王 選,肖 磊,吳倩文,李春露,陳月圓,崔志芳,
(1.山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,山東 青島 266590;2.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物所,廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點實驗室,廣西 桂林 541006)
近年來,隨著環(huán)境保護相關(guān)法律法規(guī)的日益嚴(yán)格和綠色化學(xué)的蓬勃發(fā)展,綠色溶劑的開發(fā)與應(yīng)用成為了眾多領(lǐng)域的研究熱點。低共熔溶劑(Deep Eutectic Solvent,DES)是一類環(huán)境友好的新型綠色溶劑,最早出現(xiàn)于2003年,由英國萊斯特大學(xué)Abbott教授[1]所提出,具有低熔點、綠色無毒、制備簡單、價格低廉、可生物降解的特性,同時兼具離子液體所具有的低揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性、可設(shè)計性、良好的可溶解性等特點。自此,DES憑借其優(yōu)于常規(guī)離子液體的特有性能,成為了全世界綠色化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點,且在多個交叉前沿領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
本研究采用“五計學(xué)”[2]中的文獻計量學(xué)方法,對低共熔溶劑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進行了可視化分析,并對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行對比,以期為本領(lǐng)域的后續(xù)研究提供參考。
國內(nèi)外文獻數(shù)據(jù)均來自于Web of Science(WOS)核心數(shù)據(jù)集,以“低共熔溶劑”“deep eutectic solvent”為主題詞進行專業(yè)檢索,檢索式為TS=(deep eutectic solvents)or TS=(低共熔溶劑)。并且,設(shè)置文獻類型為Article或Review,檢索年限為2004—2020年。反復(fù)檢索并去重后,得到1834篇國內(nèi)文獻和3887篇國外文獻。
CiteSpace[3]是一款基于Java平臺的知識可視化軟件,由陳超美教授(德雷賽爾大學(xué)計算與信息學(xué)院,美國)等開發(fā),也稱為“科學(xué)知識圖譜”[4]。
CiteSpace以其核心功能和理論功能為基礎(chǔ),要使這些功能得以實現(xiàn)并達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn),必須通過完整的CiteSpace應(yīng)用流程來保證[5]。本論文選擇尋徑算法,對DES研究文獻進行計量,以分析本領(lǐng)域研究主題的演變歷程和發(fā)展前景,主要分析指標(biāo)有中介中心性[6]、關(guān)鍵詞[7]、關(guān)鍵詞聚類分析及突現(xiàn)度[8]等。文獻分析流程主要包括:數(shù)據(jù)源篩選、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、參數(shù)調(diào)整、可視化分析等內(nèi)容。
根據(jù)文獻搜索結(jié)果,繪制國內(nèi)外年度發(fā)文量對比圖,以更為直觀地比較國內(nèi)外發(fā)文趨勢,如圖1所示。21世紀(jì)以來,各國秉承環(huán)境保護理念,大力支持發(fā)展綠色化學(xué),DES作為一種綠色環(huán)保的新型溶劑,其研究熱度逐年上升。國外自2004年開始,有DES研究的相關(guān)報道,但發(fā)文量增長緩慢,僅1~2篇/年,直至2010年發(fā)文量均低于10篇/年,之后年均發(fā)文量迅速增長。而國內(nèi)該領(lǐng)域的報道則相對滯后,始于2010年,之后逐年增長但增速低于國外。2020年,國外發(fā)文量達(dá)922篇/年,約為國內(nèi)發(fā)文量的2倍。2018—2020年,國內(nèi)外發(fā)文量均增長速度迅猛。值得注意的是,2018—2019年國內(nèi)外發(fā)文量增速基本一致。說明在綠色化學(xué)的政策導(dǎo)向下,隨著國內(nèi)對DES相關(guān)領(lǐng)域支持力度的加大,國內(nèi)學(xué)者對該研究熱點的把握方面基本能夠緊跟國外研究者步伐。
圖1 國內(nèi)外年度發(fā)文量對比圖
為更便于比較各國在該領(lǐng)域的研究概況,通過CiteSpace對此國家間交流合作關(guān)系進行了可視化分析。在軟件參數(shù)設(shè)置上,Node Types中選擇“Country”,時區(qū)分割(Time Slicing)為2004—2020年,時間切片設(shè)置為1年,得到國家/地區(qū)合作分布圖譜。如圖2所示。
圖2 DES領(lǐng)域國家/地區(qū)合作圖譜
從國家分布角度來分析,美國、西班牙、意大利、中國、德國在中心性方面位居前五,此外,法國、伊朗和英國也達(dá)到高中心度標(biāo)準(zhǔn),說明這三個國家在DES研究領(lǐng)域中也發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。其中,中國、美國和西班牙的發(fā)文數(shù)量位居前三,說明這三個國家在該領(lǐng)域的研究中起主導(dǎo)作用。中國發(fā)表文獻數(shù)量為1834篇,位居第一,中心性為0.18,與德國并列第四。
CiteSpace默認(rèn)可視化方式是聚類視圖(cluster),它側(cè)重于體現(xiàn)聚類間的結(jié)構(gòu)特征,突出關(guān)鍵節(jié)點及重要連接,依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和聚類清晰度,提供了模塊值(Q值)和平均輪廓值(S值)兩個評價指標(biāo)。一般而言,Q值取值范圍為[0,1),Q>0.3就意味著劃分出來的社團結(jié)構(gòu)是顯著的。當(dāng)S值在大于0.5時,認(rèn)為聚類結(jié)果是合理的,當(dāng)S值達(dá)到0.7時,聚類結(jié)果是高效率的、令人信服的。
聚類圖譜如圖3、圖4所示。由圖3、圖4得知。國內(nèi)圖譜的Q、S值分別為0.48和0.7235>0.3;國外圖譜的Q和S值則分別為0.446和0.7594。因此,國內(nèi)外DES研究熱點聚類圖譜,均社團結(jié)構(gòu)顯著,并且聚類結(jié)果高效可信。
圖3 國內(nèi)DES研究熱點聚類分析圖
圖4 國外DES研究熱點聚類分析圖
在0#聚類中,國內(nèi)以電沉積、反應(yīng)現(xiàn)象、成核現(xiàn)象為中心,主要對低共熔溶劑、析氫反應(yīng)、銅鎳合金、混合液流電池、選擇性浸出進行了深入剖析;國外則圍繞密度、黏度、超額摩爾體積,在此基礎(chǔ)上進一步探索了氯化膽堿、密度、水溶液、擴散系數(shù)。
在1#聚類中,國內(nèi)的研究以電沉積、反應(yīng)現(xiàn)象、成核現(xiàn)象為中心,對酶水解、纖維素結(jié)構(gòu)、生物質(zhì)提煉進行了進一步研究;國外以電沉積、納米顆粒、成核現(xiàn)象為中心,并進一步研究了氯化膽堿、乳酸、碳納米管。
在2#聚類中,國內(nèi)研究熱點主要圍繞響應(yīng)面法、酚類化合物、黃酮類化合物,對天然低共熔溶劑、綠色化學(xué)、活化機理、溶劑萃取、殼聚糖展開深入研究;國外以綠色化學(xué)、衍生物、一鍋法合成技術(shù)主題為中心,主要對綠色化學(xué)、多組分反應(yīng)、催化劑載體、石墨氮化碳、黏度進行了深入研究。
在3#聚類中,國內(nèi)主要研究了離子液體、金屬有機框架材料、低共熔溶劑,在此基礎(chǔ)上對低共熔溶劑、熱力學(xué)分析、選擇性氣體、理論計算進一步探索;國外的研究以噻吩、液-液平衡法、液-液萃取法為熱點,并深入剖析了離子液體、毒性、生物降解、模擬計算、密度。
在4#聚類中,國內(nèi)圍繞溶解度、吸收率、高效率,主要對離子液體、泛函計算、協(xié)同吸收模式、液-液平衡、高效分離進行深入研究;國外的研究熱點主要有木質(zhì)素、預(yù)處理、去除木質(zhì)素,同時對氯化膽堿、纖維素降解率、雙相溶劑系統(tǒng)、生物質(zhì)提煉進一步分析研究。
在5#聚類中,國內(nèi)研究熱點包括磁性固相萃取、固相萃取、高效液相色譜法,其次對離子液體、分離、低共熔溶劑、三元體系、溫度進行了研究;國外研究熱點主要包括分散式液-液微萃取法、氣相色譜法、微萃取技術(shù),其次對碳納米管、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、染料吸附、微粒進行了研究。
在6#聚類中,國內(nèi)以氧化脫硫、二苯并噻吩、石油為主要研究熱點,并對低共熔溶劑、石墨烯氧化、放射性碘捕獲進行了研究;國外以多酚類、綠色提取物、抗氧化劑為主要研究熱點,并對天然低共熔溶劑、綠色提取、食品分析、抗氧化活性進行了研究。
在7#聚類中,國內(nèi)的研究以酸類、高效率、電沉積為主要方向,并深入研究了離子液體、氧化脫硫、高效液相色譜法、牛奶樣品、液-液微萃??;國外的研究以離子液體、離子熱合成、水合作用為主要方向,并深入研究了離子液體、DES、DES體系、纖維素。
由上述分析可知,國內(nèi)外低共熔溶劑研究熱點聚類呈現(xiàn)出一些相似性和異質(zhì)性。國內(nèi)外對DES的研究存在很多交叉,均注重綠色化學(xué)的研究,且對DES在天然產(chǎn)物提取、萃取、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)等方面的研究較多。不同點在于,國內(nèi)對DES在各方面的應(yīng)用上研究較多,如中藥有效成分提取、溶解萃取機制、萃取效率、電沉積、納米材料制備、功能材料制備等;國外主要對DES在分離過程、生物降解、纖維素和木質(zhì)素提取中的應(yīng)用等進行深入研究,研究相對較為集中,注重結(jié)合工業(yè)界進行研究。
首先,用CiteSpace軟件對研究作者進行可視化分析,分別得到國內(nèi)外研究作者分布圖譜,如圖5、圖6所示。
圖5 國內(nèi)作者合作圖譜
圖6 國外作者合作圖譜
由圖5、圖6圖譜可知,國內(nèi)研究作者之間的團隊合作比國外更多一些,作者之間的合作關(guān)系較國外作者之間更為密切。
普萊斯[9]受貝爾納關(guān)于“科學(xué)發(fā)展總的模式與其說像樹,更像網(wǎng)”思想的啟發(fā),在加菲爾德發(fā)明的科學(xué)引文索引(SCI)基礎(chǔ)上,預(yù)言論文會因為引證關(guān)系而形成網(wǎng)絡(luò),人們可以借助于圖論和矩陣的方法加以研究。論文一定會聚集成團,而形成幾乎繪制成地圖的(顯示出擁有高地和不可逾越的沼澤地)‘陸地’和‘國家’。”
根據(jù)普萊斯理論[10],用公式(1)來計算,可以分析出核心作者,如表1、表2所示。
(1)
其中,Npmax為最高發(fā)文量,發(fā)文量>N則為核心作者。由表1可知,國內(nèi)作者最高發(fā)文量為46。由此計算可知,國內(nèi)作者發(fā)文量≥5篇的即為核心作者。據(jù)此分析,國內(nèi)核心作者共有323人,表1為發(fā)文量排前10位的國內(nèi)作者。由表2可知,國外作者最高發(fā)文量為78。計算可得,國外作者發(fā)文量≥7篇即為核心作者?;诖丝芍?,國外核心作者共有342人,表2為發(fā)文量排前10位的國外作者。對比表1和表2得知,發(fā)文量排名前10位的國外作者的發(fā)文量要遠(yuǎn)大于國內(nèi)作者的發(fā)文量,在數(shù)值上接近二倍關(guān)系。除此以外,國外作者的平均被引頻次更高,對DES的關(guān)注更為聚焦。2015年,Liu等[11]在《ChemInform》上發(fā)表了一篇關(guān)于DES作為可持續(xù)介質(zhì)以及催化劑在有機化學(xué)反應(yīng)中應(yīng)用的最新進展的文獻,在WOS核心數(shù)據(jù)集中,該文獻是國內(nèi)被引頻次最高的文獻。國外被引頻次最高的文獻出自Smith 等[12]發(fā)表在期刊《CHEMICAL REVIEWS》的一篇關(guān)于DES及其應(yīng)用的文章。
表1 國內(nèi)核心作者(發(fā)文量前10位)
表2 國外核心作者(發(fā)文量前10位)
為進一步了解國際研究概況,對本研究領(lǐng)域?qū)W科分布進行了可視化分析。如圖9所示。
圖7 國內(nèi)外DES研究的學(xué)科分布圖譜
在學(xué)科分布方面,從發(fā)文量來看,化學(xué)以3397篇位居第一,工程學(xué)、科學(xué)技術(shù)及其他課題、物理學(xué)、材料科學(xué)分別位列第2~5位。上述五門學(xué)科的發(fā)文量均超過700篇,在DES研究領(lǐng)域發(fā)揮先導(dǎo)作用。第6~10位分別是生物化學(xué)分子生物學(xué)、能源燃料、電化學(xué)、食品科學(xué)技術(shù)、聚合物科學(xué),以上學(xué)科使本研究領(lǐng)域得到進一步擴展。
從學(xué)科領(lǐng)域分布的中介中心性來看,材料科學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、化學(xué)、生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)、能源與燃料、化學(xué)(多學(xué)科)、化學(xué)(分析)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)、工程、化學(xué)(應(yīng)用)位居前10,并且中心性均為0.1,突顯出上述10門學(xué)科在DES研究領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的橋接作用。其中,材料科學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、化學(xué)、生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)這4門學(xué)科的中介中心性均超過0.2,說明這4門學(xué)科為DES的研究夯實了基礎(chǔ)。
整體來看,化學(xué)、工程、材料科學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)是高發(fā)文量高中心性的學(xué)科,彰顯了上述四門學(xué)科在DES研究領(lǐng)域中的巨大價值。
對于研究趨勢的分析,本論文通過關(guān)鍵詞突現(xiàn)檢測來進行可視化分析。軟件設(shè)置方面,在關(guān)鍵詞聚類分析的基礎(chǔ)上,選擇軟件控制面板中的burstness,得到突現(xiàn)度前10的關(guān)鍵詞如圖8所示。
從圖8得出,突現(xiàn)度最高的是electrodeposition,大小為17.53,其研究前沿時期為2010—2015年;其次是ionic liquid,突現(xiàn)度為15.15,研究前沿時期為2010—2015年;突現(xiàn)度排名第3位的是solvent,突現(xiàn)度大小為11.27,研究前沿時期為2009—2014年。在DES研究領(lǐng)域中,研究趨勢更偏向于DES在電沉積中的應(yīng)用、特性研究,以及與離子液體的對比、DES體系的開發(fā)等。
圖8 DES研究領(lǐng)域突現(xiàn)詞檢測圖譜
本論文運用CiteSpace軟件對Web of Science核心數(shù)據(jù)集(2004—2020年)中1834篇國內(nèi)文獻以及3887篇國外文獻進行了可視化對比分析,從各國文獻發(fā)表數(shù)量、關(guān)鍵詞共現(xiàn)、共被引分析、關(guān)鍵詞聚類、作者共現(xiàn)、研究機構(gòu)共現(xiàn)、學(xué)科分布以及關(guān)鍵詞突現(xiàn)率檢測探析了國內(nèi)外DES研究領(lǐng)域的研究熱點及研究趨勢,并在此基礎(chǔ)上對國內(nèi)外在本領(lǐng)域的研究進行對比分析。本論文得出的主要結(jié)論如下:
1)發(fā)文量及國家間合作關(guān)系:國內(nèi)外發(fā)文量均持續(xù)上升,但從整體增速上來看,國內(nèi)比國外緩慢;從合作關(guān)系角度來看,國內(nèi)作者、機構(gòu)間的跨區(qū)域合作比國外更為密切。
2)高被引文獻:通過對國內(nèi)外文獻共被引對比分析可知,國內(nèi)文獻的被引頻次遠(yuǎn)低于國外,國內(nèi)被引頻次最高的文獻被引頻次為368次,國外被引頻次最高的文獻被引頻次為2279次,是國內(nèi)被引頻次的6倍多。
3)研究熱點:通過聚類分析圖譜對比分析可知,國內(nèi)外均有8個聚類,它們之間既存在相似性(不同聚類出現(xiàn)時間不同、受關(guān)注程度不同等),又存在異質(zhì)性(聚類標(biāo)簽不同等)。通過國內(nèi)外研究熱點共現(xiàn)分析可以得知,國內(nèi)外均注重發(fā)展綠色化學(xué),并且對DES在天然產(chǎn)物提取、萃取、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用進行了研究。國內(nèi)目前在中藥有效成分提取等方面研究較多,國外對生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化等方面研究較多。
4)研究趨勢:根據(jù)突現(xiàn)率檢測分析可知,未來對DES的研究應(yīng)當(dāng)更多的在于開發(fā)新的DES體系和探索新的應(yīng)用領(lǐng)域,并結(jié)合分子模擬技術(shù)在微觀結(jié)構(gòu)分析與調(diào)控、溶解萃取機制和催化機理分析等方面進行深入研究,以獲得對DES更加全面的認(rèn)識。
通過對國內(nèi)外的對比分析可知,國家未來可對我國學(xué)者在DES領(lǐng)域開展更深層次研究工作加以鼓勵,爭取開發(fā)更多新型DES體系,并將其應(yīng)用到更多領(lǐng)域,深化綠色化學(xué)理念。