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分析仪器测量电路、信号处理及计算机应用基础的概论

发布时间:2015-08-14 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:371

仪器分析的发展和电子学、化学统计学或化学计量学、计算机科学发展密切相关。因为分析仪器的信号发生、转换、放大、处理和显示都采用电子器件和线路、统计学等数学方法和计算机来完成。因此,电子学、化学计量学和计算机技术是分析仪器的重要基础,是基于分析仪器物理、化学原理实现分析测量的主要技术手段。

电子学含义很广,不同领域有不同解释或内容。分析仪器涉及半导体元器件、光电器件和各种模拟、数字等集成电路,其核心是放大、测量器件和电路。

分析仪器出现以来,一般的数理统计方法,如线性回归、正交设计等,在化学测量和信号处理中已被应用。传统的仪器分析理论在很大的程度上只涉及如何获取化学体系的诸多方面的信息,而在对信息的再处理方面显得稍嫌不够。然而,随着现代分析仪器发展,化学工作者可以在很短时间内获得大量原始分析信号和数据,甚至可获得具有很高时间、空间分辨率的多维数据。仪器分析的主要目的已不仅是获取有关测量信息或数据,更重要的是如何从大量数据中提取更多解决化学问题的有用信息。近30年来,由数学、统计学、计算机科学与化学相结合形成的化学计量学,成为研究分析方法选择、数据处理、信息提取及解释的有力手段,是分析仪器及应用软件研发、设计及操作技术的重要理论基础。

计算机及技术不仅导致化学计量学的形成和发展,也促进微电子技术进步,利用计算机辅助设计,微电子技术取得瞩目成就,如专用集成电路、数字信号处理器芯片、电荷藕合器件(CCD)等新型电子器件出现,极大地推动仪器器件发展,从而改变了分析仪器面貌、很好地适应现代仪器分析发展需要,导致分析化学学科内涵的发展、变化。因此,计算机是当代各种分析仪器不可缺少的组成部分,给分析仪器带来的主要变化有:

(1)大大提高分析仪器数据处理能力,在计算机控制下,分析仪器快速完成大量数据采集、归整、变换和处理。这包括一些基本数据处理,如信号的平均、平滑、微分、换算、线性化、比较并求差等;复杂的数据处理,如各种定性、定量数据,谱图库和检索,各种变换仪器的傅里叶变换等。计算机化的分析仪器,结合化学计量学方法,可以解决一般仪器方法不能或很难解决的分析问题,如谱图识别、实验条件优化、多组分同时测定、干扰校正、多变量拟合、多指标综合评价等,并极大提高仪器性能指标和分析的准确性。

(2)分析仪器数字图像处理功能的发展。数字图像处理与有关应用软件已成为现代分析仪器的重要组成部分,如扫描电镜、各种波谱仪、能谱仪、探针技术等,获得多维、立体分析图像。分析结果更为清晰且直观。

(3)分析仪器联用技术发展。由于计算机的强大数据处理能力,导致以色谱为代表的分离分析和质谱等结构分析仪联用、多维色谱、多种结构仪器联用技术的大发展,不仅在解决生物医药学、环境、材料科学等前沿领域研究课题中发挥重要作用,并已成为常规分析技术。

(4)自动化水平提高,分析仪器从手动模式变为计算机控制模式、从半自动分析发展为全自动分析,已逐步发展到采样、试样预处理、进样、分析、数据处理、分析结果提供的全自动化及在线连续自动分析。

(5)分析仪器智能化发展。智能化是信息技术的最高水平,目前智能分析仪器仍处于仪器智能化的低级阶段,处在手工操作向自动化过渡,运用人工智能技术建立起来的各种分析条件优化、化学谱图识别与解释、化学模式识别等专家系统已成为现代仪器智能化研究的前沿课题。

可以从不同角度理解测量电路或电子学、信号处理或化学计量学和计算机在分析仪器中应用的相互关系。它们各分属相对独立学科领域,又相互交叉、渗透、促进,共同导致各种分析仪器总体设计、结构、功能和操作技术的根本变革,且大多与仪器研发、制造有关,基本属于分析仪器范畴。本章仅讨论与分析仪器有关的几个典型放大、测量器件和电路及信号处理、计算机接口、应用等方面的一些人门知识。了解和掌握这些基础知识,对有效掌握仪器分析技术、分析方法或模式选择和操作条件优化,充分发挥分析仪器功能具有重要价值,对学习分析仪器专业性参考书和相关文献也是有益的。

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