分析儀器工作站的信息化深化改造探索

摘 要：該文提出了利用數(shù)學(xué)度量空間理論加強分析儀器工作站信息化改造，利用泛函分析的思想把分析化學(xué)實驗室的目標(biāo)、對象抽象為空間，把實驗中的環(huán)節(jié)歸納到空間上操作，為操作的量化提供了依據(jù)，為分析儀器工作站信息化的深化發(fā)展提出了一種設(shè)想。

關(guān)鍵詞：分析儀器 信息化 工作站 度量空間

中圖分類號：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（c）-00-03

目前分析儀器工作站亮點可簡要概述為[1]：①主要完成單一的測試任務(wù)管理；②操作系統(tǒng)主要基于Windows 9x/Me/NT/2K/XP/vista上；③對數(shù)據(jù)實行數(shù)據(jù)庫管理，④圖形編輯處理方面，可自動識別和手動編輯各種譜峰，可以和Photoshop等共享；⑤定量計算方法有：歸一法，校正歸一法，內(nèi)標(biāo)法，分組法，外標(biāo)法，指數(shù)法等；⑥具有網(wǎng)絡(luò)查詢功能，可與局域網(wǎng)聯(lián)機使用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)查詢數(shù)據(jù)庫；⑦人工智能與自動化主要基于具有人工智能化的診斷系統(tǒng)，自動綜合分析進(jìn)行故障診斷，打印故障分析報告；⑧提供用戶可編程接口等。

從目前各種分析儀器工作站的功能看還比較單薄，主要圍繞完成測試任務(wù)和提供盡可能準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)（或圖譜）服務(wù)，數(shù)據(jù)或圖譜的準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到較高的水準(zhǔn)，在實際應(yīng)用中各種分析儀器所提供的數(shù)據(jù)已經(jīng)是“風(fēng)起云涌”，開始步入大數(shù)據(jù)和云存儲時代，但工作站自動化程度還不是很高，大數(shù)據(jù)處理能力還停止不前，智能化很低甚至沒有，各種分析儀器的數(shù)據(jù)互相交流和共享也不是很方便，要改變這種狀態(tài)，使這些數(shù)據(jù)能更有效和更方便的存儲和利用，提高分析儀器工作站關(guān)于大數(shù)據(jù)處理和挖掘能力，就須解決數(shù)字化或信息化的標(biāo)準(zhǔn)問題：空間的構(gòu)造，維數(shù)的確定，指標(biāo)集的規(guī)范，空間中元素抽象等。泛函分析中的一些基本理論和思想是解決這些問題最有力的開山工具，也是分析儀器在實現(xiàn)胡總書記十八大提出“推動信息化和工業(yè)化深度融合”一條重要途徑。

1 探討

不論紫外光譜圖、紅外光譜圖、質(zhì)譜圖或色譜圖等，都具有函數(shù)的特性，至于選擇哪種初等或基本函數(shù)構(gòu)造比較合理，我們要根據(jù)實際情況確定，起碼可以用初等函數(shù)1，x，x2，x3，x4…的組合來擬合逼近：f（x）=∑aixi。比如，將中草藥中可溶于極性、非極性溶液或某些混合溶液的具有獨立性質(zhì)的有機原子或分子團(tuán)記為ei，把由這些ei所組成的集合記為X={ei，i=1，2，3，……}，X就好比要研究的指標(biāo)集，如果把ei在不同波長（可以假設(shè)為在[a，b]區(qū)間）的吸光度f關(guān)于波長t的函數(shù)記為fi（t），t∈[a，b]，對于任意的ei，ej∈X，引入距離：ρ（ei，ej）使：

根據(jù)度量（距離）空間的定義，這樣的X是以ρ為距離的度量（距離）空間。有了度量空間就可以進(jìn)行度量計算，就可以應(yīng)用數(shù)學(xué)的收斂方法來求解，如，系列收斂，函數(shù)逼近等等。

究竟會不會像我們想象的一樣，引入ρ（ei，ej）使得它符合上述三條，如果是這樣它就可以構(gòu)成度量（距離）空間，有了度量空間就可以將泛函分析中的一些理論應(yīng)用到中草藥等的物質(zhì)分離和展開中。從而將中草藥的手工的分離和展開，變成基于數(shù)學(xué)空間上人工智能和自動化過程。事實上：

如果我們定義ρ（ei，ej）={|fi（t）-fj（t）|2dt}1/2，fi（t）表示“單位”濃度的ei在波長t的吸光度。這就歸結(jié)到在L2[a，b]空間上的研究。

這樣的ρ（ei，ej）顯然符合上述三條。

究竟ρ如何定義主要取決于研究的方向。引入距離后就可以說在X中引入了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些“松散”的數(shù)據(jù)就有了“形狀”，從而有了比較。

在實際應(yīng)用中我們定義，ρ（ei，ej）={ |fi（t）-a.fj（t）|2dt}1/2，由于吸光度具有疊加性，這里引入a，a的值取決于fi（t）或fj（t）函數(shù)在區(qū)間[a，b]的峰值或某一個固定點的值，比如：在固定

的t0∈[a，b]，使fi（t0）=a*fj（t0），從而推出a=fi（t0）/fj（t0），引入a就相當(dāng)引入了簡單的壓縮映照機制，方便于系列積分比較。在某一空間Km，當(dāng)我們改變有機溶劑的配制比例時，可能就會有不同的物質(zhì)溶解進(jìn)新配制的溶劑中，把這種新配制的溶劑作為基線（空白）和其可能溶解進(jìn)新物質(zhì)（ei）的溶液進(jìn)行吸光度測試，就會得到一條曲線函數(shù)fm[n]（t），t∈[a，b]，由于這種溶劑配制的微妙變化（比如在下面的3中，xi的步長按一定的數(shù)字變化，如：for xi=0 to 1 step=0.1或0.05甚至更小的步長，這種微小的變化對于手工操作顯然是不現(xiàn)實和難以控制的）就會得到由不同的fm[n]（t）組成的集合Fm= {fm[n]（t），t∈[a，b]，n=1，2，3，4…}。我們把每種空間產(chǎn)生的系列記為F={Fm，m=1，2，…}，如果F中存在一個或幾個子集F0∈F使得F0中的序列對任意小的ε>0，存在n，當(dāng)i，j>n時，ρ（ei，ej）<ε，ei，ej∈F0，說明這種方法可疊代；如果他收斂于X中的點說明這種方法完全疊代。

不論可疊代或完全疊代，都有理由對該物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)譜分析，其原因是用這種方法產(chǎn)生的序列有可能得到一種新物質(zhì)。因為它們的圖譜函數(shù)趨于不變。

具體可概括為以下步驟：（見圖1）

當(dāng)然也有可能從一開始或某一步后任何一種溶液也沒有使以后的產(chǎn)生的系列改變，而并沒有發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)，這就要求我們從其他原理和方法著手解決。

⑴溶劑配制：目前實驗室常用溶劑有：甲醇、乙醇、乙酸乙酯、環(huán)己烷、氯仿、正丁醇、正庚烷、正己烷等[2]。

[3]混合有機溶劑極性順序（從小到大，括號內(nèi)為有機溶劑的混合比例）

環(huán)己烷-乙酸乙脂（8+2）→氯仿-丙酮（95+5）→苯-丙酮（9+1）→苯-乙酸乙脂（8+2）→氯仿-乙醚（9+1）→苯-甲醇（95+5）→苯-乙醚（6+4）→環(huán)己烷-乙酸乙脂（1+1）→氯仿-乙醚（8+2）→氯仿-甲醇（99+1）→苯-甲醇（9+1）→氯仿-丙酮（85+15）→苯-乙醚（4+6）→苯-乙酸乙脂（1+1）→氯仿-甲醇（95+5）→氯仿-丙酮（7+3）→苯-乙酸乙脂（3+7）→苯-乙醚（1+9）→乙醚-甲醇（99+1）→乙酸乙脂-甲醇（99+1）→苯-丙酮（1+1）→氯仿-甲醇（9+1）。這樣的配制極性還有跳躍，要盡量連續(xù)。要連續(xù)就要構(gòu)造

空間。

構(gòu)造空間，首先我們把溶劑（洗脫劑）記為R，R的元素為實驗中被確認(rèn)為可以作為溶劑的液體。

在通常的情況下，對于可互相混溶（而不反應(yīng)）的一組溶劑（最大數(shù)），看成一種空間（最大數(shù)為空間的維數(shù)），適當(dāng)改變?nèi)軇┑谋壤?，相?dāng)改變物質(zhì)在空間的位置，這種空間的模相當(dāng)一個單位的體積。如果有n組這種空間，他們的維數(shù)的體積就是n個單位。這些空間的焦點為空點。X中的元素，可以看作可進(jìn)入不同空間的“溶元素”，或者說某空間上的“溶元素”。同一空間上的“溶元素”，他們的位置又不同；同一空間同一位置的溶元素，可能在不同空間的位置不同。利用這些性質(zhì)我們就可以把物質(zhì)分離開來。因此我們記某種溶劑空間為：Ki（溶劑i1，溶劑i2，…；溶劑i1，溶劑i2，…∈R），所有這些Ki的集合記

為K。

⑵上柱：其目的是要將物質(zhì)溶解進(jìn)Ki空間坐標(biāo)位置上，生成溶液（洗脫液）。是對中草藥（或其他混合物質(zhì)）中物質(zhì)展開的有效辦法。

⑶定量測試分析（紫外、紅外等）：目的是顯示物質(zhì)溶液在Ki空間坐標(biāo)位置的形狀；這就像我們的眼睛看到東西一樣，這里看到的可能不只是三維，而是點、線、面、體、四或更高維數(shù)上的投影形狀。如，在0≤xi≤1，二種溶劑，則有x1+x2=1為線；三種溶劑，則有x1+x2+x3=1為正三角形面；四種溶劑，則有x1+x2+x3+x4=1為正四面體，正四面體是各種物質(zhì)在宇宙空間分布的單位位置，是我們要進(jìn)一步探索的空間位置；等等。

⑷產(chǎn)生的序列比較（基于定性的定量分析）：可疊代和完全疊代比較，是通過數(shù)學(xué)手段從量的角度對物質(zhì)進(jìn)行量和性的分析，確切地說是通過量的變化分析，達(dá)到定性分析的預(yù)期效果。這一過程是在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上利用網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)生系列數(shù)據(jù)或函數(shù)的數(shù)據(jù)庫通過計算機和程序?qū)崿F(xiàn)的過程。判斷F0∈F中的系列，對于給定的任意小的ε>0，存在n，使的ρ（ei，ej）<ε（ei，ej∈F0 i，j>n）或ρ（ei，e）<ε（e∈X，ei∈F0 i>n）。

⑸回收，對于非可疊代和非完全疊代的溶液進(jìn)行回收，選用新的溶劑配制比例重新上柱，看在新的空間上是否有新的變化（重復(fù)上述過程）。

⑹定性分析；是在第4步定量分析基礎(chǔ)上，得到可疊代或完全疊代序列，對最終序列項進(jìn)行定性（如質(zhì)譜）分析。

⑺確定是否有新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)。

2 結(jié)語

從以上討論得出，分析化學(xué)實驗室工作站應(yīng)該歸納到四種集合上研究：

1）集合1={具有獨立性質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)}相當(dāng)于指標(biāo)體系，是我們要研究和發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)或?qū)ο?，是基于某種儀器或某些儀器可識別的集合的集合，是一個不斷發(fā)展和被探索的集合；我們可以把物質(zhì)的原子用向量來表示，這種系列以質(zhì)子數(shù)排，還是以質(zhì)子和中子和數(shù)排有待研究，假如我們用質(zhì)子數(shù)排：

其中yi表示原子量。

這樣任何一種分子就可以寫為： 或（a1，a2，a3，…，an）。水分子就可記為：（2e1+e8）或（2，0，0，0，0，0，0，1，0…0）等。

任何一種原子或分子組成的物質(zhì)也可以寫成這種形式，這就是分子或物質(zhì)的數(shù)學(xué)表達(dá)。有了分子和原子的數(shù)學(xué)表達(dá)就可以在計算機上實現(xiàn)定義化學(xué)物質(zhì)的運算。這里的集合1中的元素主要指可借助儀器、物理、化學(xué)等性質(zhì)可識別或研究的原子和分子。

2）集合2={化學(xué)物質(zhì)的空間}，是一些空間的集合，是可以分布上述目標(biāo)或?qū)ο蟮目臻g集合；

3）集合3={投影可視函數(shù)，在特定條件下，化學(xué)物質(zhì)在某種空間中在分析儀器上顯示的曲線或數(shù)據(jù)}，是一些函數(shù)的集合。

4）集合4={分析儀器}，這些分析儀器可以在共同的云計算支持下作為云端或云數(shù)據(jù)采集器在線完成某種分析測試任務(wù)。

這樣就可以把分析化學(xué)實驗室的物理操作轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)操作，把具體的步驟和環(huán)境、對象抽象為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)空間模型，再用有限的步長解決無限的問題，是分析儀器實現(xiàn)智能化和自動化的先覺條件和基本方法，也是分析儀器工作站的數(shù)字化、信息化深化發(fā)展的方向，使分析儀器成為真真意義上的云端，從而步入云計算和大數(shù)據(jù)時代。

參考文獻(xiàn)

[1] 工作站.[EB] http：//www.54pc.com/zcty/6003/1.htm.

[2] 李浩亮.常用溶劑簡介.[EB] http：//wenku.baidu.com/view/d06a340d763231126edb11ac.html.

[3] 常用有機溶劑極性及混合溶劑極性順序.[EB] http：//www.yaoq.net/blog-50130-42765.html.

[4] 夏道行.實變函數(shù)論與泛函分析（下）.書號13012.0260 [M].北京：人民教育出版社，1978.