2012. július: jegyzet, portré, tudomány, innováció, biotechnológia, disszemináció, egyetem, paragrafus, atomenergia, zöldkörnyezet, hulladékgazdálkodás, vízgazdálkodás, építés, megújuló energia, it
2012. július 4.

Szerző:
Szegedi Imre

Sokváltozós elemzés sok, változó területen

Az idei év legnagyobb hazai, kémiai tematikájú konferenciáját rendezték meg június 25. és 29. között Budapesten. A Kemometria az analitikai kémiában (Chemometrics in Analytical Chemistry) címmel immár tizenharmadik alkalommal megszervezett tanácskozásra közel négyszáz résztvevő érkezett a világ minden tájáról. Az esemény kapcsán két hazai kutató – Rajkó Róbert, a Szegedi Tudomány­egyetem professzora és Pap Tamás, a Pannon Egyetem docense – segítségével mutatjuk be ezt a kevéssé ismert tudományterületet.


A kémiához és a számítástechnikához is kötődő új tudományág neve, a kemometria, a perzsa eredetű kémia és a görög metria (mérés) szavak összetételével jött létre. Az elnevezés eredete vitatott, az azonban bizonyosnak látszik, hogy Svante Wold (Umea Egyetem, Svédország), Bruce Kowalski (Washington Egyetem, Seattle, Egyesült Államok), Gerrit Kateman (Katolikus Egyetem, Nijmegen, Hollandia), illetve Desire Luc Massart (Vrije Egyetem, Brüsszel, Belgium) kutatók közül használta valaki először a kemometria kifejezést az 1970-es évek elején. A fogalmon eleinte az analitikai kémiai eredmények statisztikai módszerekkel történő értékelését értették, de hamarosan kiterjedt az elnevezés az analitikai műszerek számítógépes irányításának szoftveres fejlesztésére és a kapott jelek számítógépes feldolgozására is.

Az első Kemometria az analitikai kémiában című tanácskozást 1978-ban rendezték Hollandiában, majd négyévenként mindig más helyszínen. A dinamikusan fejlődő tudományág képviselői 2000-től már kétévenként találkoznak. Legutóbb, a belgiumi Antwerpenben tartott tanácskozáson szavazta meg a korábbi helyszínek képviseletében egy-egy szakember, hogy 2012-ben – a közép-európai országok közül elsőként – Magyarország adhat otthont e nagyszabású eseménynek. Az ELTE lágymányosi épületében megrendezett konferenciát a Magyar Kémikusok Egyesülete (MKE), a Magyar Tudományos Akadémia (MTA), a veszprémi Pannon Egyetem és az ELTE közösen szervezte. A júniusi kemometriai csúcstalálkozó témakörei a tudományterület legaktuálisabb kérdései köré szerveződtek. Így egyebek között szó esett a kemometria szerepéről az iparban, új algoritmusokról és szoftverfejlesztésekről, kemometriai alkalmazásokról a spektroszkópiában és a kromatográfiában, továbbá a validálással, azaz az ellenőrzéssel kapcsolatos irányzatokról is.

Pap Tamástól, a Pannon Egyetem docensétől tudjuk, hogy a több mint száz esztendeje működő Magyar Kémikusok Egyesületének egyik legfiatalabb szakcsoportja a Kemometria, amelyet 1981-es megalakulásakor még Automatikus Elemzésnek neveztek. A teljes képhez tartozik, hogy a Magyar Tudományos Akadémián öt évvel korábban, 1976-ban létrejött az Automatikus Elemzés Munkabizottság, amely jelenleg is működik MTA Automatikus Elemzés és Kemometriai Munkabizottság néven. A 2000-es évek elején újabb, kemometriával foglalkozó szervezet alakult, a Szegedi Akadémiai Bizottság Kemometria és Molekulamodellezés (KeMoMo) munkabizottsága Rajkó Róbert és Körtvélyesi Tamás vezetésével. Ez a három csoport fogja össze a tudományág többtucatnyi hazai képviselőjét.

Itthon nagyon hamar elkezdődött a kemometriai munka azt követően, hogy a nemzetközi tudományos életben megjelent ez a fogalom, mivel az elnevezéstől függetlenül hazánkban működtek már hasonló kutatásokat folytató egyetemi és kutatóintézeti csoportok. Megalakulásakor, 1981-ben az MKE szakcsoportja célul tűzte ki a legújabb kemometriai eredmények elterjesztését az iparban és a szolgáltatásban működő analitikai laboratóriumokban. A kezdeti években a legaktívabb résztvevők elsősorban a gyógyszeriparban tevékenykedtek, hiszen ők használták először a kemometria eredményeit. Sőt, aktívan közreműködtek a tudományág továbbfejlesztésében is. Pap Tamástól tudjuk, hogy az MTA és az MKE csoportjai szorosan együttműködve szervezték az évente megrendezett kemometriai konferenciákat. Eleinte a Balaton környékén (Csopak, Balatonfüred, Balatonvilágos) voltak ezek az események, majd a kétezres években már a helyi szakcsoportok tartottak saját székhelyükön: Szegeden, Pécsett, Miskolcon (Lillafüreden) ilyen találkozókat. Több esetben a Vegyészkonferencia keretében került sor az éves kemometriai találkozóra. A hazai konferenciák mellett nemzetközi találkozókat is szerveztek. A konferenciákon elhangzott eredmények rendszeresen megjelentek a hazai és nemzetközi tudományos folyóiratok különszámaként. A veszprémi szakember szerint a magyar kemometria kiválóságát ismerte el a nemzetközi szervezet azzal, hogy az idei konferenciát mi rendezhettük meg.

A kezdetektől eltelt negyven év alatt a kemometria is sokat fejlődött. Ezen a kifejezésen napjainkban a kémiai és analitikai kémiai információ minél teljesebb (optimális) kinyeréséhez szükséges matematikai statisztikai, lineáris algebrai, konvex geometriai, számítástechnikai és formál logikai módszerek és eljárások együttes használatát értik.
A Sokváltozós adatelemzés (kemometria) című tankönyv egyik szerzője, Horvai György szerint a kémiával, más természettudományokkal, mérnöki tudományokkal vagy közgazdaságtannal foglalkozó szakemberek mind gyakrabban találkoznak olyan problémákkal, amelyeket a sokváltozós adatelemzés módszerével kell megoldani. Ennek egyik oka, hogy a számítógépek korában egy-egy dologról, rendszerről rengeteg adat mérésére és regisztrálására van lehetőség. Ha ráadásul sok objektumról gyűjtünk adatokat összehasonlítás, elemzés céljából, akkor az ember számára már áttekinthetetlen adattömeget kapunk, melynek értelmezése, hasznosítása csak számítógépekkel lehetséges. Itt jönnek a képbe a kemometriai módszerek.

A vegyészek a sokváltozós adatelemzést főként olyan problémák vizsgálatára használják, amelyek a kémiai tananyagban nem szerepelnek, de szakmai munkájuk során a vegyészek jó része mégis találkozik velük. A gyakorlatban ugyanis sokszor szembesülünk olyan rendszerekkel, amelyekről megannyi adatunk van, de amelyeknek működését nem tudjuk szabatosan leírni. Ilyenek például a környezetvédelmi problémák, a bonyolult technológiák, számos biotechnológiai feladat (például szennyvíztisztítás, sajtgyártás). Az ilyen összetett feladatok általában nem oldhatók meg egy lépésben. Először meg kell próbálni összefüggéseket találni. Ebben a fázisban különösen jól jönnek a sokváltozós adatelemzési módszerek.

A kemometria sokváltozós módszerei főként a kémia és a vegyészmérnökség gyakorlati alkalmazásának segédeszközei. Ezért különösen azok számára hasznosak, akik bonyolult gyakorlati problémák megoldásával foglalkoznak. Ugyancsak szükség van ezekre a módszerekre az interdiszciplináris területeken, ahol sok még a bizonytalan, feltáratlan tényező a vizsgált jelenségekben. Mindinkább elterjed a kemometria módszereinek alkalmazása a bioinformatikában, a vállalatvezetésben, a gazdasági elemzésekben, a folyamatirányításban, nagy dokumentum- és adathalmazokban való hatékony keresésnél. A kémia egyes modern ágai, például a kombinatorikus módszerek, a hatás-szerkezet összefüggések vizsgálata, az NMR spektroszkópia is bőven kínálnak lehetőséget a kemometriai módszerek alkalmazására.

Rajkó Róbert, a Szegedi Tudományegyetem professzora szerint a kemometria nélkülözhetetlen a különböző anyagok mennyiségi és minőségi elemzésével foglalkozó analitikai kémia mérési eredményeinek elemzéséhez. Már csak azért is, mert az e területen használt mérőkészülékek nem specifikusak. Például a diódasoros detektor egy-egy mintáról egy-egy spektrumot regisztrál. Ezek a vizsgálatok nagyon gyorsan elvégezhetők, sok esetben nincs szükség minta-előkészítésre sem, és rengeteg adatot eredményeznek. Ezekből kemometriai módszerekkel határozzák meg a kémiai információt, vagyis azt, hogy mennyi és milyen anyag található a vizsgált mintában.
Rajkó Róbert elmondta azt is, hogy a kemometriai eljárások egyik alapmódszere a csoportosítás. A nem felügyelt eljárás (más néven fürtelemzés) a teljes mintából kiindulva, a megfigyelt változók értékei alapján a minta egyedeit próbálja viszonylag homogén csoportokba rendezni. Az úgynevezett hierarchikus fürtelemzés a csoportok közötti viszonyok feltérképezésére vállalkozik, míg a nem-hierarchikus eljárások eltekintenek ettől. A fürtelemzés elején tehát még nem rendelkezünk csoportokkal, az eljárás végére viszont csoportokhoz jutunk.

A felügyelt eljárás (más néven osztályo­zás) egy csoportosított minta egyedeire kiszámítja a különböző csoportokhoz való tartozás valószínűségeit, így az adott mintatérben megítélhető, hogy helyes eredményre ju­tott-e a csoportosítás. A diszkriminancia elemzés során megpróbálják a csoportokat a lehető legjobban elkülöníteni, és kiválasztani azokat a változókat, amelyek a csoportok különbözőségét határozottan magyarázzák. A szeparáló eljárások során elválasztják egymástól a minta osztályait, feltételezve, hogy az azonos osztályokban szereplő elemek közel, a különböző osztályokban szereplők pedig távol helyezkednek el egymástól.
A kemometriát különböző minták összetételének meghatározásához, az összetevők azonosításához, például különböző klinikai gyógyszeripari, környezetvédelmi mérésekhez, anyagvizsgálathoz is használják. A szegedi professzor szerint a spektrosz­kóp­­pal, vagyis a fény szétbontására szolgáló ké­­­­szülékkel vagy mondjuk a pH-mérővel gyűjtött adatok értékelését ugyancsak ke­mo­metriai módszerekkel végzik.
Felhasználóként szintén sokan alkalmazzák a kemometriai módszereket, de kevesen vannak, akik fejlesztenek is, akik alapkutatást végeznek. Ez utóbbi esetben általában szimulációkkal dolgozva arra keresik a választ, hogy a társadalomtudományi és matematikai módszereket hogyan lehetne felhasználni, illetve módosítani, továbbfejleszteni úgy, hogy segítségükkel kémiai mérési adatokat tudjanak értékelni. A kemometriai módszereket elemezve a kutatók új analitikai módszereket kísérleteznek ki. Ennek az ad értelmet, hogy egy új kemometriai módszer a régi adatokat újra értelmezheti, ezáltal új tudományos eredményt hozhat. „Hiszen értékelés nélkül nincs értéke az adatnak” – vallja Rajkó Róbert.

A fejlesztőmunka végső terméke általában egy szoftver, amelynek segítségével ki lehet bányászni az értékelő számára fontos adatokat. A kemometria legfontosabb fejlesztőhelyei az egyetemek és az MTA Kémiai Kutatóközpont. Egy-két magánvállalkozás is foglalkozik kemometriai szoftverek fejlesztésével, ezek azonban még nem tudták megvetni a lábukat a nemzetközi színtéren, döntően hazai megrendelésre dolgoznak.•

 
Innotéka