù)時可以使用你填入的多種信息作為檢索因素，包括分子結(jié)構(gòu)、分子式、分子量、關(guān)鍵詞、序號，甚至是分子的部分結(jié)構(gòu)。這類數(shù)據(jù)庫中存儲的信息主要來源于操作者本人和同事，因此我們稱這類數(shù)據(jù)庫為自建數(shù)據(jù)庫。除了自建數(shù)據(jù)庫之外，還有一類內(nèi)部預(yù)先存儲大量化合物或化學(xué)反應(yīng)相關(guān)信息的化合物信息數(shù)據(jù)庫，一般來說這類數(shù)據(jù)庫的規(guī)模更大，存儲的信息更多。但是信息中可能會有很大一部分與自己關(guān)系不大，因此專一性不強(qiáng)。美國信息科學(xué)研究所ISI的產(chǎn)品ChemPrep就是一種以化合物合成信息為對象的數(shù)據(jù)庫。為了彌補(bǔ)這個缺點(diǎn)，也有一些軟件公司生產(chǎn)了一些專門存儲某一類化合物的專業(yè)性數(shù)據(jù)庫

44、，如藥用數(shù)據(jù)庫、毒物數(shù)據(jù)庫等。還有一些規(guī)模更大的化合物數(shù)據(jù)庫，多數(shù)運(yùn)行在大型計算機(jī)上，需要通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行查詢，這部分內(nèi)容已經(jīng)不屬于本章范圍。8.4.2 光譜信息數(shù)據(jù)庫這里所指的光譜數(shù)據(jù)庫是以應(yīng)用與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的，專門存儲化合物光譜（色譜）數(shù)據(jù)，用于輔助化合物分析鑒定的計算機(jī)化數(shù)據(jù)庫。其作用相當(dāng)于以往紅外光譜卡片或手冊等。這類數(shù)據(jù)庫也有兩種類型，即以收集操作者自己最關(guān)心化合物的自建數(shù)據(jù)庫和事先已經(jīng)存儲好信息的通用型數(shù)據(jù)庫。確定有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)是分析化學(xué)中的一項極為重要，而又難度極大的工作，特別是對于復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)鑒定往往需要昂貴的儀器設(shè)備，并要耗費(fèi)大量時間和人力。即使這樣仍有許多化合物的定

45、性定量分析成為化學(xué)實(shí)驗(yàn)室難于解決的問題之一。有機(jī)化合物的種類繁多，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的種類已經(jīng)超過了兩千萬種以上。同時，由于有機(jī)化合物中碳原子的多價性和四面體構(gòu)型，使其能夠產(chǎn)生相當(dāng)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。因此進(jìn)行有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)分析一直是分析化學(xué)領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)性的工作。有機(jī)化合物的分子結(jié)構(gòu)鑒定工作主要依靠以下幾種方法：一種是通過與已知結(jié)構(gòu)化合物的物理化學(xué)參數(shù)對比，測定數(shù)據(jù)與其完全相同時認(rèn)為其結(jié)構(gòu)也相同。這種方法需要收集比較全面的物理化學(xué)數(shù)據(jù)，分析測定條件要保持嚴(yán)格一致，對沒有收集到詳細(xì)數(shù)據(jù)的，或者新發(fā)現(xiàn)的化合物無法應(yīng)用該方法。另一種是通過對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解釋，推演出分子結(jié)構(gòu)。這種方法幾乎適用于所有有機(jī)化

46、合物。但是由于當(dāng)前化學(xué)理論還不完善，在實(shí)際應(yīng)用時許多物理化學(xué)數(shù)據(jù)與分子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系還不十分明確，還無法保證能夠獲得完全準(zhǔn)確的分子結(jié)構(gòu)信息，目前還不能廣泛使用。此外，經(jīng)典的分析測定與合成、降解反應(yīng)相結(jié)合的方法仍然在使用。由此可見，盡管第一種方法存在著一定局限性，但是仍然是目前最常使用的鑒定方法。積累盡可能全的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)庫與建立完善準(zhǔn)確的分析解釋理論同樣是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)分析的主要發(fā)展方向。本世紀(jì)中葉以來，由于紅外、紫外可見、核磁共振和質(zhì)譜等波譜分析方法的創(chuàng)立，給有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定提供了強(qiáng)有力的分析工具，被稱為分析化學(xué)的“四大光譜”。由于波譜分析方法對有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特征反應(yīng)靈敏，相關(guān)性強(qiáng)

47、，定性準(zhǔn)確，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)分析。目前所常說的用于分子結(jié)構(gòu)分析的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫主要是指“四大光譜”數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過科學(xué)家長期艱苦努力，目前已經(jīng)建立了多種波譜數(shù)據(jù)庫，收集的標(biāo)準(zhǔn)化合物譜圖已經(jīng)達(dá)到幾十萬到近百萬張。雖然龐大的波譜數(shù)據(jù)庫給分子結(jié)構(gòu)鑒定創(chuàng)造了良好條件，但是數(shù)量如此龐大的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫也給檢索查詢帶來相當(dāng)大的困難。采用計算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)是解決這一問題的最好方法。計算機(jī)波譜數(shù)據(jù)庫可以將輸入的被測物波譜圖與數(shù)據(jù)庫中數(shù)量巨大的標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行一一對照，可以在幾分鐘，甚至幾秒鐘的時間內(nèi)完成對照檢索任務(wù)，而人工完成同樣任務(wù)往往需要花費(fèi)幾天的時間。上述帶有龐大波譜數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)系統(tǒng)被稱為計算機(jī)輔助

48、波譜檢索系統(tǒng)。利用計算機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)譜圖檢索和進(jìn)行未知物譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖的對比分析必須具備以下條件：首先應(yīng)該擁有包括大量標(biāo)準(zhǔn)分析數(shù)據(jù)的，具有嚴(yán)格相互關(guān)系的，可以由計算機(jī)識別檢索的計算機(jī)化數(shù)據(jù)庫。其次是建立具有智能檢索、譜圖對比、顯示輸出等功能的軟硬件系統(tǒng)，最后是擁有可以自動或手動輸入計算機(jī)的樣品分析測試數(shù)據(jù)（通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集與處理過程）。建立這樣一個系統(tǒng)需要完成以下工作：1數(shù)據(jù)源的建立：計算機(jī)輔助波譜檢索系統(tǒng)是依靠數(shù)據(jù)庫中存儲的純化合物標(biāo)準(zhǔn)譜圖作為基本信息構(gòu)成的，并按照設(shè)定程序進(jìn)行檢索。數(shù)據(jù)庫檢索系統(tǒng)的性能如何首先取決于數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量，而數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量在很大程度上取決于數(shù)據(jù)源即標(biāo)準(zhǔn)譜圖的質(zhì)量。對數(shù)據(jù)源一

49、般有兩個要求，首先是存儲的所有譜圖質(zhì)量必須是可靠的，要求使用的標(biāo)準(zhǔn)化合物純度要達(dá)到一定要求，測定條件必須固定并標(biāo)準(zhǔn)化。所用儀器設(shè)備必須進(jìn)行必要的校正。使用文獻(xiàn)或其他來源的數(shù)據(jù)要格外慎重，最好要經(jīng)過重測驗(yàn)證。只有通過嚴(yán)格程序得到的數(shù)據(jù)才能保證數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量。其次是數(shù)據(jù)庫中包含的波譜數(shù)據(jù)要有一定的量和合理分布。當(dāng)然，數(shù)據(jù)庫中收集的數(shù)據(jù)越全越好，這樣它的檢索定性能力就越高。但是想把所有逾千萬的化合物統(tǒng)統(tǒng)收集是不現(xiàn)實(shí)的，因此對收集的標(biāo)準(zhǔn)譜圖應(yīng)該有所選擇。對于那些一般用途的通用數(shù)據(jù)庫應(yīng)該包括盡可能多但是沒有重復(fù)的譜圖，但是考慮檢索的方便，要進(jìn)行必要的分類，數(shù)量太少將沒有實(shí)用意義。對于那些具有特定目的的專用數(shù)據(jù)庫，如藥物數(shù)據(jù)庫，則需要將本領(lǐng)域的譜圖收集完全，而不必要單純追求數(shù)據(jù)數(shù)量。專業(yè)型數(shù)據(jù)庫比較適合各種專業(yè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用，也比較適合自己建立和管理。2對收集的譜圖進(jìn)行編碼處理：我們知道，計算機(jī)只能處理離散的數(shù)字信號，對收集的波譜圖必須進(jìn)行編碼處理，使之成為計算機(jī)可以接受和處理的形式。對波譜數(shù)