Некоторые вопросы методологии аналитических наук

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые вопросы методологии аналитических наук

Будников Герман Константинович и Евтюгин Геннадий Артурович

Кафедра аналитической химии. Химический институт им. А.М. Бутлерова. Казанский (Приволжский) федеральный университет. Ул. Кремлевская, 18. г. Казань, 420008. Республика Татарстан. Россия. Тел.: (843) 233-74-91. E-mail: Herman.Budnikov@ksu.ru , Gennady.Evtugin@ksu.ru

Некоторые вопросы методологии аналитической химии и ее дефиниции рассмотрены в контексте понятий пространства и времени. Приведены примеры сложных объектов анализа, структура, состав и размер которых меняется во времени. Обращено внимание на неопределенность аналитических данных о сверхнизких концентрациях при сильном разбавлении.

Известно, что анализ и синтез в своем единстве дают полное и всестороннее представление о мире, включая человека и окружающие его объекты. Без анализа нет синтеза и наоборот (Ф. Энгельс).

В естественнонаучных областях знания анализ обычно воспринимается как часть химии, имеющей целевые установки на решение каких-либо конкретных задач. В более узком понимании, отражающем не столько фундаментальные, внутренние стимулы и задачи, сколько социальные, анализ в настоящее время должен отвечать на вопросы, диктуемые необходимостью, прежде всего, оценки состояния среды обитания и здоровья человека.

Действительно, каждый человек имеет право иметь информацию о том, что он ест, пьет и чем дышит, то есть о том, что определяет качество его жизни. Можно расширить понятие качества жизни, распространяя его, например, на информационное пространство в целом, но и в этом случае человек будет нуждаться в определенных критериях такого качества, включая, например, гигиенические критерии систем информационной коммуникации или достоверности получаемой информации о составе продуктов питания.

Эти важные задачи решаются комплексом методов химического анализа, которые в последнее время объединяются понятием аналитические науки.

Исторически химический анализ в отдельные периоды предопределял развитие всей химии, поскольку его методы в целом выполняли функцию структурообразующего фактора. Резкое изменение содержания науки о химическом анализе произошло во второй половине XX века.

Изменились и продолжают меняться не только арсенал методов, но и основные понятия, целеуказание и идеи, то есть сама парадигма аналитической химии. Ряд методологических аспектов аналитической химии, однако, при этом остается дискуссионным.

Эта дискуссионность отразилась, в частности, в словесном определении, то есть дефиниции этой науки. Из ряда этих определений (а их около десяти) выделим, прежде всего, определение Ю.А. Золотова (1980): “Аналитическая химия - это наука о принципах, методах и средствах определения химического состава и строения химических соединений, веществ и материалов”. Это определение можно назвать классическим. Поскольку мы живем в мире, в котором происходят глобальные процессы, отражающиеся на качестве жизни и здоровье человека, логично ожидать необходимости внесения изменений в дефиницию аналитической химии.

В формате доклада интерес представляет дефиниция, которую предложило в 2004 году отделение аналитической химии Федерации европейских химических обществ, включенная в учебник Г. Кристиана по аналитической химии, считающийся лучшим зарубежным учебником по этой науке.

Аналитическая химия - это научная дисциплина, которая развивает и применяет метод, средство и новую методологию получения информации о составе и природе вещества (в пространстве и времени). Введение пространства и времени в дефиницию науки, по-видимому, связано с необходимостью учета глобальных процессов, в которых объекты исследования постоянно меняются как качественно, так и количественно. В определенной степени введение переменной времени явилось реакцией на развитие инструментального базиса науки, сокращение времени, необходимого на извлечение химической информации благодаря совершенствованию измерительных приборов и способов подготовки пробы.

Немаловажным представляется и «давление» смежных дисциплин, таких как науки о жизни, которые ставят задачи не просто определения химического состава клетки или ткани, но и их изменения в быстротечных процессах, таких как передача нервного импульса или передача генетической информации в репликации ДНК.

Считается, что дефиниции разделов науки имеют субъективный характер. Тем не мене, они должны отражать единое понимание термина, которое достигается на основе договоренности при широком обсуждении научным сообществом. Эти вопросы обсуждены всесторонне в книге Ю.А. Золотова [1].

Известно и определение аналитической химии “от философов”, в основе которого лежит цитата Ф. Энгельса: аналитическая химия - наука об измерении химической формы движения материи (химическая метрология, Н.П. Комарь, 1963) [1]. Это определение выделяют метрологи, аналитики в меньшей мере, поскольку им приходится иметь дело с конкретными физическими параметрами и величинами, а не с формами движения материи.

Не останавливаясь на детальном рассмотрении вопроса о дефинициях аналитической химии, которые, как уже отмечалось выше, обсуждены в книге [1], обратим внимание на те составляющие в дефиниции науки, хотя они и остаются дискуссионными, которые связаны с пространством и временем.

С практической точки зрения это, как отмечалось выше, обусловлено изменчивостью большинства самих объектов исследования, химической формы существования в них определяемого компонента, протяженностью объекта и размерностью.

Отметим, что пространство и время понимаются как одна из форм бытия материи (в данном случае химической) со своей спецификой изменчивости и неизменности в ее становлении. Причем принимается философский тезис о смешанном уровне этой специфики, на котором осуществляется единство нефизической и физической форм пространства и времени, и не затрагиваются вопросы химической эволюции со своей спецификой химического пространства и химического времени. Другими словами, применяется в некоторой степени утилитарный подход.

Известно, что объектами исследования могут служить не только конкретные объекты анализа, но и сам процесс анализа. И в других науках приняты те же концепции. Например, тема для обсуждения на настоящей конференции «Развитие химии и химической технологии в системе научно-технического знания: традиции и новые тенденции», предполагает взгляд, фокусирующий внимание на собственно процесс, в частности, химической деградации химических загрязнителей среды обитания, их миграции, включая пищевые цепи, глобальные процессы в биосфере (ноосфере).

К ним относится и трансграничный перенос загрязнителей через воздушную среду, поверхностные воды рек, колебания размеров озоновой дыры и так далее - и все с позиций обсуждения, учитывающего участие конкретных химических компонентов, которые необходимо идентифицировать во времени и пространстве.

В итоге мы получим часть химической картины мира, которая находится в постоянной динамике, оценка состояния которого требует по существу тотального контроля, причем порой в режиме реального времени. Столь же актуален вопрос дифференциации химического знания во времени для быстропротекающих промышленных процессов, то, что обобщенно называется on line - анализом.

Еще одна интересная дефиниция аналитической химии в контексте заявленной темы, которую дал в свое время Л.Н. Москвин (1990). Он считает, что целью аналитической химии является познание закономерностей проявления характеристических свойств веществ, являющихся отражением их химического состава [2]. Причем под химическим составом следует понимать совокупность индивидуальных веществ, каждое из которых или вся совокупность обладают своими характеристическими свойствами. Здесь речь идет о тех свойствах, присущих определенным веществам (компонентам) и объекту анализа.

Напомним, что в прикладном плане аналитическая химия дает ответ на вопрос о том, каков состав вещества, то есть предмета анализа.

При переходе от предмета к объекту анализа и следующему более сложному уровню получаемой информации появляется возможность решать задачи диагностики (материалов, например), а когда речь идет об организме человека - ставить диагноз. Действительно, получаемая информация об объекте анализа, то есть организме человека в данном случае, позволяет ответить на вопрос, каковы закономерности проявления его характеристических свойств в зависимости от состава.

Более полная информация об объекте анализа позволяет ставить диагноз, давать прогноз о протекании болезни, предложить меры профилактики. Цель исследования при этом остается неизменной и, как говорят, инвариантной. Вариантными остаются предмет, методы и способы анализа.

При подготовке и завершении работы над коллективной монографией «Химический анализ в медицинской диагностике» [3] это положение было основным, то есть химический анализ рассматривался как один из составляющих комплексного подхода в медицинской диагностике.

Наконец, обратимся еще к одной дефиниции науки аналитическая химия, которую дал П. Марке (1987) [1]. Ее рассматривают как науку о получении и интерпретации сигналов, содержащих информацию о составе и структуре материалов. В этой дефиниции содержатся ограничения, однако она не противоречит необходимости учета времени и пространства.

Во многих естественных науках, в которых аналитическая химия выполняет функцию получения необходимой информации, рассматривают так называемую триаду проблема - объект анализа - метод анализа.

Конкретная частная методика анализа в этой триаде обсуждается в рамках ее приспособления и адаптации к объекту (предмету), выбор которого отражает интересы социума, сформулированного в проблеме (задаче).

Последняя часто определяется пространством и временем.

Не всегда требуется информация о содержании отдельных компонентов в сложном объекте, а вместо нее дается интегральная оценка, то есть общее содержание компонентов, определяющих потребительские свойства объекта.

С этим аспектом связана интересная тенденция «сращивания» аналитической химии и современных методов хемометрики, направленная на создание и характеристику некого интегрального «образа», как бы слепка с объекта анализа, без конкретизации его индивидуальных составляющих.

Ренессанс интегральных характеристик объясняется не только растущими возможностями соответствующих разделов знания, объективизировавших такие «слепки», но и с определенными принципиальными ограничениями восприятия человека.

Например, человек не может сформировать наглядное представление о пространственном объекте, размерность которого превышает 3 (с учетом времени - 4).

Отсюда попытки снижения размерности и использования обобщенных методов классификации для объектов, имеющих слишком много переменных (характеристик состава индивидуальных компонентов). Простейшим примером являются аддитивные модели, такие как выражение суммарного загрязнения в долях ПДК с их последующим сложением. Но нелинейные характеристики требуют более сложных подходов, реализация которых требует специального знания, помимо прочего, в виде определенных алгоритмов снижения размер-ности и классификации объекта.

Примером может служить метод главных компонент или кластерный анализ, служащие удобным способом контроля обобщенных характеристик подобных объектов. Другим побудительным мотивом создания классифицирующих моделей является поиск аналогий в функционировании искусственных и «естественных» классифицирующих систем.

Под последними понимаются органы чувств человека, которые формально соответ-ствуют системе функционирующих химических сенсоров (обонятельные, зрительные рецепторы и другие) и центру обработки данных (человеческий мозг) [4].

Возникшие в последнее время системы «электронный нос», «электронный язык», системы распознавания зрительных образов работают по сходному алгоритму, когда совокупность сигналов сенсоров интерпретируется по степени сходства с некими эталонами, хранящимися в памяти (человека, компьютера) и далее получают определенное качественное обозначение (принадлежность к классу) - «синий», «испорченный», «пахнет розой», «имеет вкус соевого соуса» и другие.

Такие образы, не имеющие отношения к задачам традиционной аналитической химии, поскольку формально не несут информации об индивидуальном веществе, тем не менее, активно применяются в таких областях, как парфюмерия, анализ пищевых продуктов, эколого-аналитический контроль.

Близкое значение имеет еще одна проблема развития современной аналитической химии, в которой вместо количественного анализа состава используется бинарный отклик «да» - «нет».

Примером такого подхода может служить определение факта наличия определенного компонента, когда «да» говорит о его присутствии (обычно в рамках, зависящих от чувствительности средства измерения), а «нет» - о его отсутствии (опять, относительно предела обнаружения метода). Такие «примитивные» задачи анализа имеют свою достаточно сложную методологию, определяющую как выбор ответа, особенно в пограничной области, так и применение полученного знания, особенно в контексте пространственно-временной дифференциации результата.

Примером может служить установление последовательности ДНК в расшифровке генома человека, которая была сведена к решению бинарных задач анализа отдельного нуклеотида, но из-за масштаба (необходимости расшифровки миллионов нуклеотидов, единственно возможным образом связанных между собой) потребовавшей создания абсолютно новых алгоритмов обработки данных. Впоследствии они получили развитие в новой области науки (биоинформатики).

Похожие подходы реализованы в решении задач нормирования показателей (ПДК в экологии, рекомендованные суточные нормы потребления элементов, витаминов и питательных веществ и другие).

Решение бинарных задач потребовалось также при развитии сверхчувствительных методов анализа, позволивших, в отличие от классического инструментария, определять присутствие в полном смысле слова считанных молекул вещества.

В результате любой сигнал приобретал дискретный характер, а каждая «ступенька» отвечала единственной молекуле, которая могла быть («да») или не быть («нет») в рассматриваемом образце. Такие проблемы достаточно характерны для областей наук, в настоящее время объединяемых термином «нанотехнологии».

В них вместо обычных континуальных величин (концентрация - время - пространство) приходят a priori дискретные переменные, определяемые масштабом молекулы (атома).

Помимо дискретности переменных, нанотехнологии требуют отказа от привычных методов статистики, оперирующих огромными выборками данных, в частности, априорного нормального распределения значений экспериментально измеряемых функций состава объекта.

Примером временного разрешения бинарных задач может служить также развитие экспресс-методов анализа, когда изменение состава объекта (например, в ходе химической реакции) сопоставимо со временем, необходимым для регистрации сигнала. В этом случае вводится понятие «постоянной прибора», своего рода неделимой единицы времени, в рамках которой делается вывод об изменении состава объекта.

Задачи интегрализации результатов измерения и развития бинарных подходов имеют общим то, что в них получаемая в результате химического анализа информация выходит за рамки возможностей прямого восприятия человеческого мозга, опирающегося на жизненный опыт.

Потребитель информации вместо наглядной картины получает либо огромный массив данных, либо условный продукт его обобщения («образ»), которые формально не соответствуют его представлению об объекте. Например, человек, пробующий вино, составляет впечатление о его аромате, вкусе, послевкусии, он может даже использовать специальные термины, такие как телесность. Но если он получит таблицы чисел, характеризующих содержание сахаров, органических кислот, этанола, либо гистограммы соответствия указан-ных величин неким эталонным значениям, он не сможет соотнести их со своими ощущениями, не пройдя определенного «обучения», принимаемого на веру и не имеющего опоры в индивидуальном чувственном опыте. Все это повышает значение не методов получения информации, а скорее ее обработки и интерпретации, которая все больше смещается от области экспертизы в область машинного анализа.

Уместно отметить, что существует подход, в котором выделяют область аналитической химии, основанной на активном применении компьютеров (СOBAC). В рамках него и происходит формирование обобщенной картины мира в соответствии с критериями, направленными на решение отдельных частных задач - оценки качества продукта питания, раннего оповещения о поступлении токсичного вещества, антропогенной катастрофе, дистанционной диагностике заболевания и так далее.

Эти же особенности находят отражение в специфических терминах, фиксирующих не столько задачу анализа, сколько его пространственно-временное разрешение: on line - в режиме реального времени по месту отбора пробы, at line - по месту отбора пробы, но вне реального времени, off line - вне зависимости от указанных параметров.

Те же принципы заложены и в биохимических терминах, все больше вторгающихся в химических анализ (in vivo, ex vivo, in vitro).

Альтернативной является система передачи информации от сенсоров - field conditions (мобильные лаборатории на автомашинах, включая решение задач МЧС), remote sensing control (системы автоматических измерительных устройств с радиосвязью), в медицине - лабораторный клинический анализ и point-of-care testing (носимые диагностические устройства или простейшие тесты для применения в быту).

Можно отметить уже из приведенного перечисления, что в ряде случаев отечественная наука еще не сформировала адекватный понятийный аппарат, что способствует проникновению прямых англицизмов в научную литературу. Для ее реализации разрабатываются соответствующие средства тестирования, в том числе и для домашних условий, а это, как всегда, анализ on site.

Наконец, отметим роль пространства и времени при создании и оценке тех систем, в которых «не работают» химические законы, например, сильно разбавленных растворов, со-держащих сверхмалые дозы биологически активных соединений. Имеется в виду уровень их концентраций порядка фемто - атто - зепто - ёкто (femto - atto - zeptо - yocto) молей вещества.

Проблема достаточно актуальна, особенно для недоказательной медицины. Получаемые путем последовательного разбавления растворы в итоге теряют линейные характеристики по составу по разным причинам, этот процесс описывается стохастически, а итоговая картина приобретает характер хаоса.

Результаты измерений параметров системы соответствуют этому хаосу: можно на графиках получить практически любые зависимости, отражающие неравномерное распре-деление вещества в объеме, то есть в пространстве.

Можно сожалеть, что проблема сверхмалых концентраций часто становится объектом спекуляций, в частности, с этим связаны проблемы «памяти воды» и гомеопатии, слишком часто обсуждаемые неподготовленным социумом. Однако проблема сверхмалых концентра-ций реально существует и еще ждет своего осмысления, в том числе, в концептуальном плане, связывающем ее с нанотехнологиями.

Литература

химический анализ медицинский диагностика

[1] Золотов Ю.А., Вершинин В.И. История и методология аналитической химии. М.: Издательский центр «Академия». 2007. 461с.

[2] Избранные труды кафедры аналитической химии Санкт-Петербургского государственного университета 1983-2008. Сборник статей. СПб.: «Соло». 2008. 378с.

[3] Химический анализ в медицинской диагностике. В серии «Проблемы аналитической химии», том 11, под ред. Г.К. Будникова. М.: «Наука». 2010. 502с.

[4] Химические сенсоры. В серии «Проблемы аналитической химии», том 14, под. ред. Ю.Г. Власова. М.: «Наука». 2011. 399с.

Размещено на Allbest.ru