儀器分析12計算機(jī)與儀器分析課件

第一章

緒論1.2.1計算機(jī)對儀器分析發(fā)展的促進(jìn)1.2.2儀器分析中的計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)1.2.3分析儀器的性能指標(biāo)1.2.4網(wǎng)絡(luò)中的儀器分析資源第二節(jié)

計算機(jī)與分析儀器IntroductionComputerandinstrumentanalysis

2023/7/25第一章

緒論1.2.1計算機(jī)對儀器分析發(fā)展的促進(jìn)第二1.2.1

計算機(jī)對儀器分析發(fā)展的促進(jìn)作用1.促進(jìn)儀器分析自動化

計算機(jī)已經(jīng)成為分析儀器的重要組成部分，如色譜自動進(jìn)樣器、色譜工作站、電化學(xué)工作站等。2023/7/251.2.1計算機(jī)對儀器分析發(fā)展的促進(jìn)作用1.促進(jìn)儀器分析2023/7/252023-07-24色譜工作站2023/7/25色譜工作站2023-07-24計算機(jī)分析儀器工作站2023/7/25計算機(jī)分析儀器工作站2023-07-24工作站2023/7/25工作站2023-07-24

2.促進(jìn)新分析儀器出現(xiàn)

現(xiàn)代分析儀器是建立在計算機(jī)基礎(chǔ)之上，如傅立葉變換紅外光譜儀；聯(lián)用儀器；二極管陣列檢測器(三維顯示)；微流控分析芯片技術(shù)、二維核磁等。2023/7/252.促進(jìn)新分析儀器出現(xiàn)現(xiàn)代分析儀器是建立3.提高儀器性能4.實現(xiàn)分析儀器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化5.未來的網(wǎng)絡(luò)分析實驗室用戶：傳感器+計算機(jī)+網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析實驗室結(jié)果資源共享2023/7/253.提高儀器性能2023-07-24網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室2023/7/25網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室2023-07-241.2.2儀器分析中的計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)1.計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制

計算機(jī)：數(shù)字符號分析儀器：模擬信號(電壓或電流)Digital-AnalogConverter（DAC）作用：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成模擬量，實現(xiàn)計算機(jī)控制。Analog-DigitalConverter（ADC）作用：將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)采集。計算機(jī)接口分析儀器接口(信號轉(zhuǎn)換)2023/7/251.2.2儀器分析中的計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)1.計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制2023/7/252023-07-24DAC原理圖2023/7/25DAC原理圖2023-07-24DAC原理

在一個二進(jìn)制數(shù)字的每一位上對應(yīng)產(chǎn)生一個與它的數(shù)字及權(quán)重成正比的電流，并將每一個邏輯為1的數(shù)位的電流相加，成為相應(yīng)的電流模擬量（或電壓模擬量）。

每一個電阻值與“權(quán)”對應(yīng)，權(quán)值越大，電阻越小。二進(jìn)制數(shù)的每一位控制一個開關(guān)。1開；0關(guān)。2023/7/25DAC原理在一個二進(jìn)制數(shù)字的每一位上對應(yīng)產(chǎn)生一10位二進(jìn)制數(shù)碼經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換對應(yīng)的電壓值2023/7/2510位二進(jìn)制數(shù)碼經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換對應(yīng)的電壓值2023-07-24ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）原理與作用

作用：將連續(xù)的模擬量形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成非連續(xù)的二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)。實現(xiàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)采集。DAC的逆過程。種類：積分式：高精度，低速度；跟蹤式：高速，易受噪聲影響；多比較器式：最高速，高分辨；逐次逼近式：高速，高分辨。2023/7/25ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）原理與作用作用：將連續(xù)的模ADC原理

設(shè)定一數(shù)據(jù)值，送入DAC，產(chǎn)生Vb

，與Vi比較，C滿足要求時，輸出一個二進(jìn)制數(shù)字。類似于天平稱量加砝碼，但由大到小。

多比較器式（右圖）10位，需1023個的轉(zhuǎn)換器，每個比較器對應(yīng)一個邏輯輸出。2023/7/25ADC原理設(shè)定一數(shù)據(jù)值，送入DAC，產(chǎn)生Vb有關(guān)問題（1）采樣保持電路轉(zhuǎn)換需一定時間，在轉(zhuǎn)換時，保持輸入量。（2）干擾及其抑制干擾源：電器、電機(jī)等。通過阻抗耦合、電場耦合、磁場耦合等途徑進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如右圖所示加屏蔽線，正確接地，屏蔽線應(yīng)接現(xiàn)場地。2023/7/25有關(guān)問題（1）采樣保持電路2023-07-24Nyquist采樣規(guī)則

計算機(jī)處理的任何變量都只能是分立取值，數(shù)組；如果要無限精確描述一個連續(xù)量-采樣間隔為零；受采樣速度，存儲空間限制，實際不可能也不必要。如何確定采樣頻率，保證信號不失真？采樣頻率：以最高頻率的2倍速度采樣。2023/7/25Nyquist采樣規(guī)則計算機(jī)處理的任何變量都只2.計算機(jī)信息處理(1)繪圖、顯示（三維）(2)含量計算(3)曲線擬合、平滑、插值、求導(dǎo)(4)模擬、預(yù)測2023/7/252.計算機(jī)信息處理(1)繪圖、顯示（三維）2023-07-曲線擬合用數(shù)學(xué)方法將獲取的數(shù)據(jù)作曲線擬合。方法：（1）由實際獲得的曲線找出與此曲線適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；（2）以實驗得到的數(shù)據(jù)對(xi,yi)，代入數(shù)學(xué)模型，用最小二乘法求出模型中的待定參數(shù)。關(guān)鍵點：選擇正確的數(shù)學(xué)模型。例：非正態(tài)色譜曲線，可采用r函數(shù)與指數(shù)衰減曲線相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型。2023/7/25曲線擬合用數(shù)學(xué)方法將獲取的數(shù)據(jù)作曲線擬合。方法：2023-0曲線的平滑處理

曲線平滑處理可以去除數(shù)據(jù)集合中的隨機(jī)噪聲，保留有用信息，提高信噪比。小波動：隨機(jī)噪聲大波動：包含有用信息方法：

boxcar平均化；移動窗口均化；最小二乘多項式平滑（Savitzky-Golay卷積法），最常用的方法。注意點：不正確的平滑處理可能會將微弱信號當(dāng)作噪聲處理掉。2023/7/25曲線的平滑處理曲線平滑處理可以去除數(shù)據(jù)集合中的隨機(jī)噪信號求導(dǎo)

消除背景和重疊峰的干擾，提高分辨率和靈敏度。方法：模擬微分電路或求導(dǎo)程序軟件。微分譜比原譜對譜特征的細(xì)微變化反應(yīng)要靈敏得多，被隱藏的譜的特征可以通過對原譜圖的微分而得到加強(qiáng)。應(yīng)用：

（1）光譜圖、色譜圖：重疊峰、弱肩峰的區(qū)分；（2）電位滴定曲線的導(dǎo)數(shù)曲線容易確定滴定終點。注意點：微分時，原譜的噪聲也被加強(qiáng)，高階導(dǎo)數(shù)譜的噪聲增大得更明顯，解決方法：對原譜進(jìn)行平滑處理。2023/7/25信號求導(dǎo)消除背景和重疊峰的干擾，提高分辨率和靈敏度。多元分析方法

如何在大批實驗數(shù)據(jù)中總結(jié)出有用的規(guī)律或者挖掘出有用的信息?

多元分析是一類計算機(jī)信息處理、信息挖掘技術(shù)，特別適合用于從多種因素影響的大量實驗數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律。

多元分析應(yīng)用領(lǐng)域：處理衛(wèi)星照片，指紋鑒別，文字和語音識別，多參數(shù)、多變量問題的處理。分析化學(xué)中的應(yīng)用：（1）多種微量元素的分布與健康（或疾?。┑年P(guān)系；（2）物質(zhì)中復(fù)雜成分的含量分析；（3）各種譜的特征與性質(zhì)關(guān)系；（4）分子結(jié)構(gòu)與譜特征的關(guān)系。2023/7/25多元分析方法如何在大批實驗數(shù)據(jù)中總結(jié)出有用的規(guī)律或者3.專家系統(tǒng)與人工智能(1)液相色譜專家系統(tǒng)

柱系統(tǒng)推薦軟件包；色譜條件優(yōu)化及離線色譜數(shù)據(jù)計算軟件包。(2)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)

Munk紅外光譜解釋程序；Sasaki的Chemics-F程序。2023/7/253.專家系統(tǒng)與人工智能(1)液相色譜專家系統(tǒng)2023-07輔助光譜圖解析系統(tǒng)

基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)確定化合物結(jié)構(gòu)：紅外、核磁、質(zhì)譜。1969年，斯坦福大學(xué)的DENDRAL系統(tǒng)；1976年，PBM系統(tǒng)，美國Cornall大學(xué)，質(zhì)譜圖解析；1977年，SISCOM系統(tǒng)，前聯(lián)邦德國煤炭研究所，質(zhì)譜圖解析。譜圖存儲方法：原則：節(jié)省空間，不遺漏信息：保存峰數(shù)據(jù)；按波長取數(shù)據(jù)。查詢對比方法（檢索）：需要考慮儀器誤差(峰位、峰強(qiáng))，判斷相似程度的定量指標(biāo)。2023/7/25輔助光譜圖解析系統(tǒng)

基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)確定化合物結(jié)構(gòu)：智能化分析儀器

示意圖分析儀器熱、光、電新技術(shù)新型材料、電子器件操作分析對象控制信號實施檢測數(shù)據(jù)庫信息數(shù)據(jù)處理方法描述報告結(jié)果判斷多媒體計算機(jī)人工智能專家系統(tǒng)最優(yōu)化技術(shù)自動化技術(shù)2023/7/25智能化分析儀器

示意圖分析儀器熱、光、電新技術(shù)新型材料、電子1.2.3分析儀器的性能指標(biāo)

1.信號與噪聲信號：信號定義為分析儀器的響應(yīng)，理想的情況是儀器僅對待測組分有響應(yīng)；

本底信號：無試樣時，儀器產(chǎn)生的信號；產(chǎn)生原因：隨機(jī)噪聲；空白信號：試樣中無待測組分時，儀器產(chǎn)生的信號；

空白信號與本底信號的不同主要是由于試樣中除待測組分外的其他組分的干擾所引起的。

試樣預(yù)處理：使空白信號接近本底信號。2023/7/251.2.3分析儀器的性能指標(biāo)

1.信號與噪聲信號：信號2.檢出限與靈敏度(1)檢出限

試樣的信號能被檢出的最低限。由于存在隨機(jī)噪聲（正態(tài)分布），有誤判的可能。如何規(guī)定檢出限使誤判產(chǎn)生的概率符合要求。1969年，國際原子吸收光譜會議：yB+3B

1975年，IUPAC：yB+2B

（數(shù)學(xué)期望值yB）保險檢出限：yB+6B定義：以一定的置信度檢出待測組分的最低濃度。

yA=yB+kB

k的取值對應(yīng)于不同置信概率。2023/7/252.檢出限與靈敏度(1)檢出限2023-07-24(2)靈敏度

分析儀器的響應(yīng)值與濃度(或量)改變一個單位時所引起的信號的變化，y/c(IUPAC給出的定義)；單純靈敏度高不能保證有低的檢測限；檢測限與B有關(guān)，B來自隨機(jī)噪聲，信號變化可能被噪聲淹沒。2023/7/25(2)靈敏度分析儀器的響應(yīng)值與濃度(或量)改變(3)信噪比(S/N)的提高

途徑：a.改善信號的測量技術(shù)；b.信號經(jīng)過適當(dāng)處理;

c.優(yōu)化。(a)信號的平均:噪聲信號(b)濾波和調(diào)制2023/7/25(3)信噪比(S/N)的提高途徑：a.改善信號的3.

分辨率

衡量儀器分辨干擾信號與組分信號或難分離兩組分信號的能力指標(biāo)。光譜儀器：分辨率是指將波長相鄰的兩條譜線的分開能力。

R=/

質(zhì)譜法：區(qū)分兩個可分辨質(zhì)量的能力。

R=m/m

色譜法：2023/7/253.分辨率衡量儀器分辨干擾信號與組分信號或難分離兩組1.2.4網(wǎng)絡(luò)中的儀器分析資源1.數(shù)據(jù)庫