|
编者按：科技信息实体命名的标准与规范，可以提高其使用、识别和数据共享的效率。本期策划了“科技信息实体标准化命名与识别”专栏，介绍了分析类大型仪器的规范化命名规则以及基于Hadoop的并行化命名实体识别模型，为提高大型仪器设备的使用效率和改善基于各类实验室检测数据的命名实体识别效率提供了一种新的方法，可对促进科技信息和数据库的完善、共享等提供参考。 大型仪器设备命名规范化标准化研究 Research on naming standardization of large scientific apparatuses 作者单位 王 晋1，张文娟2，江永亨3， 赵长征4，周勇义5，郭振玺5， 徐振国1，黄春娟6，张丽娜7，韩玉刚6 1. 国家科技基础条件平台中心，北京 100862 2. 中国科学院 分子细胞科学卓越创新 中心，上海 200031 3. 清华大学，北京 100084 4. 中国科学院 植物研究所，北京 100093 5. 北京大学，北京 100871 6. 中国科学院 生物物理研究所，北京 100101 7. 中国农业科学院 作物科学研究所， 北京 100081 WANG Jin1, ZHANG Wenjuan2, JIANG Yongheng3, ZHAO Changzheng4, ZHOU Yongyi5, GUO Zhenxi5, XU Zhenguo1, HUANG Chunjuan6, ZHANG Lina7, HAN Yugang6 1. National Science and Technology Infrastructure Center, Beijing 100862, China 2. Center for Excellence in Molecular Cell Science, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China 3. Qinghua University, Beijing 100084, China 4. Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China 5. Peking University, Beijing 100871, China 6. Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 7. Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China 作者简介： 王晋（1982—），男，北京，本科，处长，主要研究方向为国家科研基础设施和大型科研仪器建设与开放共享。  以下为本文目录结构   点击图片查看大图 摘 要 关键词：大型仪器；规范化； 标准化；仪器命名；仪器分类 Key words: large scientific apparatuses; normalization; standardization; instrument naming; instrument classification 以下进入全文阅读 大型仪器设备是科技创新的基础和重要成果，是国家科技创新的核心组成部分之一。建设规范准确的大型仪器信息数据库将有利于进一步发挥仪器的使用效能和技术服务的开放共享，提高科技资源配置使用效率[1-3]。创立一套大型仪器设备命名规则和标准是完善大型仪器设备数据库主要信息的前提，具有重要的意义。 1 大型仪器设备数据库概况 目前，与大型科研仪器科技资源相关的数据库主要包括财政部的行政事业单位资产数据库（以下简称“资产数据库”）和科技部的国家网络管理平台大型科研仪器信息数据库（以下简称“仪器信息库”）。前者主要统计行政事业单位大型仪器设备名称、数量和原值等静态数据。而后者则偏重于大型科研仪器的使用机时、区域分布和开放共享等动态信息。“资产数据库”统计数据按照财政部发布的《固定资产分类与代码》（GB/T 14885—2010）[4]，将固定资产细分为3700多种，其中仪器设备分为通用仪器和专用仪器，再根据专业领域和应用场景细分，相关种类超过1500个。“仪器信息库”统计数据是按照《科技平台大型科学仪器设备分类与代码》（GB/T 32847—2016）[5]，将大型仪器分为15大类、94中类、646小类。该标准由全国科技平台标准化技术委员会提出，规定了科技平台大型科学仪器设备的分类原则、代码结构与代码表，适用于科技平台大型科学仪器设备的调查统计、数据分析、科学规划、规范管理、资源整合、优化配置、共享服务与高效利用等[6]。以上两个有关大型仪器设备数据库均存在分类不科学、仪器设备名称不规范的情况。 2 大型仪器设备命名现状 科研仪器是指科学技术上用于实验、计量、观测、检查、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的精密的器具或设备。根据仪器测试对象的物理性质可以划分出计量仪器、力学仪器、光学仪器、热工仪表、成分分析仪器、电磁量测仪表、时间和频率量测仪表、电子辐射仪器等。根据仪器的不同学科或专业用途，可以划分出天文仪器、地球科学仪器、医药卫生器械、生物科学仪器、农林科学仪器、工业自动化仪器、材料试验机和试验仪器等。 由于仪器设备种类繁多，特别是大型仪器设备原理和功能集成复杂，应用领域和场景越来越交叉模糊，造成了目前大型仪器设备名称不规范，甚至同一台设备名称五花八门。如高效液相色谱仪（HPLC）是应用高效液相色谱原理，主要用于分析高沸点不易挥发、受热不稳定和分子量大的有机化合物的仪器设备，它由储液器、泵、进样器、色谱柱、检测器、记录仪等几部分组成。这类仪器规范的名称就叫高效液相色谱仪，但是在大型仪器数据库中，至少有蛋白纯化系统、层析系统、层析柜、层析仪、核酸分析仪、液相高效色谱仪、凝胶过滤系统、akta分析仪、液相等9种不同的叫法。 造成大型仪器设备名称不规范、不准确的原因有客观和主观两方面。客观原因是缺乏一套有关仪器设备命名的规则和标准。主观原因有三点：第一，管理单位仪器设备规划、采购和入库不规范，不严谨。设备规划、采购和入库环节往往不是同一个人，入库管理员录入设备信息不完整（如把场发射300 kV冷冻透射电子显微镜写成电镜）、信息不准确（如把高效液相色谱仪写成蛋白质纯化仪）。第二，财政部大型科学仪器分类标准和编码过于复杂，入库管理员很难将设备信息和复杂的分类编码准确对应。第三，随着科技部国家科技基础条件平台中心对大型科研仪器设备查重评议工作的推进，一些管理单位为了规避查重评议故意将申报的设备名称写得晦涩难懂，加剧了大型科研仪器设备名称混乱的局面。 3 国家网络管理平台大型科研仪器 信息数据分析 截至2019年底，“仪器信息库”收集了部级高校和科研院所50万元以上的大型科研仪器设备共计4.2万台/套。按照《大型科学仪器设备分类与代码》（GB/T 32847—2016）分类，其中分析仪器占比48.13%（见表1）。
分析仪器中，电子光学仪器、显微镜及图像分析仪器和质谱仪器占比较高，相关仪器数量及占比见表2。
4 大型仪器设备命名规则 分析“仪器信息库”收集的大型仪器名称信息，发现大型仪器设备命名与其分类密切相关，分析类仪器大部分是按照仪器工作原理命名，非分析类仪器多数是按照仪器功能命名。 针对分析类仪器，经调研论证，大型仪器命名需遵循如下原则：依据“主要原理、主要配置、服务对象”等关键指标对大型仪器命名；命名与分类相结合，命名规则遵从分类标准；命名尽量符合现有仪器命名和厂家厂商产品命名习惯；命名需要参考现在的管理规定（国家、海关、资产等）中心语（关键词）。 根据以上原则，大型仪器命名应采取以下标准规范： （1）统一用仪器原理命名法。 （2）仪器名称按照“配置功能-主要原理-主语”顺序描述。对于复杂仪器，配置功能按照样品分析时被分析物经历的次序描述。其中配置功能一般不超过3个，主要原理不超过2个。主语尽量用计、仪、镜、器、机等明确主体，尽量不要用系统等模糊概念。仪器主语是计，表示被分析物的信号在分析仪器的最后已经被直接转化成了电信号，与英文中的“meter”相对应，如光量计；仪器主语是仪，表示被分析物的信号没有被直接转化为电信号的仪器，与英文中的“scope”相对应；仪器主语是镜，表示检测器通常是感光板，可直接用眼睛看，如显微镜、电镜等。 本文以电子显微镜、光学显微镜、质谱仪3类分析仪器着手，根据数据库中仪器相关信息归纳整理，同时参考仪器厂商的命名习惯，制定了该类大型仪器的命名规则和标准。 4.1 显微镜 显微镜是用于放大微小物体使之可以为人眼所见的科研仪器，属于通用大型科研仪器设备，根据所使用光源的不同，主要包括光学显微镜、荧光显微镜、电子显微镜等，其基本构成如图1所示。显微镜的发明使人们可以看见数以百计的微小动物和植物，以及从组织到细胞等观察对象的内部构造。最早的光学显微镜出现于16世纪末期的荷兰，后来意大利科学家伽利略通过光学显微镜观察昆虫后，第一次对昆虫复眼进行了描述。随后荷兰亚麻织品商人列文虎克用自己磨制的光学透镜第一次发现了尺寸在微米级的微生物，并因此被称为“微生物之父”[7]。1931年，恩斯特·鲁斯卡研制出了电子显微镜，能观察到纳米级微小的物体，并获得1986的诺贝尔化学奖。
根据对数据库中约3500台显微镜的现有名称、技术原理、主要配置、生产厂商等进行归纳总结，提炼其中的技术原理、主要配置信息，形成了如下显微镜规范命名规则（表3）。
光学显微镜[8]是以可见光/荧光为照明光源的显微成像系统；电子显微镜[9]是以电子束为照明光源的显微成像系统。表3中各专业术语注释如下。 4.1.1 光学显微镜 1）主要配置/功能三：显微镜光路架构。 正置：物镜在样品上方。 倒置：物镜在样品下方。 2）主要配置/功能二：成像模式。 宽场（wide field）照明光源均匀地照亮整个视场成像。 全内反射（total internal reflection，TIRF）：依据全内反射原理使入射光以满足全内反射的角度照射样品，故能仅照亮贴近盖玻片一侧约100 nm厚度范围内的样品，从而避免非焦面荧光信号被激发。 掠入射[10]（grazing incidence，GI）：将入射光以大角度照射样品，仅照亮贴近盖玻片一侧约1 μm厚度范围内的样品，有效避免光漂白及非焦面杂散光的影响。 点扫描（spot scanning）：将照明光汇聚成点，逐点扫描样品成像。 转盘扫描（spin disk）：利用多孔转盘实现多点同步扫描。 3）主要配置/功能一：成像等技术原理。 激光共聚焦（confocal）：激光经照明光孔后聚焦到样品上，在探测器前方与照明光孔相对于物平台共轭的位置安置一探测光孔，可以有效过滤掉非焦面的杂散光，从而达到提高成像质量的目的。 超快（fast）：成像速度快，一般用于活体动态成像。 超高分辨率（super-resolution）[11]：指突破了光学衍射极限的成像技术，包括结构光照明、单分子定位、激光辐射耗尽等技术。 冷冻（cryo）：样品在－170 ℃以下环境的成像技术。 激光切割（laser cutting）：利用激光对样品进行微加工的技术。 4）具体技术原理。 荧光（fluorescence）：物质吸收光照或者其他电磁辐射后发出的光。 荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）：当一个荧光分子（供体）的荧光光谱与另一个荧光分子（受体）的激发光谱重叠时，供体荧光分子的激发能诱使受体分子发出荧光。 荧光相关光谱（ fluorescence correlation spectroscopu，FCS）：用两个激发光谱横向偏移但部分重合的荧光分子的荧光信号进行自身与交叉相关分析，用于分析溶液或者膜内分子的扩散系数。 荧光寿命（fluorescence lifetime，FLIM）：去掉激发光后，荧光分子的荧光强度降到激发时的荧光最大强度的1/e所需要的时间定义为荧光寿命，可用于分析研究体系自身结构、所处微环境等的微小变化。 多光子（multi-photon excitation）：基于多光子理论提出的新型光子技术，具备低光毒性、穿透深度深等特点。 透射光（transmission light）：照明光透射样品成像。 偏振光（polarized light）：光的振动面只限于某一固定方向。 偏振：光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。 暗场（dark field）：利用大角度照明阻挡透射过样品的直射光，以反射光和散射光来观察样品。 微分干涉（differential-interference，DIC）：两束临近光线经过样品后干涉增强成像反差。 相差（phase contract）：利用光的衍射把相差改为振幅差来观察未染色的样品。 4.1.2 电子显微镜 1）主要配置/功能四：加速电压。 300/200/120/80 kV：不同加速电压对样品的穿透深度不同。 2）主要配置/功能三：适用对象。 液体：适用于液体样品。 原位：原位生物学结构解析。 化学：化学类样品。 环境：在物镜极靴处安装一压差光阑，使得在保证电子枪区高真空的同时，允许样品室内有气体流动。 冷冻：借助冷冻装置用于冷冻样品观察。 常温：用于常温样品成像。 3）主要配置/功能二：光源。 场发射（field emission）：是指强电场作用下电子从阴极表面释放出来的现象。 冷场发射：冷阴极场发射。 热电子型：热发射电子枪，电子枪按阴极材质分为发叉钨丝和六硼化镧两类。 超快（UTEM）：通过对电子枪与镜体进行改造并导入飞秒激光，实现飞秒时间分辨能力。 光发射（light emission）：光辐射使金属表面自由电子的能量增加而被激发，实现电子发射的现象。 氦离子：使用氦离子束实现亚10 nm 超高精度加工。 4）主要配置/功能一：系统优化。 单色器：使不同能量的电子实现空间上的分离，再用能量选择单元选取一定能量谱宽的电子束用于成像。 球差校正（spherical aberration corrected，SAC）：校正电镜系统的球面像差（球面像差：电子无法会聚到一个焦点从而影响成像能力）。 双球差校正：配备物镜球差校正器和聚光镜球差校正器。 高通量（high throughput）：高通量数据采集。 台式：可以放置在试验台上的小型演示用电镜。 双束：一般指配备了电子束（成像）和聚焦离子束（加工）的扫描电镜。 多束：配备多种不同类型离子束以实现对不同类型样品加工。高分辨（high resolution），可以实现亚纳米分辨率。 5）技术原理：成像原理。 透射：电子束穿透样品成像。 扫描：电子束扫描样品表面成像。 4.2 质谱仪 质谱分析是一种测量离子质荷比（质量-电荷比）的分析方法。质谱仪[12-15]的基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。质谱仪的基本构成如图2所示。
根据数据库中约2600台质谱仪（包含同位素质谱仪、无机质谱仪、有机质谱仪等）的现有名称、核心配置（质量分析器）、主要配置（离子源、样品系统）、生产厂商等进行归纳总结，提炼其中的技术原理、主要配置信息，形成了如下质谱仪命名规则（见表4）。
（1）主要配置（离子源）：提供能量将待测样品电离，组成由不同质荷比（m/z）离子组成的离子束。 （2）核心配置（质量分析器）：将离子源产生的离子按m/z顺序分离。 质谱仪主要性能指标有： 1）质量范围。质谱仪所检测的单电荷离子的质荷比范围。 2）分辨率。质谱仪分开相邻两个离子峰的能力。 3）灵敏度。 （1）检出下限。指质谱仪可以检测到的最小样品量。 （2）分析灵敏度：指质谱仪的输入样品量与输出信号之比，通常以一定量的样品在一定条件下产生分子离子峰的信噪比（S/N）表示。 4）质量精度。质谱仪的实测分子量和理论分子量的接近程度。 5）质量稳定性。指质谱仪工作时的质量稳定情况，通常用一定时间内的质量漂移表示。 5 大型仪器设备数据库优化建议 大型科研仪器名称是仪器设备资源数据库的核心字段，其规范标准的命名是建立高质量科技资源数据库的核心。仪器设备名称的规范有利于仪器设备资源的准确检索识别，从而进一步提高大型仪器的使用效率，支撑国家科技创新发展。同时有利于准确掌握某类仪器设备的存量，提高科技资源的配置效率，为此提出如下建议。 （1）在目前已经完成显微镜和质谱仪标准化命名的基础上，扩大标准化命名的范围，尽快完成对通用分析仪器的标准化命名工作，然后再对其他仪器进行标准化命名研究，最终形成大型科研仪器命名国家标准。 （2）将标准化命名后的科研仪器资源信息嵌入“仪器信息库”，实现对现有不规范的仪器名称的更新和替换。 （3）开展科研仪器标准化命名的宣传和培训，让各部门、地方和法人单位理解科研仪器标准化命名的重要性，解读标准化命名的方法和原则，为后续科研仪器资源信息的填报提供重要保证。 参考文献 (References) [1] 魏弘. 加强科技基础平台建设推进大型仪器共享服务[J]. 科技创新导报，2019，16(29): 151–152. [2] 韩玉刚. 加强技术支撑队伍建设，推动仪器设备开放共享[J].分析测试技术与仪器，2020，26(2): 87–89. [3] 曹莹方，朱臻，谷文媛. 加强高校大型仪器设备公共平台建设建立“共建共管共享”新体系[J]. 实验技术与管理，2020，37(12): 6–8. [4] 中国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，固定资产分类与代码：GB/T 14885-2010[S]. 北京：中国标准出版社，2010. [5] 中国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，科技平台大型科学仪器设备分类编码：GB/T 32747-2016[S]. 北京：中国标准出版社，2016. [6] 洪生伟. 标准化管理[M]. 北京：中国计量出版社，2012. [7] WILSON M. Microscope resolution: Concepts, factors and calculation[R/OL]. (2016-12-02)[2021-12-05]. https://www. leica-microsystems.com/science-lab/ microscope-resolution-concepts-factors-and-calculation/. [8] 马科斯·伯恩，埃米尔·沃耳夫. 光学原理[M]. 7 版. 杨葭荪，译. 北京：电子工业出版社，2009. [9] REIMER L, KOHL H. Transmission electron microscopy: Physics of image formation[M]. 5th ed. Switzerland, AG: Springer, 2008. [10] GUO Y, LI D, ZHANG S, et al. Visualizing intracellular organelle and cytoskeletal interactions at nanoscale resolution on millisecond timescales[J]. Cell, 2018, 175(5): 1430–1442. [11] SAHL S J, HELL S W, JAKOBS S. Fluorescence nanoscopy in cell biology[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2017, 18(11): 685–701. [12] VOGESER M, PARHOFER K G. Liquid chromatography tandem-mass spectrometry (LC-MS/MS)--technique and applications in endocrinology[J]. Experimental and Clinical Endocrinology and Diabetes, 2007, 115(9): 559–70. [13] DOMON B, AEBERSOLD R. Mass spectrometry and protein analysis[J]. Science, 2006, 14, 312(5771): 212–217. [14] FENN J B, MANN M, MENG C K, et al. Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules [J]. Science, 1989, 246(4926): 64–71. [15] YATES J R. Protein structure analysis by mass spectrometry[J]. Methods Enzymol, 1996, 1: 351–377. 引文格式：王晋，张文娟，江永亨，等. 大型仪器设备命名规范化标准化研究[J]. 实验技术与管理, 2022, 39(2): 1-6. Cite this article: WANG J, ZHANG W J, JIANG Y H, et al. Research on naming standardization of large scientific apparatuses[J]. Experimental Technology and Management, 2022, 39(2): 1-6. (in Chinese) |
|
|
