摘 要
本文讨论了计算机和化学计量学在分析化学中的应用。其范围从专用自动滴定器的，较为简单的微处理机的控制和计算功能，到图像处理、计算机X线照相等复杂的数据处理技术。此外还有，自动的自优化流注体系，和从声发射中提取分析信息。考虑了一个过程的计算机化的各种选择的相对代价，着重介绍了仪器公司所起的作用。
一九七一年关于计算机技术在化学研究中应用会议的论文集，是当今最吸引人的读物。例如（J. M. Skinner）写到：“现在可以预言，在七十年代末，一个化学实验室没有计算机，将是不可思议的”。在世界上第一流的实验室中，用于气相色谱数据处理的设备应包括把数据输入磁带，然后转到穿孔纸带，再提供给昼夜运转的计算机。固体电子学革命性的发展，使得在近十年中实验室的面貌发生了根本性的变化，目前这种变化仍在继续中。
—九七一年的预言已经在某种程度上得到了实现。
对于化学家来说、相应的概念上的变化也在缓慢地发生着。在一九七一年会上提出的关于——将计算机应用于化学以解决各种问题的讨论至今还在热烈地进行。如果认为化学计算在七十年代随着微处理机和微型计算机的推广才得以开始那就大错特错了。开创工作在更早就已开始，至今仍可能从中取得某些收益。例如在（Mattson，Marks and Mac Donald）所编的丛书中。在实验室里充分而价廉的计算能力，已经对分析化学和分析仪器产生重大的影响。这方面及化学计量方面的工作，已有人作了综述。本文主要是讨论和说明在分析实验室中如何应用计算机。
任何人在介绍微机近年来的现状时，都会因报告的内容在当时已过时而感到不安。过去常认为微机发展中的实际限制是商业性的：必须制成许许多多芯片，使任何设计都可适用。然而，由于电子学的发展，目前只须把传统的计算机做成一两块板就足可满足需要。超微型机可使某些特殊的分析变得既经济又方便。没有必要使用现代微机的全部功能和手段，去过细地追求问题的解。要选择与手中工作相应大小的计算机。操作计算机是有趣的，但除了能管理外对实验室来说并没有什么价值。仪器制造商们不得不制成复现的设备，以成功地满足微处理机的需要。计算机不仅为了处理数据，而且还可以对分析仪器进行控制和自检。计算是容易的，但把计算机用于化学则并不简单。计算机专家们，在计算机上已经做了许多艰辛的工作。他们的工作已为人们所用。如何发挥计算机的能力去解决化学问题那是化学家的事了。过去，分析人员只能从实验中进行单个点的测定，如在滴定中观察等当点颜色的变化，或在单一波长作吸收的测定。而现在则可以从一个分析中获得更多的信息，当然这需要对方法从根本上进行改进。只需计算机辅助的实验方法和那些没有好的计算机就无法进行的实验方法，两者中将先考虑前者。
用于控制和数据处理的小型计算机
滴定器
最早用微处理机在实验室工作的，是一支由一位从事教学和工业的化学家，一位电器工程师和一位研究生组成的小组。不同学科之间提供最为有利的方案改进，并强调了计算机控制仪的改进。第一个方案是设计和建造一台自动滴定仪。这项技术的重要性，保证重复性的自动化程度及控制和数据处理的水平，都限于当时能得到的初级的微处理机（intel8008）。范围之内。类似的想法其他人也有如Christiansen等。在同一时期出版了他们的著作，此后有关这一内容的一连串论文陆续发表。三种有代表性的用电子计算机计算的方法被提出来了。
第一种方法是，标准工作系统，加上一台由微机开关和机械装置产生的一些控制功能的计算机。数据处理要比笔录仪方便多了。实质上这就是Christiansen等对需要计算机处理的数据贮存和显示的方法。该法具有速度快，使用方便。缺点是改进了原来设备，而没有方法上的根本突破，价格也降低不多。这是一个简单而又保守的方法。
第二种方法是把计算机和滴定仪专用于某一问题。例如：控制一个工厂的尼龙制造时连续滴定乙二酸和硼酸。因为该反应突跃范围较窄，化工计算和电气工程间的结合潜力较快地得到开发。发现了用微分方法计算等当点，从而免去了精确和细心地校正pH计，而以一定速率加入滴定标准液。加入对这个滴定来说是足够多的滴定标准液后，只要校验两个最高峰值的微分数据，并且用精确的内检法就可以得到等当点了。这个方法研制，从开始到工业实验样机的测试只花了八个半月，仪器价格经济，计算程序也有改进。
第一年试制就省去了手工操作滴定硼酸时所需要的甘露糖醇。滴定仪变为通用型时，所节省时间和开支是十分可观的。因为很多分析中峰的检测方式十分复杂，要增加特殊控制器还要进行有效的核对。这个改进所花费的时间并不比原来的研制更多。用一台PEA机代替8008机对用较为成熟的BASIC程序大约花二天时间。虽然这个方法对产品从根本上进行了改革，但是大量时间消耗在转变为通用形式上，这就难以投放市场。
第三种由Wu和Malmstadt设计的一台以微机为基础的通用型仪器。他们设计和制造了一台全部由计算机控制的滴定仪，该仪器可用于电位滴定，库仑滴定和光度滴定，同时有大量的计算方法可供选择。每种滴定的形式对应于不同的化学、工程原理和计算方法，以及随变量的增加，难度也随之增加。然而一种巧妙的对某一问题的一般性解法，对知识分子有明显的吸引力，也会给顾客产生一种放心的感觉。目前Mettler正在出售的这种机器，电子计算机部件的成本很低几乎可忽略，而研制的费用则相当大。
从微型计算机的应用到自动滴定仪，我们得到一个一般的结论：在实验室中发展专用体系是有特殊的优点，但是最好还是买通用仪器。一台自动化仪器的研制对化学、计算机和工程设计有严格的要求和限制。一合成功的仪器将充分利用计算机的优点和机械上的巧妙性为化学分析服务。
流动注入分析和计算机辅助最优化
上面指出的各点都需要在流动注入分析计算机化中加以考虑。这是一种简单的连续的分析法。其中样品从上端注入而从下端流出反应物。但是如果要进一步发挥它的分析潜力的话，这个体系还是复杂的。首先，要求样品的物理分散良好，该样品必须允许和试剂在载流中反应，且不能使反应物太稀而不易检出。但在某些将流注体系作为样品注入仪器（如pH计或原子吸收光谱仪）的使用中，则很少需要分散样品。第二，发生在三维反应器中的反应物的浓度是连续变化的，化学动力学和物理分散的影响应该考虑。而且如果希望得到样品与载流界面相互作用的化学信息的话，还需要考虑热力学平衡数据。第三，还存在着设备和计算上的因素。需要严格控制流速，样品注入的温度等。分析速度需要达到10 ~ 100 HZ的采样速度。
对热心于计算机的人来说，最为主要的问题是如何充分地获取化学信息，以及如何控制实验参数，从而给出最佳操作。最普通的解决方法是增加计算机。在流动注入分析法中的峰类似于那些在色层分析中的峰，并且与该峰用同样的检测计算是可行的。
该取样速率数据是通过一个微处理机，或是带有程序的计算机，收集和处理相互作用的有关数据。或者用一台程序微处理机来收集数据并把数据输送给微计算机处理。用BASIC语言编制的PET程序计算机，对全部流动注入分析应用来讲是不够快速的。虽然添加微机易于执行并能给出合理的结果，但是若将流动注入分析体系和计算机结合成一个完整的整体会更好的和可能是更满意的结果。在长期对该课题的研究中，我们发现温度控制在±0.02℃，测量流速以及使用极为光滑的峰和检波计算等方法，分析的精确度几乎提高了一个数量级。最重要的是开发了从pH值，样品及载流之间的界面上的浓度梯度获得数据的可能性，一台控制式的计算机在进行经常性的，令人厌烦的检查、核对上要比人精确得多。
到目前为止，虽然多次努力，还没有完全令人满意的自动流入分析数据处理的理论。多数人使用的一个物理分散模型是根据（Taylor）工作或标准化学工程反应的理论。这是有用的，但是没有考虑化学相互作用及动力学因素和所有的物理因素。
于是，采用了经验方法选择最优条件，只需一个简单的实验设备，就可以比较容易选择变数。然而，最好是用一个较为严格的最优化方法。于是，经过修改的单纯形法的方案被用于自动流入分析。该法的另一个优点是在于电的灵活性而自动流入分析则提供了一种对单纯形法的良好测试手段。
在这里使用的计算方法是Nelder和Mead的经修正的单纯形法的推广。主要是结合了一些Routh等和（Ryan）等的建议。与（Nelde）和Mead法相比具有以下特点：（a）形心移向较好的（n-1）点；（b）无论何时得到极大值拉格朗日的内检法总是适合于当时的单纯形方法（从属于某种条件）；（c）有助于检测和避免两个或多个极大值存在而引起的问题；（d）防止了维数的损失；（e）防止简谐振荡；以及（f）改进了边界条件的处理。这些基于单纯形法（这方法可靠但不完美）的推广被认为有试验的价值。
该程序首先在PET微机上执行，并用手动数据输入。这阶段很快就完成了。初步结果是十分令人满意的。在十个实验中有四到五种不同流动注入体系达到最优化，或接近最优。此外，在反映修正后的单纯形法的特征的细调中还有10 ~ 20个体系在进一步试验。变量有pH值，试剂浓度，流速，管子长度和样品的大小。和常规的单变量最优化比较表明，该法大大节省了时间。该方法是快速的，只花了一点点时间就给出4 ~ 5个点的数据，并打印出一套新的实验参数。因此该法应用面广，已经用于对盐酸和硝酸浓度函数的铀极谱还原催化波的测量条件的最优化上。
改进了的单纯形法给人留下深刻的印象，但是还有一些问题。首先，所用的信息是花了许多时间从常规研究的结果而得来的。此信息在单纯形最优化中不能重复。但是单纯形结果多变量性质提出的一种观点，是不易从常用的方法中得到。修改的单纯形的验证问题，即要证明得到的点，确是最优点，是较为困难的。可用数学函数进行，但这些函数本身，较难以设想。在此提出了一种图像：即以常用的三维曲面既容易又直观地表示出峰脊和谷，并从不同的点开始单纯形法处理。对于确定单纯形大小，达到最优的可能性，及收敛速度来说，这是很好的方法。它还可以进一步改进并进行误差检查。然而，当被研究的流动注入体系含有五个变量时，上述对两个变量十分合适的程序在此时就不太适用了。对给出的单纯形法程序形式可能有一个最佳变量数。流动注入分析法的优点之一是，可用3 ~ 11变量比较直接地应用于类似的体系。各种单纯形算法有效性的实验工作正在不断进展中。
另一种可能性是在计算机的控制下，自动地进行最优化处理。Steig和Niemm以此说明最优化了一个化学发光反应的可用性。用计算机进行了自动化的流动注射体系发展大约花了两个学年的时间。其困难是来自真正自动化流动注射体系的设计，它的主要的物理变量可以用计算机任意变动。有些手工很方便的操作，用自动化处理经常是棘手的。例如，在流动注入分析中调节聚丙烯管的长度，可以只用一把剪刀，但这一操作用自动化控制就比较复杂。较好的方法是使用多个探测器，它们主要由成对的发光二极管和光敏三极管组成，横向地装置在载体流的外面。排列以适当的间隔安排是不难的，因此，此法是制作容易，经济简便。选择适当的检测器能调节注入和检测之间的长度。用单独控制的带有快速马达的蠕动泵，使试剂混合稀释到适当的浓度。当然存在着空气气泡被误认为主峰和噪声被误认为小峰的问题。在自动化方面，这类假信号有时将是十分严重的，因为它们会影响单纯形法的途径，但是这些问题是可以解决的，仪器能给流动注入体系以四变量的自动的最优化处理。花在最优化上的总时间比手工操作用的时间缩短了，因为数据转换率加快了。并且实验参数的调整迅速地完成了。此外，操作时间可以节省了。
在短时期里，除了作为教学上的练习外，无法确定它的总的研制费用。然而，该系统可以转让到其他流动注入和连续流动系统中去。已经把这种程序投入商业上的液相色谱里联用了。它们得到了分析化学家的赏识。
能预知在注入分析化学计量方面的进一步研究包括联机的峰形的模式识别，为的是从多组分混合物中得到较高质量的信息作为生产的控制用，还有为了更好地预言性质和选择操作条件所作的体系的模拟。因此，流动注入分析是一种通用的方法，其从计算机化和化学计量中得益。反过来它也为各种化学计量法提供了一个良好的实验方法。
用于数据处理的较大的计算机
用计算机处理数据是一项具有深远意义的领域。在此仅研究两个详细说明的实例。前者反映了化学计量学及信号求值的应用如何把一个复杂的问题简化，后者包括红外分光光度计商业上的发展，这种光度计中的数据处理大大地方便了分析人员。
由受压的聚合物和化学反应产生的声发射：在应力的作用下，材料可发射出声波，这个性质常被用来作为机械故障的判断，如木材的断裂。近来该法已经成为材料，尤其是金属的应力监测的标准试验。发展声纳技术已经制成可靠的灵敏的压电传感的，它对声学发射试验的发展起重要作用。然而，目前它还处在初级阶段，受压发声的原因也尚未弄明。
分析上的问题是容易说明的，相对来说较短的持续时间（10 ~ 100 μs）的发射大约只有几分钟。从被压固体出来的信号和化学反应的信号是相似的。因而，每次实验有大量的数据，一般用噪声发射率作为机械故障的初步判断。
该研究的目的在于，如果在声发射数据和聚合物合成物的机械性能之间的相互关系可以得到，那么就可对声发射源进行深入的了解。从问题的复杂性可知一个好的可测试的模型是极难设计的。因此需要用这样的方法去解释数据，确立有用的关系式，尽量减少理论问题的处理。
作为第一步应用自相关技术检查信号频率，计算振幅分布。这样的操作其他研究者已经进行了。但他们自己未得到多少有用的信息。不过值得注意的是用快速傅里叶变换的MINC2微机进行这些操作只需几秒钟。第二步是将模式识别技术用在第一步的结果中。迄今为止，该程序已被（Batchelor）用于化合物分类。这不是最好的方法，但对仪器来说是简而易办的。
起初，只用三个变量测试了数据，尽管缺统计有效性，通过指示出有用的实验和测试中那些必要的参数而提供了很多信息。如果模式识别技术应用推迟到能得到满意结果时，那将会使许多时间损失掉。此时模式识别还将表明你选择的这一组实验是错误的。事实上研究表明由聚合物、化合物及化学反应产生的声发射可区分为不同的簇而成为鉴别的基础。下一步用有监督训练法去补充到目前为止的无监督训练方法。这种方法收集声和力学数据以确定了是否建立了满意的变化关系。毫无疑问，多变量方法是有助于使数据求值这一非常复杂的问题变为易于处理了。此法对最初阶段的工作也是很有效的，花三天就可以求出一个实验值。现在，在监督训练阶段，分类花不到一分钟，开拓了和标准的机械测试相联的声发射实验的可能性。
红外光谱
与以上研究问题相反，可以考虑（Perkin-Elner）在设计采用了现代电子学可靠性和稳定性的优点，并结合基本的数据处理程序的现代化红外光谱仪所遇到的问题，结果是20 ~ 50 PPM浓度范围的添加物，即使它们在主体化合物光谱中用眼睛无法观察到的话，也能用此仪器检出，且有较高的精度（5%）。此外，在A机内具有有效的模式识别作用。作为一个大的与峰匹配的检索程序库，不可能放在简单的仪器内。因此，先鉴别结构单元，然后使峰与这些单元得到的化合物的峰拟合。总共有896个可能的结构单元，通过在已给出的光谱范围有无红外峰而得到确定和分类。进一步又将它们分为48个主要的官能团，这种分类花了八秒钟，还显示出了成功的比率。接下来是使用这个信息和其他基本数据寻求一个程序库，用作化合物的鉴定。据报道，单是计算机程序开发的过程就相当于9.25人年。虽然化学计量法已可以作为商品投入市场，但是在现代工艺转变为按钮设备以前，还必须先使生产者认识到这种算法的必要性和可靠性才行。
不可能没有计算机的一些体系
快速扫描紫外——可见光谱仪
多元探测器已经问世多时了，如摄像管，在一台光谱仪里，它们不必再用机械方法去扫描波长。因为光束通过衍射光栅，然后；到具有250个传感的多元探索器。于是就得到250点的光谱，在可见光区域相当于大约2 nm的分辨率。该移动部分用一个快逨电子扫描代替后，大约每秒ca. 10 ms可以得到。在一台H. P仪器中可以连续收集在几个波长上的数据或记录整个谱图。该光谱是直读式的，并可以辨别混合物及定量确定它的成分，且易得微分谱。在许多方面对分光光度计来说是一个革新，只有用微型计算机才有可能。
计算机层面X射线摄影术
计算机层面X射线摄影术，是无伤显示样品截面的仪器。它已经大量地用于医学既迅速又无损伤地获得组织器官的层面显示图。然而，它的原理是很简单的，该技术已在分析上得到广泛的应用。
其基本概念：见图。试样特定部位对辐射的吸收被记录了下来，即测量了沿辐射途径的样品重量和密度。每一平面经过100次以上的测量。虽然得到分辨率低的图像，不一定要这么多次的测量。对于样品的不同层次上可以重复操作。然后进行复杂的计算机处理，这些吸收数据就可以转化成样品层面的图像。在下图中，用固体说明其原理，而事实上阴影可以引进，以便用层面的图像清晰地表示浓度的变化。近来核磁共振已经在医学中用作层面X线摄影术的基础。核磁共振位移和强度与特殊的人体组织有关。这样通过计算而成的像，可以揭示肿瘤的存在和位置。一系列的层面精确地揭示出肿块的几何形状和大小，现在人体有关部位的检查（如脑部、心、肝脏）大约只花5分钟时间就可完成。
该步骤是一种通用型的，可用于所有辐射类型，也可以推广到发射上去。是它的一个优点。如在核燃料棒中用于测量放射性同位素的分布等。然而，该计算机程序用于发射时是不同的，此外某些形式的辐射还需要考虑散射、统计学因素等，从而使计算复杂化。
迄今为止，上述方法用于材料分析还为数极少。（Pierce）等人指出只使用7射线源和两个Z380微机这样起码的仪器，对数据进行收集和处理，可以十分成功地对材料混合进行分析和定值。
结论
尽管本调研报告是有选择性的。计算机在分析化学中的许多其它应用并未列入，但仍可看出将计算机化学计量列入分析仪器中，将大大提高分析的速度和可靠性。研制这类仪器的耗费是大的，特别是那些不常见的设计。仪器说明书详细说明了电的、机械、光学性质、电子线路和仪器的规格，但很少指出仪器中的计算程序。十余年以后化学计量程序将日益作为一种标准而体现出来。在此感谢Perkin-Elmer，Howlett-Packard，Vacuum Generators，J. Huddleston and T. B. Pierce（A. E. R. E.，Harwell）的帮助。
（Analytic Chimica Acta，150（1983年）115-127）