Chemometrie je vědní disciplína zaměřená na využití matematických a statistických funkcí ke zpracování fyzikálně-chemických dat. Ačkoli byly podobné principy využívány k analýze dat již dříve, k prvnímu použití výrazu chemometrie a rozšíření jejího využití došlo až s nástupem počítačové techniky v 70. letech 20. století.
Jedním z hlavních cílů použití chemometrie je transformace informací, obsažených ve fyzikálně-chemických datech, na srozumitelný výstup či výsledek. Ten pak umožňuje provést popis a zhodnocení sledovaného systému. V závislosti na tom, co je třeba o sledovaném systému zjistit, dochází k volbě vhodných vstupních dat, optimální metody pro zpracování těchto dat a v neposlední řadě k volbě formy výstupních dat, čili výsledků. Rozhodnutí, zda je vhodné chemometrii pro analýzu dat využít, zpravidla souvisí s tím, co za data máme nebo můžeme mít k dispozici, jakou formu výsledků potřebujeme získat a jaký prostor a úsilí můžeme zpracování dat věnovat. V případech, kdy je možné sledovaný systém popsat známými fyzikálními či chemickými zákony, nemusí využití chemometrie přinést moc velkou přidanou hodnotu. Jelikož však fyzikální a chemické zákony nelze vždy aplikovat, může chemometrie i v této oblasti poskytnout důležité poznatky či odstranit nedostatky jednodušší formy zpracování dat. Časté uplatnění pak chemometrie nachází při zpracování vícerozměrných dat, tedy tam, kde je sledovaný systém popsán více (jednotky, desítky, stovky, tisíce, atd.) parametry a využití výše zmíněných zákonů by bylo značně komplikované. Jedním z možných rozdělení chemometrických metod, resp. obecně metod používaných ke zpracování dat, je na metody klasifikační (kvalifikační) a kvantifikační. Cílem klasifikačních metod může být například rozdělení analyzovaných vzorků do skupin podobného charakteru (např. benzín, petrolej, nafta) nebo třeba jen porovnání analyzovaných vzorků mezi sebou nebo s nějakým referenčním materiálem (např. sledování kvality při výrobě). Kvantifikační metody si pak zpravidla kladou za cíl stanovení číselné hodnoty jednoho či více parametrů.
Příkladů využití kvantifikačních chemometrických metod je možné najít nepřeberné množství, a to ať už ve výzkumných publikacích nebo standardizovaných analytických metodách. Data charakterizující sledovaný systém mohou mít mnoho podob. Jednou z nejpoužívanějších forem jsou data získaná pomocí infračervené spektroskopie (infračervená spektra). Jejich výhodou je totiž to, že obsahují kompletní nebo téměř kompletní informaci o chemickém složení analyzovaných vzorků. Jejich získání (změření) je navíc poměrně jednoduché, rychlé a levné. To pak umožňuje změřit a zpracovat data pro velké množství vzorků, což zpravidla vede k vytvoření přesnějších a robustnějších výpočetních modelů. Právě výpočetní modely jsou srdcem celého chemometrického zpracování dat. K jejich vytvoření dochází na základě zpracování dat pro sadu standardů, u nichž jsou známa jak vstupní tak výstupní data. Jak již bylo zmíněno, jako vstupní data je možné využít například infračervená spektra. Výstupními daty pak mohou být v podstatě jakékoli parametry daných vzorků. V případě automobilových paliv se může jednat například o oktanové číslo, cetanové číslo, hustotu, viskozitu, bod vzplanutí, obsah kyslíku, parametry destilační zkoušky atd. Kalibrace nebo vývoj výpočetního modelu pak probíhá tak, že dojde k vytvoření matematického vztahu mezi maticí vstupních dat a maticí výstupních dat. Takto je tedy možné vytvořit jeden nebo více modelů umožňujících stanovit parametry analyzovaných vzorků, např. na základě infračervených spekter, a to bez nutnosti dané parametry fyzicky měřit, což je zpravidla velmi nákladné, časově náročné a vyžaduje to velké množství vzorku. I přes to, že skutečné měření parametrů zůstává rozhodčí metodou pro jejich stanovení v případě potřeby zkontrolovat splnění předepsaných hodnot, může využití chemometrie poskytnout rychlý průzkum (screening) vzorků a případně odhalit vzorky nesplňující příslušné limity.
Na našem ústavu v současnosti probíhá několik projektů zaměřených na testování podmínek procesů určených pro výrobu alternativních motorových paliv. V rámci těchto projektů vzniká poměrně velké množství produktů, které jsou následně charakterizovány a vzájemně porovnávány. Součástí charakterizace vznikajících produktů je pak v mnoha případech i analýza pomocí infračervené spektroskopie a následné zpracování naměřených dat pomocí chemometrických metod. Příkladem může být porovnání produktů hydrogenačního zpracování pyrolyzního oleje (bio-oleje). Ukázka infračervených spekter bio-oleje a dvou produktů jeho hydrogenačního zpracování (Obr. 1) a výstupu z jedné z chemometrických metod (Obr. 2) je zobrazena na přiložených obrázcích. Zatímco jednotlivá infračervená spektra se skládají z několika set až tisíců bodů, díky zpracování dat pomocí metody zvané Analýza hlavních komponent je každé infračervené spektrum reprezentováno jedním bodem a je tak možné provést poměrně snadné porovnání jednotlivých produktů.
Kvantifikační chemometrické metody byly na našem ústavu využity například pro stanovení obsahu hydrogenovaného rostlinného oleje v motorové naftě nebo hydrogenovaných esterů a mastných kyselin v leteckém petroleji. Stanovení těchto alternativních paliv ve směsích s ropnými palivy (nafta, petrolej) je problematické, protože obě skupiny mají podobné složení a běžně dostupné analytické metody nejsou při stanovení schopné dosáhnout dostatečné přesnosti. Vyvinuté chemometrické modely byly opět vytvořeny s využitím infračervených spekter, která poskytla dostatečné množství informací k tomu, aby bylo při stanovení dosaženo dostatečné přesnosti.
Pojem chemometrie v sobě zahrnuje spoustu různých metod pro zpracování dat, přičemž volba vhodné metody vždy záleží na konkrétní situaci. V některých případech může být využití chemometrie dokonce jedinou možností, jak naměřená data využít.
Autorka je doktorskou studentkou Ústavu technologie ropy a alternativních paliv
