化學(xué)反應(yīng)工程

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化學(xué)研究與虛擬技術(shù)論文

化學(xué)研究與虛擬技術(shù)論文1、虛擬技術(shù)虛擬技術(shù)是使相關(guān)工作在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)或通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)的技術(shù)[1]，早在20世紀(jì)70年頭便開頭將其應(yīng)用于宇航員培訓(xùn)。由于這是一種消耗低、安好有效的培訓(xùn)方法，現(xiàn)今已被推廣到各行各業(yè)的培訓(xùn)中，并已在科研、教導(dǎo)、商業(yè)、醫(yī)療、生物制藥、環(huán)境養(yǎng)護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、消遣等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在此，只簡樸介紹它們在教導(dǎo)、生物制藥和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用狀況。

1.1教導(dǎo)領(lǐng)域隨著虛擬技術(shù)的進(jìn)展和教學(xué)要求的不斷提高，虛擬技術(shù)已進(jìn)入教導(dǎo)領(lǐng)域，并且已成為完成教導(dǎo)工作的一種有效方式。

例如利用化學(xué)教導(dǎo)軟件，表示化學(xué)測驗(yàn)的流程和結(jié)果。學(xué)生可以通過使用該軟件，了解和掌管整個(gè)測驗(yàn)過程，然后再進(jìn)行實(shí)踐操作。這樣，既可以裁減測驗(yàn)的危害性，又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，裁減不必要的濫用。再如利用物理教學(xué)軟件，開展“歐姆定律”的講解，其效果生動，且學(xué)生便于理解。

1.2生物制藥領(lǐng)域虛擬技術(shù)在生物制藥方面的應(yīng)用主要是在藥物的設(shè)計(jì)階段：采用相關(guān)的分子設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)藥物小分子，模擬小分子與受體的相互作用，預(yù)料小分子的生物活性、毒性、排泄、吸收、代謝途徑、代謝物及其各類性質(zhì)。目前，這種藥物設(shè)計(jì)模式已被國際專業(yè)制藥公司在研發(fā)新藥時(shí)采用，并與測驗(yàn)相結(jié)合，以達(dá)成裁減研發(fā)消耗，提高研發(fā)告成率的目標(biāo)。

1.3醫(yī)療領(lǐng)域虛擬技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)模擬、醫(yī)學(xué)影像檢查和臨床診斷。已經(jīng)報(bào)道的“上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院骨科專家告成完成真正意義上的3D打印骨盆重建手術(shù)”，是虛擬技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域告成應(yīng)用的又一案例。

2、化學(xué)信息學(xué)化學(xué)信息學(xué)的研究領(lǐng)域并未經(jīng)過刻意界定，好多化學(xué)家在各自不同的研究領(lǐng)域中力爭進(jìn)展和采用計(jì)算機(jī)的方法來處理大量涌現(xiàn)的化學(xué)信息，建立化合物的布局與性質(zhì)的關(guān)系。

在20世紀(jì)60年頭，化學(xué)信息學(xué)的進(jìn)展已初見端倪，到了70年代開頭展現(xiàn)了颶風(fēng)式的進(jìn)展。因此，相關(guān)的化學(xué)信息學(xué)的定義有多種。

對比典型的有以下一些論述。

（1）采用分子模擬和數(shù)據(jù)分析技術(shù)與高辨識圖形顯示組合，得到了令人驚疑的結(jié)果。因此，化學(xué)信息學(xué)是通過應(yīng)用信息技術(shù)扶助化學(xué)家研究新問題、組織并分析科學(xué)數(shù)據(jù)，以研發(fā)新化合物、新材料的過程。

（2）好多人認(rèn)為化學(xué)信息學(xué)是化學(xué)信息的擴(kuò)展，它涵蓋了與化學(xué)布局、數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算方法相關(guān)的領(lǐng)域，如化合物登記系統(tǒng)、在線化學(xué)文獻(xiàn)、布局-活性關(guān)系分析和分子性質(zhì)計(jì)算[3]?；瘜W(xué)信息學(xué)作為一個(gè)學(xué)科名稱來說是很新的，但我們可以體會到，它存在于我們周邊已經(jīng)有了一段時(shí)間。

不同的階段常會給出不同的化學(xué)信息學(xué)的定義。

所以，在議論這些不同觀點(diǎn)的時(shí)候，我們認(rèn)為“化學(xué)信息學(xué)是一門應(yīng)用信息學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)來輔佐解決化學(xué)問題的學(xué)科”[4]這個(gè)論述更具有普適性。

化學(xué)信息學(xué)方法主要有三種，即基于數(shù)據(jù)、基于規(guī)律和基于原理。

（1）基于數(shù)據(jù)的方法建立和利用多種化學(xué)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和化學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。該方法主要的作用是在數(shù)據(jù)庫中獲得已記錄的相關(guān)信息。

（2）基于規(guī)律的方法利用已有的化學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并在此根基上，利用歸納、推理和分類等方法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為學(xué)識，并對學(xué)識實(shí)施有效的管理，以便于學(xué)識得到廣泛的應(yīng)用。最終，能用于解決實(shí)際的化學(xué)問題。該方法適用于大量數(shù)據(jù)的處理，對象具有對比強(qiáng)的規(guī)律性。同時(shí)，它能解決數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不能解決的問題。

（3）基于原理的方法利用已有的量子化學(xué)的理論，對化學(xué)對象作相關(guān)的量化計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，研究對應(yīng)的化學(xué)問題。該方法能從原理上解釋化學(xué)問題，但不適用于大批數(shù)據(jù)和大的體系的處理。在化學(xué)研究中，這三種方法相輔相成。對于不同的研究對象或不同的研究階段，采用對應(yīng)的方法組合。

3、化學(xué)研究化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、布局、性質(zhì)和變化規(guī)律的科學(xué)。

有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的來源、制備、布局、性質(zhì)、用途和有關(guān)理論的一門學(xué)科，由于有機(jī)化合物都含有碳，同時(shí)以碳、氫化合物為母體，因此這門學(xué)科又可稱為“碳化合物的化學(xué)”或“碳?xì)浠衔锛捌溲苌锏幕瘜W(xué)”，隨著這門學(xué)科的進(jìn)展，誕生出了高分子化學(xué)、元素有機(jī)化學(xué)等新學(xué)科，為合成染料、橡膠、纖維、藥物、塑料等有機(jī)化學(xué)工業(yè)建立了理論根基?；瘜W(xué)的研究內(nèi)容主要可歸納為三片面：分子設(shè)計(jì)、合成設(shè)計(jì)和布局確定。利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)具有特定功能的化合物即為分子設(shè)計(jì)[5]；

利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)特定化合物的合成路線即是合成設(shè)計(jì)；

布局確定包括兩片面：布局解析和譜圖模擬。布局解析是根據(jù)已有的化學(xué)譜圖，揣測對應(yīng)的化學(xué)布局。譜圖模擬是基于化合物的化學(xué)布局，預(yù)料其化學(xué)譜圖?；瘜W(xué)是重要的根基科學(xué)之一，它也是一門建立在測驗(yàn)根基上的科學(xué)。在化學(xué)研究中測驗(yàn)和理論這兩方面一向是相互憑借、彼此促進(jìn)的?；瘜W(xué)是一門古老而歷史悠久的科學(xué)，它的研究模式為靈感、閱歷和測驗(yàn)（見圖1）。長期測驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，為現(xiàn)在和今后的化學(xué)研究供給了名貴的資產(chǎn)。截至2022年12月，已有記載的小分子化合物達(dá)7600多萬個(gè)，化學(xué)回響約5580萬個(gè)。要有效應(yīng)用如此大量的研究和測驗(yàn)數(shù)據(jù)，只有采用信息技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。在此，我們提出了化學(xué)研究的現(xiàn)代模式，即在化學(xué)研究的傳統(tǒng)模式中融入虛擬技術(shù)（見圖2）。分子設(shè)計(jì)是化學(xué)研究的內(nèi)容之一。傳統(tǒng)模式的分子設(shè)計(jì)流程如圖3所示，某種化合物的性質(zhì)，通常是在得到化合物之后，經(jīng)過測驗(yàn)測試才可獲得對應(yīng)的性質(zhì)?，F(xiàn)代模式的分子設(shè)計(jì)流程如圖4所示，化合物的性質(zhì)，可以用相關(guān)軟件預(yù)測獲得。根據(jù)獲得的預(yù)料結(jié)果和閱歷，抉擇是否要合成該化合物。圖3和圖4中的分子設(shè)計(jì)流程顯示，兩者的差異主要在合成之前。傳統(tǒng)模式在合成之前的分析工作僅以文獻(xiàn)信息作為判斷依據(jù)。而現(xiàn)代模式，既以文獻(xiàn)信息作為判斷依據(jù)，又以軟件預(yù)料結(jié)果作為分析判斷依據(jù)。從原理上講，采用現(xiàn)代模式合成的化合物，其符合需求的告成率要高于傳統(tǒng)模式，研究過程中產(chǎn)生污染的幾率要比傳統(tǒng)模式的低。

4、結(jié)論本文簡樸介紹了虛擬技術(shù)和化學(xué)信息學(xué)概念、內(nèi)容及兩者的關(guān)系，化