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「学习」前沿分析化学摘记辅助资料(上)

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摘要
   分析化学作为化学传统且基础的分支学科,其发展一直受到高等院校化学相关专业师生,研究人员的关注。本人曾应邀从部分主流期刊简要摘录了近些年来利用先进化学分析技术、理论方法的应用案例[1]。本文是《前沿分析化学摘记》中提及的液体、固体和生物试样的分析研究案例的辅助信息。读者能了解到哪些是顶尖的仪器生产商与试剂提供商,了解这些科研支撑企业的大致排名。

关键词
分析化学、前沿、科研企业、排名

第一章 引言

   工欲善其事,必先利其器。化学研究中使用的仪器设备现已经远远超出了玻璃仪器的范围。以实验室常见且必备的天平为例,本科阶段使用的常量分析天平已不再是传统的双盘机械加码天平,而是上皿式单盘电子天平。上皿式单盘电子天平与双盘机械加码天平相比,使用简单便利,读数显示直接,称量效率高。另外,滴定分析现已可以通过自动化的方式完成,梅特勒-托利多开发的自动电位滴定仪能快速完成多个试样的滴定操作,无需观察滴定终点指示剂变化,更无需人工干预。所以了解当代分析仪器的产品与服务,也是了解本专业科技前沿与产业的发展现状,有助于明了高效的研究方法与工具,避免做无用功,是十分必要的。本文统计了《前沿分析化学摘记》第二章第一小节:最新研究与应用中摘录的5篇期刊论文原文中实验过程与方法文段里注明的研究人员使用的化学试剂、实验仪器与软件的生产厂商信息。本文研究统计的案例不多,颇有窥豹一斑之嫌。但是作为相当程度的随机抽样统计,本文提供的信息在一定置信度下具有代表性。

第二章 辅助资料I

2.1 研究与应用中的实验过程

2.1.1 饮用水中的消毒副产品DBPs的痕量分析研究[2]

   液-液萃取操作时,实验人员向试样中添加萃取剂后使用布雷尔腕动作模拟振动器将试样振摇15分钟后再将试液静置10分钟以便有机相分离。如此反复操作共计3次后,用自制的硫酸钠小管干燥萃液。然后实验人员浓缩萃液体积至200L以下,再使用250L汉密尔顿气密注射器添加萃取剂以增大浓缩液体积定为200L。

   为了分析对热不稳定的卤代乙酸与含碘卤代乙酸,一半浓缩液经历了重氮甲烷衍生化反应。实验人员使用西格马-奥德里奇开发的奥德里奇重氮甲烷生成器轻松的生成重氮甲烷。只需在仪器的内管加入大约0.367g的N-甲基-N-亚硝基对甲苯磺酰胺(别名DIAZALD)和1mL的2-(2-乙氧基乙氧基)乙醇(别名CARBITOLTM)冰浴,然后透过隔膜缓慢且小心的向内管逐滴加入KOH溶液,反应1小时后,外管中便生成了重氮甲烷。

   在固相萃取环节,实验人员借鉴了某些已发布文献中固相萃取过程中使用的萃取物与萃取工具,Oasis HLB 萃取盒。实验人员将萃取盒与连接着真空泵的手动萃取支管连接,小心操作以进行萃取,萃取完成后洗脱出100mL的试液。随后试液被浓缩至200μL。最后实验人员利用能监测选定离子的赛默飞四极质谱仪的多模入口在比较低的入射温度下分析对热不稳定的DBPs,并利用瑞思泰康定相气相色谱柱显著提升峰型。对于其他相对稳定的DBPs,研究团队使用的是一台安捷伦质谱仪与三种不同的瑞思泰康气相色谱柱。

   实验使用到的分析标准物定制或直接购买自五个不同的企业。

表1 饮用水中的消毒副产品DBPs的痕量分析

2.1.2 嫦娥五号月壤中子活化分析[3]

   实验团队使用了中国原子能科学研究院微型中子源反应堆进行短照中子活化分析, 使用中国原子能科学研究院泳池堆开展长照中子活化分析实验, 使用高纯锗探测器与一体化数字多道谱仪进行γ能谱测量, 最后使用原子能科学研究院兼容k0法和相对法的活化分析软件 ADVNAA进行了元素定量分析。活化分析实验室采用了元素标准溶液和高纯金属(或氧化物)溶解液滴定在无灰滤纸上作为单元素化学标准。

表2 嫦娥五号月壤中子活化分析

2.1.3 珊瑚钙化位点的碳酸化活体表征[4]

   所有实验都施行在珊瑚微群落中。珊瑚微群落是从萼形柱珊瑚群落取样衍生培养而来。被取样的萼形柱珊瑚群落由摩纳哥科学中心养护。

   构建与校准pH、CO32−与Ca2+液体离子交换微传感器时,实验人员在准备阶段将传感器原有的绿色玻璃管替换为玻璃毛细血管。毛细管经过 DMZ通用拉制仪拉拔,尖端管口直径变为1mm。pH电极经过3种可购买到的美国国家标准pH缓冲溶液校准,用以测量海水的pH,填充在微管尖后部。毛细管尖用H+、CO32-与Ca2+三种离子氛处理过。针对CO32-进行校准时,实验人员使用CO2SYS软件计算CO32-浓度。

   在微传感器测量过程中,实验人员将微传感器装载在电机驱动的微操纵台上并将其与定制的毫伏电计连接。放大后的输出信号由信号读取器导出到笔记本电脑以收集。实验人员通过Profix软件控制微操纵台并使用自制的适配器与双头夹固定两个微传感器以便同时测定两组数据。

   随后实验人员开始在萼形柱珊瑚微群落的生长边缘测定相关数据。在这一阶段的实验过程中,温度被控制在25°C。实验时通过将显微观测台连接到控温元件与控温海水灌注系统实现温控。

   荧光染料成像时,实验人员使用了SNARF-1。SNARF-1是一种荧光pH指示剂,它的发射光谱波长的变化与溶液pH相关。为了萼形柱珊瑚微群落的息肉中进行测定,实验人员将宏观镜连接到了摄像机系统和电脑屏幕, 以进行在线观测。为了研究在珊瑚的息肉中pH对光合作用的影响实验人员还使用了敌草隆.

表3 珊瑚钙化位点的碳酸化活体表征

2.1.4 用微针贴片检测人皮肤间隙液[5]

   实验人员使用曲拉通/NaOH法测试套件测定血液样品中的血红蛋白含量来确定试样中的血含量,随后通过Na+离子选择性电极确定钠离子浓度以确定试样中皮肤间隙液的含量。

   为了以高分辨率确定代谢物。实验人员首先使用具有双塔/极性液相色谱来分析体液。然后用亲水相互作用色谱仪器的正电喷雾模式分析试样来更好的捕捉极性与半极性代谢物, 最后用处于负离子模式的反相C18液相色谱来更好的捕捉脂肪酸与其他的非极性代谢物。其中双相色谱仪连接到了一台高分辨率傅里叶变换质谱仪。

   代谢物的质谱标准库与美国国家标准与技术研究所标准参考物1950(冰冻人类血浆代谢物)是实验人员确定体液代谢物成分的参考标准。

   血浆中咖啡因的浓度由商业化的酶联免疫吸附测定套件测定完成。血浆中葡萄糖浓度由一台葡萄糖分析仪确定。而收集到的皮肤间隙液试样的血糖成分由一套血糖化验组件完成。所有的统计分析均使用了GraphPad Prism 7软件。

表4 用微针贴片检测人皮肤间隙液

2.1.5 在护理点测定生物标志物[6]

   实验人员使用 Q125 超声裂解仪裂解细胞,制备细胞裂解物。细胞裂解物离心处理后,移去上清液并将上清液装入一个10-kDa 分子量截止透析盒中。实验中所有的化学试剂都购自西格玛-奥德里奇。而在所有包含人类血清的反应中,都添加了核糖核酸酶抑制剂并使使浓度维持在0.6 U/L。

   细胞外反应在容量为8 L 的共计384个孔洞的小体积板中进行。体外转录反应按生产商规定的方法使用T7 RNA聚合酶。用脱氧核糖核酸酶处理合成好的RNA来去除DNA引物,并同样按生产商规定用一套RNA清理浓缩设备来纯化RNA产物。

   人类血清购自Corning。Chelex树脂被用来去除血清中的锌。所有溶液的报告用分光光度计以一样式三份的形式呈现。所有的图片都是由处于光控模式的数码相机拍摄得到。实验人员还使用图像处理软件裁剪拼接图片以创造色彩阵列。此外图片统一用高明度滤镜处理以符合实际观感。

   实验中为了使用冷冻的样品,研究人员使用了速冻烧瓶来小心转移样品,随后将样品转移在冷冻干燥机中冷冻,样品在−50°C与0.05 mbar条件下保存。

表5 在护理点测定生物标志物

2.2.机构/企业区域与排名

   经过统计,将这5篇期刊论文中使用到的仪器与试剂的生产厂商所在国(总部)统计在了表6中。我们可以看出科研企业的地区性分布。就本次统计而言,显然美国科研企业的产品最为广泛使用。5次研究中共计使用了57次科研支撑企业生产的产品,而美国的企业就出现了41次,占比高达72%。美国企业出现次数比第二名的德国企业高出很多。出现次数都只有1次的日本、奥地利与加拿大企业的产品在实验中的都是可替代的。例如,在护理点测定生物标志物实验中,实验员用松下相机照相。显然有其他品牌的相机能满足实验需求。中国原子能科学研究院在此表现突出,自主生产了长照与短照中子活化分析设备,并相应地自主研发了活化分析软件ADVNAA。

表6 机构/企业所在地 & 图1 机构企业总部所在国

   美国的科研支撑企业在美国国内各州分布统计在表7中。可以发现在本次统计中马萨诸塞邦的企业虽然仅有5个,但其企业出现的次数是最多的。加利福尼亚州新型科研企业最多,但各个企业的产品在各项研究中仅被使用一次。根据表格我们可以推测,密苏里州的企业实力不凡。本次统计中,密苏里州仅有两家企业,而这两家企业共在5次研究中出现了8次之多。宾夕法尼亚邦、俄亥俄州与田纳西州分别为表格中的4~6名。其余5州表现平平,分别仅有一家企业,且仅出现一次。

   将表7中数据绘成热图,我们能注意到这些企业成聚集性分布。

表7 美国各州企业 & 图2 美国各州企业

   有一大批企业聚集在美国东部各州。前文提到的马萨诸塞邦、宾夕法尼亚州与俄亥俄州在这些州中最为强势。美国中部各州的同样也有强劲的科研支撑企业。在西部紧邻加利福尼亚州的俄勒冈州与内华达州也有科研支撑企业。
最后,主要机构/企业的排名如以下图表所示。

图3 & 表8 主要机构/企业

第三章 小结

   第二章最后的饼图详细展现了本次统计中主要科研支撑企业的构成。很显然赛默飞(Thermo Fisher)应是科研企业的巨头,这一结论也与C&EN于2018年发表的关于仪器公司的统计相吻合。另外,经统计分析,几乎可以断定西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich)是化学试剂的顶级提供商。因为5项研究中有3项研究的实验人员从西格玛-奥德里奇公司购买过试剂。

参考文献
[1]. 聂诗政.前沿分析化学摘记[OL].喔优秀.2021.https://ovay.co/2021/11/20/digest-of-frontier-analytical-chemistry/
[2]. Cuthbertson A A, Liberatore H K, Kimura S Y, Allen J M, Bensussan A V and Richardson S D. Trace Analysis of 61 Emerging Br‑, Cl‑, and I‑DBPs: New Methods to Achieve Part-Per-Trillion Quantification in Drinking Water[J]. Anal. Chem. 2020(92):3058−3068
[3].姚永刚,肖才锦,王平生,孙凯,鲍杰,焦学胜,郭冰,张永保,彭旦,张亚东,李春来,周琴,陈东风.嫦娥五号月壤中子活化分析研究[J/OL].同位素. 2021. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2566.TL.20211029.1132.002.html
[4]. Sevilgen D S, Venn A A, Hu M Y, Tambutté E, Dirk de Beer, Víctor Planas-Bielsa and Sylvie Tambutté. Full in vivo characterization of carbonate chemistry at the site of calcification in corals[J]. Sci. Adv., 2019, 5 (1), eaau7447.
[5]. Samant P P, Niedzwiecki M M, Raviele N, Tran V, Mena-Lapaix J, Walker D I,
Felner E I, Jones D P, Miller G W and Prausnitz M R. Sampling interstitial fluid from human skin using a microneedle patch[J]. Sci. Transl. Med., 2020, 12 (571), eaaw0285.
[6]. McNerney M P, Zhang Y, Steppe P, Silverman A D, Jewett M C and Styczynski M P. Point-of-care biomarker quantification enabled by sample-specific calibration[J]. Sci. Adv., 2019, 5 (9), eaax4473.

— Dec 10, 2021