导读:在新冠疫情肆虐的过去三年时间里,即使是看似已进入“科技高原”(Technological plateau)的化学分析测试技术也依然在人工智能、储能材料、饮水新规等新兴技术/需求的推动下向前发展。 

作者

劳拉·弗伦奇

不久前,在费城Pittcon 2023上展示的最新技术反映了自COVID-19大流行前举行的最后一次面对面会议以来,分析化学及光谱界在过去三年里经历的变化和进展。

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美国·费城的宾夕法尼亚会议中心举办的Pittcon 2023,图源网络

在此期间,实验室领域的创新者们不仅设法使实验室的工作变得更快、更简单、更准确,而且还对不断增长的市场和监管需求做出了回应,并利用最先进的技术开发解决方案以应对持续的挑战。

以下是我们在今年Pittcon上发现的三大趋势,突出了关键的分析化学应用,以及可能塑造“未来实验室”的技术。 

01 人工智能(AI)正在成为实验室数字化的新常态

今年Pittcon大会最热门的趋势之一是AI在数字化实验室系统中的应用,包括实验室信息管理系统(LIMS)、分析软件和车载仪器编程等。AI和机器学习正在以各种方式在实验室环境中发挥辅助作用,从LIMS数据分析到化合物鉴别,再到仪器监控和自动化等等。

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实验室信息学软件的全球领导者,LabWare宣布,它将在“基础层面”把数据科学和机器学习整合到其软件的“结构”中。在此之前,LabWare于去年收购了CompassRed,后者是一家专注于机器学习和预测分析的公司。

这些变化有望帮助客户释放其LIMS数据的全部潜力,例如,通过改进关键绩效指标(KPI)仪表盘,可以帮助实验室识别趋势和瓶颈,预测结果和优化工作流程。


Labware高级分析总监 Patrick Callahan表示:

“在当今时代,我们不仅需要获取数据,还需要理解数据,并将其应用到科学家和实验室经理的任务中,而且不需要将他们带出正常的工作流程。”

“这就是LabWare分析的用武之地,帮助我们的客户探索和利用他们获得的数据。当我们转向新的自动化方法和开发方法时,这将是至关重要的。”

另一个令人兴奋的人工智能应用来自日本电子公司,该公司推出了针对JEOL JMS-T2000GC AccuTOF GC-Alpha系统(GC-TOFMS)设计的msFineAnalysis AI软件。

该软件旨在通过两种AI工具,帮助消除气相色谱-质谱(GC-MS)分析中的质谱“未知物”,从而实现对化学结构的自动及扩展搜索。

其中一个组件使用AI来预测PubChem数据库中1亿个分子结构的电子轰击电离(EI)质谱图,而另一个组件则预测常见碎片结构的存在与否。其结果是有可能识别出目前在用的GC-MS数据库中没有的数百万种化合物。

日本电子报告称,该软件对一个样品成分进行结构分析平均需要4秒,而具有数十年质谱分析经验的熟练分析人员手动执行相同任务平均需要30分钟。


日本电子应用科学家、DART技术的发明人 Chip Cody表示:

“自20世纪60年代以来,计算机辅助从质谱图中确定化学结构和从化学结构中反向预测EI质谱图一直是一个奋斗目标。”

“这一目标最终通过日本电子开发的msFineAnalysis AI实现了。”

 仪器制造商也在使用AI来推动实验室自动化和简化维护工作;例如,HTA srl公司的新型人工智能2000H系列顶空自动进样器具有连续、自动化的工作流优化和自我诊断测试功能,支持预测性维护策略。

此外,2000H的用户可以利用其AI功能来感受精简的技术支持体验;当检测到问题时,仪器将生成一个二维码,这既可以将用户与仪器公司的支持代表联系起来,又可以自动为支持代表提供仪器的相关数据,帮助他们快速诊断和解决问题。

02 新对高质量电池的需求不断增长,推动了测试材料的创新

替代能源为应对气候变化、减少碳排放、甚至降低能源成本提供了一条途径。可充电、高容量的储能材料,如锂离子电池,在支持这些目标方面发挥着关键作用,近年来,人们对这些材料的兴趣大增。

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例如,根据国际能源署的数据,2020年至2021年期间,电动汽车的销量几乎翻了一番。与此同时,储能技术也在不断改进,电池能量密度从2011年的约100-150瓦时/千克上升到10年后的300瓦时/千克以上。

对高质量电池的快速增长的需求推动了许多技术的进步,这一趋势在今年的Pittcon上也得到了体现。

日本电子在今年的会议上以“能源科学”为主题,重点介绍了用于研究电池性能的显微镜和核磁共振(NMR)解决方案。其中包括日本电子(美国)的ECZ Luminous系列核磁共振波谱仪,该产品具有一个多频驱动系统(MFDS),使分析人员能够在同一实验中,在单个射频(RF)通道上进行不同原子核上的多个脉冲序列照射。

NMR可以直接观察锂离子动力学,也可以用于分析锂离子电池中的降解产物。

日本电子还展示了最近推出的JIB-PS500i,这是一种聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)解决方案,可以制备厚度小于30 nm的样品薄片,用于原子分辨率扫描透射电子显微(STEM)成像。

JIB-PS500i还支持在同一仪器中对样品表面进行能量色散x射线光谱(EDS)分析,并具有一个双倾斜样品支架——TEM- linkage,用于直接将样品从FIB无缝转移到TEM。

FIB-SEM支持一系列材料的结构和缺陷分析,包括电池、半导体材料和量子材料。

电池分析领域另一个新的解决方案来自沃特世公司的TA仪器部门:电池循环微热量计解决方案,它将TAM IV等温微热量计和TAM辅助软件平台与BioLogic VSP-300恒电位仪相结合,形成了一个集成的、端到端电池分析系统,可以通过一个接口进行无缝控制。

该解决方案可提供电池循环实验的快速结果,包括固体-电解质界面(SEI)形成反应、寄生热反应、自放电速率等的测量。

用户可以使用该电池循环微热量计解决方案测试纽扣电池,软包电池和18650圆柱型电池,支持同时测试多达12枚纽扣电池。


沃特世公司TA仪器部门高级副总裁 Jianqing Bennett表示:

“像我们应用于工况动态条件下测试的电池循环微量热计解决方案这样的创新,对于电池研发的未来是革命性的,”

“它大大减少了高达75%的测试时间,同时帮助研究人员了解更多关于电池及其材料在热和电化学条件下的行为和变化。它为科学家提供的精确数据对于确保电池性能和安全至关重要。”

在展厅之外,一些技术会议也涉及到储能材料的制备和表征技术。例如,堀场科学的Sergey Mamedov提出了一种方法,利用拉曼光谱来表征充电/放电循环期间锰、钴和镍阴极的结构变化。

03 新的环境法规将全氟和多氟烷基物质(PFAS)测试置于聚光灯下

自20世纪40年代以来,全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS),也被称为“永久性化学品”,已被用于各种家庭和工业产品中,但它们对健康和环境的影响直到最近几十年才得到广泛认识。

美国环境保护署(EPA)于2002年开始根据《有毒物质控制法》对PFAS进行监管,2009年EPA发布了首个PFAS测试方法。

在不到15年的时间里,这类曾经鲜为人知、很少被研究的化合物已经成为政府监管机构和环境测试领域分析人士的主要关注对象。



译者注:2021年1月,清华大学环境学院的一篇发表在《Environmental Sciences Europe》期刊上的研究文章显示,中国多个城市和地区的饮用水中都含有较高水平的PFAS。


相关文献

Liu, L., Qu, Y., Huang, J. et al. Per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs) in Chinese drinking water: risk assessment and geographical distribution. Environ Sci Eur 33, 6 (2021). 


EPA最近的一系列新举措,如在2021年宣布对饮用水中的29种PFAS实施第五项不受管制的污染物监测规则,以及在2021年和2022年公布PFAS测试的新方法草案,再加上过去几年通过的几项州立限制性法案,这些使PFAS分析在今年的Pittcon上进一步受到关注。

Phenomenex在其展台上重点介绍了该公司PFAS萃取和分析工具包,包括Strata系列固相萃取(SPE)管,适用于EPA方法533和537.1的有证标准物质,和高效液相色谱(HPLC)分析柱,包括Gemini和Kinetex C18 HPLC柱,以及用于超高性能(UHPLC)分析的Luna Omega PS C18柱。

Phenomenex不仅为饮用水分析提供解决方案,还为沉积物、土壤、食物和生物群落中的PFAS提取和测试提供解决方案。

PromoChrom Technologies也在展会现场展示了8通道固相萃取系统SPE-03,以演示全自动仪器是如何高效地支持多种PFAS方法,包括EPA方法533/537.1、EPA方法1633草案和ISO 21675。

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spe-03 八通道固相萃取仪,图源网络

一个SPE-03系统能够并行处理8个样品,由于其萃取一批样品的时间正好和LC-MS/MS的分析时间吻合(也就是没有空置的等待时间),该系统每天可以分析20个现场样品。

PFAS分析也是整个会议日程中9个墙报和近24个口头报告的重点。演讲主题包括对新分析技术的研究,对不同基体样品的测试,以及改善已批准测试方法性能的策略。

纽约州立大学阿尔巴尼分校研究助理Luis Perez-Almodovar在其题为“拉曼光谱对鱼血中PFAS污染的环境法医学分析”的墙报中,描述了如何将快速,便携和廉价的仪器与化学计量分析结合,以准确分辨受污染湖泊中鲈鱼血液中PFAS浓度的高低。

岛津科学仪器公司的Ruth marfill - vega在口头报告中介绍了通过优化质谱接口温度和质谱探针位置等参数,以实现EPA方法533和537.1最高灵敏度的策略。

Restek公司的Mike Chang也在“环境分析物趋势”的系列口头报告中介绍了基于LC-MS/MS的超短链和短链PFAS分析的单柱解决方案。

2023年3月14日,就在会议召开的几天前,美国EPA宣布了拟议中的《国家初级饮用水法规》,作为强制性要求,该法规将污染物全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)存在的最高水平限定为4 ppt(ng/L)。


译者注:

我国最新版《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2022)中,也将PFOA、 PFOS列入监控项目,并规定了二者的限量分别为0.08 µg/L和0.04 µg/L。

据悉,与上述国标配套的《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750-2023)中也首次发布了PFOA和PFOS的国标测定方法。


联邦政府对饮用水中PFAS含量的首次限制可能会在2023年底出台,预计在2024年Pittcon期间,PFAS分析仍将是一个热门话题。


说明:本文译自CompareNetworks公司(总部位于美国加州南旧金山市)旗下的实验室信息平台,文中观点仅供读者参考,不代表本号立场。