کمومتریکس چیست؟
روش های محاسباتی کمومتریکس (Chemometrics) روش هایی براساس تجزیه و تحلیل آماری و ریاضی داده های شیمیایی هستند. این روش ها به عنوان روش هایی کارآمد برای خلاصه کردن اطلاعات مفید از یک سری داده مشخص و پیش بینی سری دیگر داده، شناخته شده اند.
داده های (Data) به دست آمده از روش های اندازه گیری کمی یا کیفی، بر اساس تکنیک های آماری و ریاضی به کار رفته در روش های کمومتریکس به اطلاعات(information) ارزشمندی تبدیل می شوند که بر اساس این اطلاعات، آگاهی و دانش (knowledge) بر فرایند شیمیایی افزایش می یابد و سبب فهم و درک (understanding) درست و تصمیم گیری (decision making) صحیح می شودد.
بنابراین هدف این روش های، بهبود بخشیدن فرآیندهای اندازه گیری و استخراج اطلاعات شیمیایی مفیدتر از داده های اندازه گیری شده فیزیکی و شیمیایی است. استفاده از روش های کمومتریکس به درک مکانیسم فرآیندهای مختلف شیمیایی، کشف و توسعه مواد جدید، حفظ محیط زیست و زمینه های دیگر شیمی کمک می کند.
بیشتر بخوانید: کاربردهای بوریک اسید در صنایع مختلف
تعریف کمومتریکس
طبق تعریف ماسارت (Massart)، یکی از پیشگامان این رشته، کمومتریکس مدیریت و نظم بخشیدن به داده های شیمیایی، با استفاده از روش های ریاضی و آمار، برای طراحی و انتخاب روش های تجربی بهینه، فراهم آوردن حداکثر اطلاعات شیمیایی با آنالیز داده های شیمیایی و به دست آوردن دانش درباره سیستم های شیمیایی است. بنابراین طبق این تعریف جامع، کمومتریکس شاخه ای از علم شیمی است که از ریاضیات، آمار و منطق برای:
طراحی یا انتخاب فرایندهای تجربی بهینه (بهینه سازی، کالیبراسیون، طراحی روند آزمایش)
فراهم کردن بیشترین اطلاعات شیمیایی وابسته از طریق تحلیل داده های شیمیایی
بدست آوردن اطلاعات بیشتر درباره سیستم های شیمیایی استفاده می کند.
از نظر تاریخی کمومتریکس در سال 1974 توسط ولد (Wold) پایه گذاری شد، اما در چند دهه اخیر با دسترسی همگانی به کامپیوتر، کمومتریکس به عنوان یک شاخه علمی جوان به سرعت توسعه یافته است. وجود دستگاه های مدرن که در هر بار آنالیز حجم بسیار بالایی داده ارائه می دهند، حضور کامپیوترها و لپ تاپ های شخصی سریع و پرقدرت جهت محاسبات و دسترسی به انواع نرم افزارهای محاسباتی، استفاده از روش های کمومتریکس را برای بیشتر آنالیزها ضروری و همگانی نموده است.
اهمیت روش های کمومتریکس
استفاده از روش های کمومتریکس در تحلیل تجزیه و تفسیر نتایج و در فرایند آنالیز یک ماده بسیار با اهمیت است و 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.
بیشتر بخوانید: کاربردهای اسید سولفوریک در صنایع لبنی
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 فعال هستند.
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 است. 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 .. کاربرد بسیاری دارند.
امروزه یک تجزیه گر یا آنالیست (Analyst) به صورت فزاینده ای به استفاده از روش های آماری و ریاضی در کارهای روزمره نیاز دارد، به طوری که بدون کمومتریکس تحلیل مجموعه داده های بزرگ با مشاهدات و متغیرهای بسیار، مشکل خواهد بود.
بیشتر بخوانید: کاربرد پتاسیم پرمنگنات در کشاورزی
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 می تواند به کار رود، از روش های نمونه برداری (sampling) تا تجزیه و تحلیل نتایج.
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.
متاسفانه علی رغم 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. بیشتر این روش ها برای مطالعات تحقیقاتی، و نه برای آنالیزهای روزمره، مورد استفاده قرار می گیرند. هرچند با افزایش نرم افزارها، استفاده از این روش ها بسیار راحت شده است، اما برای تحلیل نتایج هم چنان 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).
بیشتر بخوانید: کاربرد اسپکتروسکوپی در پزشکی
شیمی کمومتریکس در ایران
پیشرفت کمومتریکس در ایران در دهه اخیر توسط بسیاری از محققین شیمی تجزیه در دانشگاه های مختلف رو به رشد می باشد. دکتر جلالی استاد بازنشسته دانشگاه صنعتی شریف را می توان بنیان گذار کمومتریکس در ایران دانست. اولین مقاله در این حوزه در ایران در آزمایشگاه ایشان منتشر شد.
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.