【کمومتریکس تجزیه ای】 | دقیق شیمی آزما

کمومتریکس تجزیه ای (شیمی آماری)

کمومتریکس که از واژه های کمو به معنی شیمی و متریکس به معنی سنجش تشکیل شده است، نام گرایش جدیدی با کاربرد آمار، ریاضی و کامپیوتر در شیمی می باشد.

مقدمه و تاریخچه شیمی کمومتریکس

کمومتریکس از ریاضی، آمار و کامپیوتر برای طراحی یا انتخاب یک روش مناسب برای آزمایش یا تولید حداکثر اطلاعات مفید از داده های یک فرایند شیمیایی استفاده می کند. کاربرد روش های ریاضی در شیمی سابقه طولانی دارد ولی با توجه به پیشرفت علوم کامپیوتر و کاربرد آن در بقیه دانش ها، روشهای کمومتریکس در دهه اخیر بسیار پیشرفت کرده است.

شیمی کمومتریکس او لین بار در سال ۱۹۷۱ توسط سوانته ولد شیمیدان سوئدی معرفی شد. او در سال ۱۹۷۴ به اتفاق بروس کوالسکسی شیمی تجزیه دان آمریکائی جامعه بین المللی کمومتریکس را بنیان گذاشت تا کاربرد مواد آزمایشگاهی را بالا ببرد.

کووالسکی مقاله های دنباله داری درباره طبقه بندی طیف های جرمی با وضوح کم به چاپ رساند که در آنها از نظریه های ریاضی مانند ماشین یادگیری خطی استفاده کرده بود. در آن زمان چون شیمی دان ها به روش های تفسیری مناسب دسترسی نداشتند، داده های خود را به درستی به کار نمی بردند و عملا، بسیاری از این داده ها مورد استفاده قرار نمی گرفت.

بیشتر بخوانید: شیمی تجزیه و صنایع فلزی

با کمک شیمی کمومتریکس می توان:

فرآیندهای تجربی بهینه را طراحی و انتخاب کرد.

حداکثر اطلاعات شیمیایی قابل دستیابی را از تحلیل اطلاعات شیمیایی بدست آورد.

اطلاعات بیشتری درمورد سیستم های شیمیایی بدست آورد.

ضرورت شیمی کمومتریکس 

دو دلیل عمده برای کاربرد شیمی کمومتریکس در شیمی عبارت است از: 

1-معرفی دستگاه های جدید که پاسخ چند متغیره (multivariate) را برای نمونه  های مورد تجزیه تولید می کردند. 

2-دسترسی به کامپیوترها. در آزمایشگاههای دستگاهی مدرن

شناسایی، دسته بندی، و تفسیر این اطلاعات می تواند یک عامل موثر در عملیات آزمایشگاهی کارا و مفید فایده باشد. بعلاوه امروزه دستگاههای تجزیه ای به صورت online و inline کاربرد گسترده ای یافته اند که به این صورت، دستیابی به روشهای سریع و صحیح تفسیر داده ها اهمیت روزافزونی یافته است. 

شیمی کمومتریکس در سه زمینه دارای رشد روز افزون است: 

1-طراحی آزمایشات و بیشتر مبتنی بر آمار و محاسبات آماری است. 

2-استفاده از کمومتریکس برای جایگزینی قوانین سخت و دست پاگیر شیمی فیزیک آلی که در طراحی دارو فعالیت کاربردی داشته است و نقاط اشتراکی با دانش ژنومیک، پروتئومیک و بیوانفورماتیک یافته است. 

3-استفاده از کمومتریکس در شیمی تجزیه، دستگاهی که منجر به کاربردهای صنعتی نیز شده است.

در دهه ۹۰ میلادی، از تلفیق روش های کمومتریکس و تضمین کیفی، شاخه جدید دیگری به نام کیفیت سنجی معرفی شد. استفاده از آمار توصیفی در تعیین مقدار کیفیت فرایندها و روش های اندازه گیری از قدیمی ترین موارد شناخته شده در این دانش است. در این زمینه ، از روش های محاسبه شاخص های آماری و نمودارهای توزیع مانند توزیع نرمال گوسین، برای روش های نمونه برداری، تفسیر داده های به دست آمده، تعیین خطا، مقدار دقت و صحت، مقایسه میانگین های به دست آمده از فرضیه و آزمایش استفاده می شود.

محورهای کمومتری

Multivariate Calibration ans classification

Multivariate curve resolution

Quantitative structure activation relationship

Experimental design

Artificial intelligence

روش های شیمی کمومتریکس

 کالیبراسیون یک متغیره

( Multivariate Calibration)  کالیبراسیون چند متغیره

( Multivariate Linear Regression) رگرسیون چند متغیره خطی

( Classic Least Square) حداقل مربعات کلاسیک

( Inverse Least Square) حداقل مربعات معکوس

( Principal Component Regression) رگرسیون اجزای اصلی

( Partitial Least Square) حداقل مربعات جزئی

( Multivariate Nonlinear Regression) رگرسیون چند متغیره غیر خطی

( Artificial Neural Network ) شبکه های عصبی مصنوعی

معمولا مراحل کالیبراسیون، شامل طراحی آزمایش ،انتخاب مدل ، تخمین پارامتر ها و پیش بینی مجهولات می باشد. در کالیبراسیون یک متغیره ، امکان تصحیح مزاحم ها بدون وارد کردن اطلاعات اضافی وجود ندارد. در حالیکه در روشهای چند متغیره قادر به جدا کردن اطلاعات مفید از اطلاعات نامناسب مانند نویز وجود دارد.

زمینه های کاری مختلف برای شیمی کمومتریکس

با استفاده از قابلیت های نرم افزار کمومتریکس در زمینه تجزیه میتوان شبیه سازی و جستجوی طیف های جرمی، پیش بینی میزان جابجای  C NMR13، شناسایی الگوها از داده های کروماتوگرافی،  پیش بینی ضریب پاسخ آشکارسازهای شعله – یونشی و هدایت گرمایی، پیش بینی ضرایب انتخابگری الکترودهای یون گزین، پیش بینی خواص و فعالیت ملکول ها،  آنالیز مخلوط های پیچیده(نوع ترکیب و زیرگروه های آن را از روی طیف آن شناسایی کرد) و شناخت الگوها و طبقه بندی داده ها را انجام داد.

همچنین می توان مدلسازی بازداری کروماتوگرافی یونی، آنالیز کمی داده های چند متغیره، مدلسازی سطح پاسخ در کروماتوگرافی مایع با کارآیی بالا، پیش بینی آنتالپی تشکیل آلکان ها، پیش بینی ثابت دی الکتریک، پیش بینی تحرک الکتروفورتیک سولفونامیدها در الکتروفورز موئینه  و پیش بینی جداسازی ترکیبات کایرال را با استفاده از این نرم افزار انتظار داشت.

شیمی کمومتریکس در ایران:

در دهه اخیر پیشرفت کمومتریکس در ایران توسط بسیاری از محققین شیمی تجزیه در دانشگاه های مختلف رو به رشد می باشد. می توان دکتر جلالی استاد بازنشسته دانشگاه صنعتی شریف را بنیان گذار کمومتریکس در ایران نامید. اولین مقاله در این حوزه در ایران در آزمایشگاه ایشان منتشر شده است.

 از دانشگاه های فعال در زمینه کمومتریکس در ایران می توان دانشگاه شریف، دانشگاه های خواجه نصیر الدین طوسی، دانشگاه رازی، تحصیلات تکمیلی زنجان ،دانشگاه شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی اراک را نام برد. همچنین می توان از دکتر جهانبخش قاسمی ، دکتر حمید عبدالهی، دکتر بهرام همتی نژاد، دکتر محسن کمپانی، دکتر علی نیازی، دکتر مرتضی بهرام، دکتر عبدالحسین ناصری و دکتر هادی پرستار  بعنوان محققین فعال در این زمینه در ایران نام برد. در ایران تمرکز محققین بر طراحی دارو، تفکیک منحنی ،طراحی آزمایش، روش های درجه بندی و روش های تشخیص الگو و طبقه بندی می باشد.

اهمیت روش های کمومتریکس

استفاده از روش های کمومتریکس در تحلیل تجزیه و تفسیر نتایج و در فرایند آنالیز یک ماده از چنان اهمیتی برخوردار است که سال هاست یک گرایش در مقطع کارشناسی ارشد و دکتری شیمی تجزیه و یا به عنوان یک رشته مستقل در بسیاری از مراکز تحقیقاتی و دانشگاه های بین المللی تدریس می شود. بسیاری از مجلات معتبر در حوزه تخصصی آنالیز مواد شیمیایی مانند Analyst ، Analytical Chemistry، AOAC  و مجلات معتبر بین المللی در حوزه های تخصصی نیز مقالات و تحقیقات مرتبط با کمومتریکس را پوشش می دهند. ژورنال های chemometrics and intelligent laboratory systems  و Journal of Chemometrics به طور کاملا اختصاصی فقط در زمینه انواع روش های کمومتریکس و کاربرد آنها فعالیت می کند.

کمومتریکس در آنالیز مواد شیمیایی

کمومتریکس به عنوان روشی معمول در بیشتر روش های آنالیزی مورد استفاده قرار می گیرد. بسیاری از  نرم افزارهای دستگاه های مدرن و امروزی مانند ICP-MS و LC-MS و HPLC  مجهز به انواع روش های کمومتریکس برای تفسیر طیف و تحلیل همپوشانی  پیک های یک طیف و .. آنالیز هستند. این روش ها در آنالیز انواع مواد، شامل مواد غذایی و تشخیص تقلب در مواد غذایی، نمونه های خاک نمونه های زیست محیطی آنالیز انواع کود و موارد دیگر کاربرد بسیاری دارند.

امروزه یک تجزیه گر یا آنالیست (Analyst) به شکل چشمگیری به استفاده از روش های آماری و ریاضی در کارهای روزمره اش نیاز خواهد داشت. به طوری که بدون کمومتریکس تحلیل مجموعه داده های بزرگ با مشاهدات و متغیرهای بسیار دشوار خواهد بود.

روش های کمومتریکس در اکثر روش های آنالیزها شامل UV-Vis, IR, NMR, .. برای اندازه گیری هم زمان، رفع مزاحمت های طیفی و هم پوشانی پیک ها، کالیبراسیون چند متغیره و تفکیک طیف تا جداسازی و اندازه گیری مخلوط های پیچیده، حذف زمینه و افزایش حساسیت در روش های کروماتوگرافی، تعیین الگو و آنالیز تصویر (image analysis) در روش های میکروسکوپی به کار می روند.

روش های کمومتریکس در تمام طول فرایند آنالیز از روش های نمونه برداری (sampling) تا تجزیه و تحلیل نتایج قابل بکارگیری هستند.

روش های کمومتریکس علاوه بر استفاده در روش های آنالیزی مختلف مانند کنترل فرآیندها، تجزیه و تحلیل و شناخت الگوها، پردازش علائم و بهینه کردن شرایط، در زمینه های دیگری از قبیل طراحی دارو، بهینه سازی سنتز، دیده بانی محیط زیستی، تعیین خصوصیت مواد، تکنولوژی تخمیر، تشخیص بیماری ها در علوم پزشکی و غیره، کاربرد گسترده ای یافته اند.

بیشتر بخوانید: شیمی تجزیه چیست؟

اما با تمامی مزایای استفاده از روش های کمومتریکس، به دلیل تعداد بسیار زیاد روش ها، تعاریف، رویکردها و الگوهای مختلف و هم چنین سختی فهم اصولی این روش ها، کاربرد آنها همگانی نشده است. اغلب این روش ها برای مطالعات تحقیقاتی، و نه برای آنالیزهای روزمره استفاده می شود. هرچند با افزایش نرم افزارها، استفاده از این روش ها بسیار آسان شده است، اما هنوز برای تحلیل نتایج به درک مناسبی از تعاریف و الگوریتم های روش های کمومتریکس نیاز است.

طبق تعریف کمومتریکس، این روش به چند دسته کلی تقسیم می شود: طراحی آزمایش (experimental design)، تجزیه و تحلیل داده ها (Data analysis)، دسته بندی (classification)، کالیبراسیون (calibration) و رگرسیون (Regression).