计算药物分析(药学与生物信息学)第一章.ppt

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1、药学与生物信息学教材：胡育筑主编计算药物分析教材：胡育筑主编计算药物分析中国医药科技出版社，中国医药科技出版社，2006年年8月月参考书目：程翼宇翟海斌参考书目：程翼宇翟海斌医药分析信息学及信息处理技术化学工业出版社医药分析信息学及信息处理技术化学工业出版社2006年年9月月蔡禄生物信息学教程化学工业出版社蔡禄生物信息学教程化学工业出版社2008年年5月月课时：课时：34/34教师：赵迪思教师：赵迪思课程名称：药学与生物信息学课程名称：药学与生物信息学 简简介介：研研究究应应用用数数学学、统统计计学学和和计计算算机机科科学学的的方方法法，设设计计或或者者选选择择优优化化的的药药学学和和化化学学

2、实实验验方方法法，并并通通过过解解析析实实验验数数据据获获取取有有关关信信息息，内内容容包包括括药药学学中中的的误误差差和和分分析析数数据据处处理理，实实验验设设计计和和优优化化，模模式式识识别别，分分析析质质量控制方法及有关应用等。量控制方法及有关应用等。学时：学时：34化学计量学的兴起和发展化学计量学的兴起和发展教学任务与特点教学任务与特点主要内容与安排主要内容与安排教学要求和方法教学要求和方法4123第一章第一章 绪绪 论论分析化学今昔分析化学今昔O分析化学的三次变革分析化学的三次变革分析化学扩展边界分析化学扩展边界-形成交叉学科形成交叉学科分析化学延伸边界分析化学延伸边界形成许多交叉学

3、科形成许多交叉学科M/SMath./StatisticsEElectronicsCComputerACAnalytical ChemistryEEnvironmental ScienceLSLife ScienceP/MPhysics/Material化学计量学的诞生化学计量学的诞生交叉学科交叉学科J奠基人：J瑞典-S.WoldJ美国-B.R.KowalskiJ 1974年，由美国的BRKowalski和瑞典的SWold等发起，在美国华盛顿大学成立了国际化学计量学学会。J背景：J数据处理与信息提取J计算机科学的发展化学测量数据维数的变化化学测量数据维数的变化-经典的二维图谱经典的二维图谱-A;

4、At;EpH-三维图谱（三维图谱（DAD）-HPLC-DAD什么是化学计量学？什么是化学计量学？接口接口交叉学科，边缘学科交叉学科，边缘学科定义定义应用数学、统计学与计应用数学、统计学与计算机科学的方法，来设计或选算机科学的方法，来设计或选择最优的化学实验方法，并从择最优的化学实验方法，并从测量数据中最大限度地获取化测量数据中最大限度地获取化学及相关信息。学及相关信息。概念说明概念说明化学计量关系化学计量关系化学统计学化学统计学计算分析化学计算分析化学 由于化学计量学并不局限于统计分析，还包括许多其他数学方法，是一门通过学科交叉发展起来的新兴化学学科。越来越多的化学工作者赞成使用化学计量学或分

5、析化学计量学这个名称，也有的建议使用计算分析化学或计算化学作为学科名称。近年来，以化学信息为主要内容的一门信息学科化学信息学（chemo-informatics）正在形成和兴起。化学信息学的内容包括化学计量学的基本内容，还包括化学化工文献学、化学数据库、化学图形学、化学教育的现代技术和远程信息资源，本质上是国际互联网网络资源、化学数据库和化学计量学的结合。在药学学科的专业课程中，计算药物分析实际就是药学中的化学计量学，侧重于化学计量学在药学中的应用理论和方法的研究。化学计量学的任务与特点化学计量学的任务与特点样品分析的过程图样品分析的过程图中成药中硒的测定中成药中硒的测定化学计量学的任务化学计

6、量学的任务选择或设计优化的实验方选择或设计优化的实验方法法获取分析对象的化学及相获取分析对象的化学及相关信息关信息化学计量学的理论和方法贯穿于整个分析测试过程中！化学计量学的理论和方法贯穿于整个分析测试过程中！首首先先必必须须建建立立方方法法，如如确确定定用用比比色色法法、原原子子吸吸收收分分光光光光度度法法等等。假假设设决决定定使使用用原原子子吸吸收收分分光光光光度度法法，我我们们必必须须选选择择实实验验条条件件，包包括括样样品品制制备备方方法法、仪仪器器条条件件等等，以以便便确确定定实实验验方方案案，即即设设计计分分析析方方法法。分分析析方方法法建建立立后后还还要要对对方方法法进进行行优优

7、化化和和验验证。证。下下一一步步分分析析测测定定，包包括括测测试试样样品品的的制制备备和和测测定定。分分析析采采样样理理论论是是指指试试样样采采集集的的数数学学统统计计理理论论。分分析析测测定定必必须须制制备备样样品品并并使用分析仪器。使用分析仪器。化化学学计计量量学学更更多多地地应应用用于于分分析析的的第第三三步步数数据据处处理理。分分析析检检测测理理论论提提供供了了对对测测量量样样品品分分析析检检测测的的数数学学统统计计基基础础；校校正正则则是是从从化化学学测测量量数数据据中中取取得得有有关关物物质质系系统统成成分分定定量量信信息息的的基基本手段，化学计量学的理论和方法也就显得更为重要。本

8、手段，化学计量学的理论和方法也就显得更为重要。方方法法科科学学研研究究的的 从人类基因组计划（HGP）说起生物信息学生物信息学生物信息学生物信息学曼哈顿原子弹计划（1942-46）阿波罗登月计划(1961-69)人类基因组计划(1990-2003)20世纪三大科学计划 生物信息学（bioinformatics）有许多不同的定义。基于生物信息学与分子生物学的密切关系，狭义的生物信息学专指应用信息技术储存和分析基因组测序所产生的分子序列及其相关数据，也被称为分子生物信息学。广义的生物信息学是指以核酸、蛋白质等生物大分子为主要研究对象，以信息、数理、计算机科学为主要研究手段，以计算机网络为主要研究环

9、境，以计算机软件为主要研究工具，对序列数据进行储存、管理、注释、加工，对各种数据库进行查询、搜索、比较、分析，建构各种类型的专用数据库信息系统，研究开发面向生物学家的新一代计算机软件；并利用数理统计、模式识别、动态规划、密码解读、语义解析、信令传递、神经网络、遗传算法以及隐马氏模型等各种方法，对序列、结构数据进行定性和定量分析，从中获取基因编码、基因调控、序列-结构-功能关系等理性知识，阐明细胞、器官和个体的发生、发育、病变、衰亡的基本规律和时空联系，探索生命起源、生物进化、生命本质等重大理论问题，最终建立“生物学周期表”。本课程的主要内容本课程的主要内容基本内容基本内容统计学与统计方法统计学

10、与统计方法试验设计与优化试验设计与优化分析信号处理分析信号处理化学模式识别化学模式识别人工智能人工智能经典统计分析经典统计分析回归和相关回归和相关多元统计分析多元统计分析方差分析方差分析响应面理论响应面理论析因试验析因试验序贯优化方法序贯优化方法并行优化方法并行优化方法计算分光光度法计算分光光度法分析检测理论分析检测理论滤波、平滑与求导滤波、平滑与求导因子分析法因子分析法聚类分析聚类分析线性学习机法线性学习机法K-最近邻法最近邻法定量构效关系定量构效关系人工神经网络人工神经网络化学专家系统化学专家系统数据库和谱图检索数据库和谱图检索化学计量学在药学中应用的理论、方法和技术化学计量学在药学中应用

11、的理论、方法和技术J药学专业药物分析方向和中药学专业中药分析方向药学专业药物分析方向和中药学专业中药分析方向的一门专业课。的一门专业课。J上世纪上世纪80年代中期（年代中期（1983年）由我国著名药物分析年）由我国著名药物分析学家安登魁教授创建。学家安登魁教授创建。J选修课选修课-必修课。必修课。J特色：学科交叉性、新颖性和药学特色；特色：学科交叉性、新颖性和药学特色；J 强调方法学，重视综合素质和能力的培养强调方法学，重视综合素质和能力的培养 学习这门课的目的与要求学习这门课的目的与要求O掌握计算药学的基本原理和方掌握计算药学的基本原理和方法及其应用法及其应用O拓宽自己的知识面和视野，向拓宽

12、自己的知识面和视野，向通才发展通才发展TrendExchangeReviewReviewExperiment&Experience+要求：要求：知识知识+能力能力+实用性实用性+实践性实践性完成要求的基本习题完成要求的基本习题熟练使用常用工具软件（熟练使用常用工具软件（EXCEL、WORD、POWER POINT)初步掌握常用计算编程软件初步掌握常用计算编程软件(可选用可选用Matlab、VB、SAS)考核办法考核办法:平时平时(作业作业)+考试考试联系方式：联系方式：手机号手机号 13585129729 邮箱邮箱 Excel电子表格在定量分析中的应用电子表格在定量分析中的应用 最为实用，最普

13、遍最为实用，最普遍 应用：应用：绘图、统计、数据库绘图、统计、数据库国际权威分析化学教材理论学习的基本内容，自国际权威分析化学教材理论学习的基本内容，自20世纪世纪90年代初期，年代初期，Excel就被欧美分析化学教材推荐，应用于计就被欧美分析化学教材推荐，应用于计算、统计和绘图，成为分析化学工作者必不可少的计算机算、统计和绘图，成为分析化学工作者必不可少的计算机工具。工具。药学实验室：药学实验室：质量标准、稳定性研究中的数据运算、绘图、统计、贮质量标准、稳定性研究中的数据运算、绘图、统计、贮存存-研究资料研究资料1.1 数据的输入和计算数据的输入和计算输入输入计算计算函数的应用函数的应用 格

14、式格式 average stdev (插入插入-函数函数-统计统计)1.2 数据的管理数据的管理1.编辑编辑国际国际IUPAC原子量表原子量表 ，搜索，搜索“iupac atomic weights”编辑编辑/复制（或快捷键复制（或快捷键Ctrl+c）把把鼠鼠标标指指针针放放在在工工作作表表中中合合适适的的位位置置，点点击编辑击编辑/粘贴（粘贴（Ctrl+v）或者编辑或者编辑/选择性粘贴。选择性粘贴。2.替换替换(编辑菜单编辑菜单)1.find 函数函数（查找任意指定字符在文本中的位置（查找任意指定字符在文本中的位置）2.mid函数（查找任意指定数值在文本中的位置函数（查找任意指定数值在文本中

15、的位置）3.vlookup函数函数（多功能的查找和定位）（多功能的查找和定位）4.相对分子质量的计算相对分子质量的计算3、数据的描述性统计和图表、数据的描述性统计和图表 FExcel 数数据据分分析析工工具具包包提提供供了了“描描述述统统计计”的的功功能能，用用于于生生成成数数据据源源区区域域中中数数据据的的单单变变量量统统计计分分析析报报表表，提提供供有有关关数数据据趋趋中中性性和和易易变变性性的的信信息息。在在Excel描描述述统统计计结结果果中中除除平平均均值值和和标标准准差差、方方差差、标标准准误误差差等等基基本本统统计计参参数数外外，还有中位数、众数、极值等参数。还有中位数、众数、极

16、值等参数。FExcel提提供供了了多多种种图图表表类类型型，使使用用户户建建立立基基于于贮贮存存数数据据的的各各种种类类型型的的图图表表。对对于于分分析析化化学学的的实实验验数数据据使使用用的的图图表表类类型型以以XY平平滑滑线线散散点点图图居居多多，可可以以此此建建立立显显示示自自变变量量(如如标标准准溶溶液液的的浓浓度度)和和因因变变量量(如如分分光光光光度度法法测测定定测测得得的的吸吸光光度度)的的标标准准曲曲线线，也也可可以以用用于于绘绘制制滴滴定定曲曲线线、溶溶出出度度曲曲线线等。等。F建建立立图图表表的的方方法法主主要要有有两两种种：使使用用“图图表表”工工具栏和使用图表向导。具栏

17、和使用图表向导。F编编辑辑图图表表可可使使图图表表的的内内容容科科学学，形形式式符符合合要要求求。Excel 提提供供了了各各种种格格式式，可可方方便便地地编编辑辑数数据据系系列列的的格格式式，可可根根据据需需要要编编辑辑坐坐标标轴轴、标标题题、图图注、图例、位置、尺寸等。注、图例、位置、尺寸等。4、化学平衡及滴定曲线的计算、化学平衡及滴定曲线的计算 自上世纪80年代以后，国际权威分析化学教材已把Excel电子表格在分析计算中的使用方法作为必须学习的内容，其主要应用包括不同酸碱系统pH的计算，酸碱、络合、沉淀、氧化还原的四种主要滴定曲线的计算和绘图，高斯正态分布曲线和电位滴定曲线的计算等。应应

18、用用Excel 电电子子表表格格绘绘制制滴滴定定曲曲线线的的方方法法可可推推广广至至所所有有的化学滴定分析方法。的化学滴定分析方法。对对于于滴滴定定终终点点的的确确定定，按按照照化化学学计计量量点点附附近近出出现现的的pH突突跃跃除除了了应应用用指指示示剂剂的的颜颜色色突突变变外外，以以电电位位滴滴定定曲曲线线计算二阶微商为零的点也是常用的方法。计算二阶微商为零的点也是常用的方法。此此外外瑞瑞典典化化学学家家Gran提提出出的的线线性性滴滴定定法法为为代代表表的的计计算算滴滴定定分分析析方方法法，通通过过建建立立滴滴定定方方程程，也也可可应应用用Excel 电电子表格，根据计算或作图确定滴定终

19、点。子表格，根据计算或作图确定滴定终点。1.3 函数及其应用函数及其应用Excel提提供供的的大大量量不不同同类类型型的的函函数数，可可分分为为日日期期和和时时间间函函数数，逻逻辑辑函函数数(运运算算符符)，查查找找和和引引用用函函数数,数数学学和和三三角角函函数数，统统计函数以及文本和数据函数等。计函数以及文本和数据函数等。附附表表1-1列列出出了了在在化化学学和和药药学学应应用用中中可可能能使使用用的的函函数数。使使用用这这些些函函数数时时需需在在Excel窗窗口口打打开开插插入入-函函数数，找找到到所所需需函函数数后后，点点击击“有有关关该该函函数数的的帮帮助助”，根根据据显显示示的的该

20、该函函数数的的语语法法、说明和示例操作。说明和示例操作。在在化化学学计计量量学学中中，除除了了经经典典的的统统计计分分析析，如如相相关关分分析析、回回归归分分析析、统统计计检检验验、方方差差分分析析可可以以应应用用这这些些函函数数外外，多多变变量量统统计计分分析析和和模模式式识识别别的的矩矩阵阵运运算算也也经经常常应应用用Excel的内部函数。的内部函数。应应用用较较多多的的有有矩矩阵阵转转置置（transpose），乘乘法法(mmult)，求逆（求逆（minverse）等。）等。1.4 Excel 加载工具加载工具附表附表1-2 数据分析工具的主要功能数据分析工具的主要功能 强大的统计分析功能强大的统计分析功能工具工具-加载宏加载宏-分析工具库分析工具库 (数据分析数据分析)第第1 1次实验：次实验：Excel电子表格在定量分析中的应用电子表格在定量分析中的应用一、电位滴定分析的有关计算一、电位滴定分析的有关计算二、一元线性回归及有关计算二、一元线性回归及有关计算数据输入数据输入公式公式 绘图绘图数据分析数据分析 （加载宏（加载宏-分析工具库）分析工具库）（一元线性回归分析）（一元线性回归分析）