Все что вы хотели знать о хемометрике, но стеснялись спросить

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Содержание
Введение
Калибровка
Анализ изображений
Экология
Биология
MSPC & PAT
Четвертая парадигма

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Хемометрика - это научная дисциплина, находящаяся на стыке химии и математики, предметом которой являются математические методы исследования химических данных
сайт Российского хемометрического общества
Хемометрика: два определения
Дедуктивное

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Что делают хемометрики?
контролируют производство полупроводников, аспирина и пива; исследуют причины разрушения старинных документов;
проводят допинг контроль спортсменов;
расшифровывают состав косметики Древнего Египта;
локализуют месторождение золота в Швеции;
идентифицируют подозреваемого в убийстве Анны Линд;
проводят диагностику артрита и рака на ранних стадиях;
исследуют органические субстанции в кометном веществе;
исследуют кормовой рацион на свинооткормочных комплексах;
проверяют, как рацион питания влияет на умственные способности;
определяют фальшивые лекарства;
и еще многое, многое другое

01.04.07
Лекция в ОмГУ
А если серьезно ....
Хемометрика имеет дело с данными (зачас-тую с очень большими), поэтому хемометрика - это подраздел информатики (Data mining)
Данные, которые исследует хемометрика по большей части происходят из химии, поэтому хемометрика - это подраздел химии (Analytical chemistry)
Методы, которые использует хемометрика ориентированы на формальное моделирование (Soft modeling)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Два «не» и три «да»
Хемометрика ≠ химическая метрология
Хемометрика ≠ статистика в химии
Хемометрика решает следующие задачи :
(1) как получить информацию из химических данных
(2) как представить эту информацию
(3) как получить данные, содержащие такую информацию.

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Когда появилась?
«Каждая попытка применить математи-ческие методы для исследования хи- мических проблем должна рассматрива-ться как абсолютно абсурдная и проти- воречащая самому духу химии.
Если математический анализ, когда -либо займет сколько-нибудь значительное место в химии – извращение, которое по счастью почти невероятно – это повлечет за собой повсеместно быстрое вырожде-ние этой науки».
Огюст Конт, 1825

01.04.07
Лекция в ОмГУ
США, Сиэтл, 1974 год
Сванте Волд
(Svante Wold)
Брюс Ковальски (B. Kowalski)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Прогресс хемометрики
Статьи, опубликованные в журналах издательства Elsevier

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Хемометрика среди своих сестер
Область приложений
Оригинальность методов

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Основные принципы хемометрики
1. Использование многомерного подхода при конструировании экспериментов и анализе их результатов.
2. Что считать шумом, а что – информацией, всегда решается с учетом поставленных целей и методов, используемых для ее достижения.
3. Понятие эффективного (химического) ранга и скрытых, латентных переменных, число которых равно этому рангу.

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Основная задача хемометрики
Заменить прямые измерения, которые либо –
невозможны
дороги длительны
на косвенные измерения, которые –
доступны
дешевы
быстры
с последующей их обработкой (калибровкой).

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Много переменных и много измерений
Одно измерение – спектр (600 точек)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Представление данных в подпространстве

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Формальные и содержательные модели

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Хемометрика

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Часть 1. Калибровка
Битва снеговиков и углевиков

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Антиоксиданты
Антиоксиданты – это специальные добавки, которые замедляют термоокислительное старение полимеров. Они защищают материал от окисления в ходе изготовления материала и при эксплуатации изделий
Задача состоит в оценке эффективности новых, перспективных химических соединений

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Период индукции - OIP
T = 140°C
t = 1- 90 дней
Обычный метод – это длительное термическое старение

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Температура начала окисления - OIT
Альтернатива – это дифф. сканирующая калориметрия

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Цель
Создать быстрый метод для тестирования АО
Средство
Построить калибровку:
температура начала окисления - период индукции

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Подготовка образцов

01.04.07
Лекция в ОмГУ
DSC эксперименты. 5 скоростей нагрева

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Данные и их интерпретация

01.04.07
Лекция в ОмГУ
PLS1 регрессия: Xai = yi
X
3 модели для каждой начальной концентрации AO

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Построение модели. Три набора данных

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Прогноз периода индукции для A0= 0.05

01.04.07
Лекция в ОмГУ
SIC Метод
Все погрешности ограничены!
Существует максимальное отклонение, β, такое что Prob{| ε | > β }= 0

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Простое интервальное оценивание
Пятница 6 апреля
11:30 ауд. 208
О.Е. Родионова
Простой взгляд на простое интервальное оценивание

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Прогнозные интервалы для A0=0.05

01.04.07
Лекция в ОмГУ
N-way методы
PARAFAC
Tucker3

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Часть 2 . Анализ изображений
Still Life

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Разложение изображения по каналам

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Оцифровка изображения

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Применение МГК для анализа
X
PCA

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Он же в пространстве ГК1
Исходный аэроснимок
Исследование состояния лесов (Канада)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Часть 3. Экология
Пухтоград

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Счета и нагрузки. Свалка Безенчук
возраст ~ 25 лет
объем ~ 90 000 м3
площадь ~ 60 000 м2
состав отходов:
1. бытовые
2. аграрные
3. промышленные
E.V. Mikhailov et al
Ecological assessment of landfills with multivariate analysis — a feasibility study, Chemom. Intell. Lab. Syst., WSC-5 issue, In Press

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Отбор проб

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Матрица данных
восемь переменных: j=1….J
123 образца: i=1,…,I

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Счета и нагрузки

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Часть 4. Биология
Биолог в аду

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Новая биология: X- omics
Традиционный подход:
Один ген/белок/реакция за раз Исследование отдельной модели
Новый «системный» подход:
Все ДНК/РНК/белки исследуются вместе
Глобальный анализ больших данных

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Что такое microarray - чип?
Каждый микрореактор
содержит ДНК (или белок)
Обычно в каждом
реакторе разные ДНК, с повторами для
контроля точности
За один раз несколько
микрореакторов
гибридизируются с
экстрактами тканей
Результат виден как
образ, состоящий из
множества цветных
пятен

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Эксперименты с ДНК
Сравниваются две пробы ДНК. Они подкрашиваются разными красителями
Результат эксперимента это интенсивности через два фильтра - красный и зеленый

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Сегментация

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Результат сегментирования
Хороший
Плохой

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Оцифровка изображения

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Псевдо - спектры
480 образцов (строк) × 196 переменных (столбцов)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Первая ГК

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Вторая и третья ГК

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Часть 5. Промышленность
Металлурги и компьютер

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Что такое PAT?
Process Analytical Technology (PAT) =
Технология (методы) анализа процессов
FDA = U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration
Guidance for Industry PAT — A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance
Pharmaceutical CGMPs, September 2004

01.04.07
Лекция в ОмГУ
PAT: Определение бюрократа
PAT – это система планирования, анализа и конт-роля критических переменных, характеризующих состояние производственных материалов и про-цессов в реальном времени (т.е. по ходу производ-ства), с целью подтверждения качества произво-димого продукта.
Guidance for Industry PAT — A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance. Pharmaceutical CGMPs, September 2004

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Исторические данные

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Карты Шухарта SPS (1927)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
МГК на исторических данных
Образцы = Счета T
Переменные = Нагрузки P

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Стат. контроль процессов (SPC)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Контроль процесса (не просто игра)

01.04.07
Лекция в ОмГУ
MSPC & PAT
Пятница 6 апреля
9:45 ауд. 208
А.Л. Померанцев
Аналитический контроль процессов

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Часть 6. Четвертая парадигма
Парадигма – концептуальная схема, используемая для постановки проблем и их решения, господствующая в научном сообществе в течение длительного исторического периода. Энцик. словарь
Академик Кадыров

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Парадигмы науки

01.04.07
Лекция в ОмГУ
I. Геометрическая
V- III вв до н.э.

01.04.07
Лекция в ОмГУ
II. Алгебраическая
X-XV н.э.

01.04.07
Лекция в ОмГУ
III. Дифференциальная
XVII в. –н.в.

01.04.07
Лекция в ОмГУ
2H2+O2⇔ 2H2O

01.04.07
Лекция в ОмГУ
IV. Новая парадигма

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Наивный пример PAT

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Sixth Winter Symposium on Chemometrics
Школа: 16-17 февраля 2008
Конференция: 18-22 февраля 2008
Казань

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Участники WSC-5 в Самаре

01.04.07
Лекция в ОмГУ
Благодарность
В презентации использованы репродукции картин Питерского художника
Николая Копейкина
www.nomzhir.spb.ru/kopeykin За это ему – большое спасибо!
Автопортрет в костюме Деда Мороза